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风力发电塔筒螺栓:风力发电塔筒螺栓监测前沿技术研究

风力发电塔筒螺栓:风力发电塔筒螺栓监测前沿技术研究

2021-11-17 14:22

风力发电塔筒螺栓:近年来,随着全球风电产业的快速发展,中国已成为全球较大、增长较快的风力发电市场。到2018年,国内风电累计装机约21万千瓦,同比增长11.2%。但由于我国风电关键技术研究起步较晚,整机设计制造技术高度依赖国外,快速发展也带来了诸多问题。风电运维压力逐渐增大,风电机组火灾、失控等事故时有发生。尤其是风电机组塔架,作为整个风电机组的支撑系统,对保证风电机组安全可靠运行起着重要作用。然而,由于制造安装质量不合格,设备检查和运行维护检查不到位,倒塔事故时有发生,造成了巨大的经济损失。

风力发电塔筒螺栓

目前,影响塔架安全运行的主要问题是基础不均匀沉降或松动、塔架异常倾斜和弯曲、塔架法兰螺栓疲劳失效。对于前两个问题,已经出现了大量的研究报告,对塔基、倾角的动静态监测提出了各种技术方案。本文重点研究第三个问题,法兰螺栓的疲劳失效。风力发电机的塔架结构使塔架承受机舱和叶片的自重以及风的水平载荷。由于风速的时变特性,风力发电机组在交变负荷条件下运行。随着运行时间的增加,塔架连接螺栓的交变应力很容易导致疲劳失效,如果在固定检查时没有及时发现,将会导致严重的后果。

目前,塔架螺栓在线监测是一个未被满足的工业需求,广泛认可的监测手段和行业标准尚未建立。文献检索后发现,有少数与该领域相关的报道,集中于螺栓松动和螺栓变形的监测。采用的解决方案包括电路电路技术、振动-应力复合传感技术、光纤光栅技术、智能螺栓等,接下来将分别介绍。

1、电路电路技术风力发电塔筒螺栓松动报警技术

电路电路技术用于报警螺栓松动。其技术原理是将螺栓松动的位移转化为检测电路的通断值,实现预警。该方案中,检测电路(A预警电路、B报警电路)的开关与螺栓松动检测装置绑定,螺栓松动驱动开关移动。当位移变大,电路形成闭环时,可以实现预警或报警。该技术在风电塔筒法兰螺栓和基础预应力地脚螺栓防松监测方面,可实现监测技术的经济性、快速性和便捷性。缺点是无法实时获取螺栓的工况信息[2]。

2、振动-应力复合传感技术

该技术是利用振动对磁场的调制作用和压阻效应原理设计的振动-应力复合传感器,可同时监测风电塔筒的振动状况和法兰螺栓的紧密度。可有效解决风电塔筒法兰螺栓松动的早期监测问题,显著提高风电机组安全性,预防重大事故发生。

使用时,将本发明的整个传感器安装在靠近螺栓的法兰盘上,在一定频率的正弦电流作用下,激励线圈会在振动梁与基板之间的传感器气隙中产生交变磁场,并在下方的法兰盘中产生涡流场和感应磁场。当风力发电塔振动时,振动梁会变形,从而改变传感器的气隙磁场。磁传感器可以感受到磁场的变化,并将其转化为输出电压的变化;当传感器下方的法兰出现应力变化时,其电导率也会发生微小变化,导致涡流场和感应磁场的变化,这种变化也能被磁传感器感受到并转化为输出电压的变化。

当螺栓松动时,螺栓孔周围的压应力会明显减小,导致电阻率(压阻效应)增大,电导率降低。因此,本实施例中用于监测风电塔筒法兰螺栓的振动-应力复合传感器不仅可以监测风电塔筒的振动(这是螺栓松动的根源),还可以监测螺栓松动的程度(在螺母没有明显转动时可以监测),有助于螺栓松动的早期预测。由于振动信号是动态的,应力变化是准静态的,因此可以通过对传感器输出信号的频谱分析来区分振动和应力。

3、光纤光栅技术

该技术基于光纤光栅技术监测螺栓的变形和弯曲。光栅与螺栓紧密贴合,光栅跟随螺栓的变形产生光信号的变化,由解调器进行分析,从而监测螺栓的变形。与传统的电传感器相比,这种基于光纤光栅的高强度风电塔筒螺栓监测系统具有抗电磁干扰、耐腐蚀、传输距离远等优点。与敏化光纤光栅技术相比,采用双光栅结构,光栅与螺栓紧密接触,几乎一体化,可以直接反映螺栓状况,快速响应螺栓的变化,适用于静态应力应变监测和动态应变监测,双光栅结构可以有效掌握螺栓的热应变,从而可以更精细地区分应变源。

4、智能风力发电塔筒螺栓

智能螺栓的紧固件本体包括变形部和连接部,变形部与测量单元连接;安装紧固件本体时,连接部带动变形部变形,然后推动测量单元移动产生位移。本发明还公开了一种智能扣件的监控系统。本发明的智能紧固件可以通过测量单元测量的位移获得变形部位的变形,然后通过人工计算或预定公式计算预紧力,与现有技术中的预紧力指示螺栓相比,具有精度高、结果基于数据的优点。

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