風(fēng)力發(fā)電塔筒螺栓：風(fēng)力發(fā)電塔筒螺栓監(jiān)測前沿技術(shù)研究

風(fēng)力發(fā)電塔筒螺栓：近年來，隨著全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，中國已成為全球較大、增長較快的風(fēng)力發(fā)電市場。到2018年，國內(nèi)風(fēng)電累計裝機約21萬千瓦，同比增長11.2%。但由于我國風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)研究起步較晚，整機設(shè)計制造技術(shù)高度依賴國外，快速發(fā)展也帶來了諸多問題。風(fēng)電運維壓力逐漸增大，風(fēng)電機組火災(zāi)、失控等事故時有發(fā)生。尤其是風(fēng)電機組塔架，作為整個風(fēng)電機組的支撐系統(tǒng)，對保證風(fēng)電機組安全可靠運行起著重要作用。然而，由于制造安裝質(zhì)量不合格，設(shè)備檢驗和運行維護檢驗不到位，倒塔事故時有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟損失。

目前，影響塔架安全運行的主要問題是基礎(chǔ)不均勻沉降或松動、塔架異常傾斜和彎曲、塔架法蘭螺栓疲勞失效。對于前兩個問題，已經(jīng)出現(xiàn)了大量的研究報告，對塔基、傾角的動靜態(tài)監(jiān)測提出了各種技術(shù)方案。本文重點研究第三個問題，法蘭螺栓的疲勞失效。風(fēng)力發(fā)電機的塔架結(jié)構(gòu)使塔架承受機艙和葉片的自重以及風(fēng)的水平載荷。由于風(fēng)速的時變特性，風(fēng)力發(fā)電機組在交變負荷條件下運行。隨著運行時間的增加，塔架連接螺栓的交變應(yīng)力很容易造成疲勞失效，如果在固定檢驗時沒有及時發(fā)現(xiàn)，將會造成嚴重的后果。

目前，塔架螺栓在線監(jiān)測是一個未被滿足的工業(yè)需求，廣泛認可的監(jiān)測手段和行業(yè)標(biāo)準尚未建立。文獻檢索后發(fā)現(xiàn)，有少數(shù)與該領(lǐng)域相關(guān)的報道，集中于螺栓松動和螺栓變形的監(jiān)測。采用的解決方案包括電路電路技術(shù)、振動-應(yīng)力復(fù)合傳感技術(shù)、光纖光柵技術(shù)、智能螺栓等，接下來將分別介紹。

1、電路電路技術(shù)風(fēng)力發(fā)電塔筒螺栓松動報警技術(shù)

電路電路技術(shù)用于報警螺栓松動。其技術(shù)原理是將螺栓松動的位移轉(zhuǎn)化為檢測電路的通斷值，實現(xiàn)預(yù)警。該方案中，檢測電路(A預(yù)警電路、B報警電路)的開關(guān)與螺栓松動檢測裝置綁定，螺栓松動驅(qū)動開關(guān)移動。當(dāng)位移變大，電路形成閉環(huán)時，可以實現(xiàn)預(yù)警或報警。該技術(shù)在風(fēng)電塔筒法蘭螺栓和基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力地腳螺栓防松監(jiān)測方面，可實現(xiàn)監(jiān)測技術(shù)的經(jīng)濟性、快速性和便捷性。缺點是無法實時獲取螺栓的工況信息[2]。

2、振動-應(yīng)力復(fù)合傳感技術(shù)

該技術(shù)是利用振動對磁場的調(diào)制作用和壓阻效應(yīng)原理設(shè)計的振動-應(yīng)力復(fù)合傳感器，可同時監(jiān)測風(fēng)電塔筒的振動狀況和法蘭螺栓的緊密度?？捎行Ы鉀Q風(fēng)電塔筒法蘭螺栓松動的早期監(jiān)測問題，顯著提高風(fēng)電機組安全性，預(yù)防重大事故發(fā)生。

運行時，將本發(fā)明的整個傳感器安裝在靠近螺栓的法蘭盤上，在一定頻率的正弦電流作用下，激勵線圈會在振動梁與基板之間的傳感器氣隙中產(chǎn)生交變磁場，并在下方的法蘭盤中產(chǎn)生渦流場和感應(yīng)磁場。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電塔振動時，振動梁會變形，從而改變傳感器的氣隙磁場。磁傳感器可以感受到磁場的變化，并將其轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化；當(dāng)傳感器下方的法蘭出現(xiàn)應(yīng)力變化時，其電導(dǎo)率也會發(fā)生微小變化，造成渦流場和感應(yīng)磁場的變化，這種變化也能被磁傳感器感受到并轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化。

當(dāng)螺栓松動時，螺栓孔周圍的壓應(yīng)力會明顯減小，造成電阻率(壓阻效應(yīng))增大，電導(dǎo)率下降。因此，本實施例中用于監(jiān)測風(fēng)電塔筒法蘭螺栓的振動-應(yīng)力復(fù)合傳感器不僅可以監(jiān)測風(fēng)電塔筒的振動(這是螺栓松動的根源)，還可以監(jiān)測螺栓松動的程度(在螺母沒有明顯轉(zhuǎn)動時可以監(jiān)測)，有助于螺栓松動的早期預(yù)測。由于振動信號是動態(tài)的，應(yīng)力變化是準靜態(tài)的，因此可以通過對傳感器輸出信號的頻譜分析來區(qū)分振動和應(yīng)力。

3、光纖光柵技術(shù)

該技術(shù)基于光纖光柵技術(shù)監(jiān)測螺栓的變形和彎曲。光柵與螺栓緊密貼合，光柵跟隨螺栓的變形產(chǎn)生光信號的變化，由解調(diào)器進行分析，從而監(jiān)測螺栓的變形。與傳統(tǒng)的電傳感器相比，這種基于光纖光柵的高強度風(fēng)電塔筒螺栓監(jiān)測系統(tǒng)具有抗電磁干擾、耐腐蝕、傳輸距離遠等優(yōu)點。與敏化光纖光柵技術(shù)相比，采用雙光柵結(jié)構(gòu)，光柵與螺栓緊密接觸，幾乎一體化，可以直接反映螺栓狀況，快速響應(yīng)螺栓的變化，適用于靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測和動態(tài)應(yīng)變監(jiān)測，雙光柵結(jié)構(gòu)可以有效掌握螺栓的熱應(yīng)變，從而可以更精細地區(qū)分應(yīng)變源。

4、智能風(fēng)力發(fā)電塔筒螺栓

智能螺栓的緊固件本體包括變形部和連接部，變形部與測量單元連接；安裝緊固件本體時，連接部帶動變形部變形，然后推動測量單元移動產(chǎn)生位移。本發(fā)明還公開了一種智能扣件的監(jiān)控系統(tǒng)。本發(fā)明的智能緊固件可以通過測量單元測量的位移獲得變形部位的變形，然后通過人工計算或預(yù)定公式計算預(yù)緊力，與現(xiàn)有技術(shù)中的預(yù)緊力指示螺栓相比，具有精度高、結(jié)果基于數(shù)據(jù)的優(yōu)點。

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