基于智能传感技术的风电机组螺栓运行状态监测.pdf

照明电器 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明152基于智能传感技术的风电机组螺栓运行状态监测卢冠宇1，曹晓玲1，李 健21.国电联合动力技术有限公司，北京 1000892.国能联合动力（保定）技术有限公司，河北 保定 071051摘要：文章以某风电场为例，研究风电机组桨叶螺栓断裂的原因，利用螺栓在线监测系统实时监测叶根、塔筒等部位及连接结构件的螺栓轴力，为风电机组运行的安全性和可靠性提供强有力的监测数据支持。关键词：风电机组；螺栓断裂；智能传感技术分类号：TM3150 引言风电机组是将风能转化为电能的重要设备，其运行状态的监测是确保其稳定运行和生产电能的关键。借助智能传感技术进行运行状态监测评估，能够提高对风电机组运行状态的实时监测效果，确保风电产能，为人们提供更好的电能服务。1 项目概况某风电厂在检修中发现某台风力发电机 0顺时针方向的第 2 个螺栓发生了松动，导致了跟转现象。工人用双手摇动，发现螺丝已经很软。用双手将螺丝拉出，检查螺丝底部，发现与螺帽相连的部分被破坏。考虑到问题的严重性，机组成员对整个桨叶的螺栓进行了仔细的检查，发现第 4 个螺栓也存在问题，在螺钉与螺帽的下侧相连部分存在松动。随后，工作人员对风力发电厂的所有机组进行了检查，发现 4 台风力发电机中的 10 个螺栓发生了故障。2 风电机组螺栓的制造要求一般情况下，螺栓的强度是 10.9，而且对材质的淬透性有很高的要求 在 90%以上的回火条件下，必须保证不存在脱碳层。如果使用不合适的热处理设备和加工工艺，会导致螺栓性能的不可控和不稳定，从而对螺栓的品质产生不利影响。这种情况下，即使螺栓的各项性能指标达到了规定标准，也仍然有潜在的断裂风险。螺栓防腐涂层的损坏也是造成螺栓断裂的一个重要原因，腐蚀会使螺栓的各项性能指数不断降低，在长时间的使用中还会引起螺栓的疲劳开裂。因此，在制造螺栓时，必须选用适当的热处理和防腐蚀技术，以满足设计要求的各项指标。3 螺栓断裂的常见原因3.1 负荷强度不符合要求在风电机组的设计中，存在桨叶的计算负荷强度与真实情况不符的问题。在机组运转时，若桨叶转动时的扭矩超出了螺栓的设计极限，则会发生螺栓的断裂。运转中的桨叶螺栓受到的应力分布不均匀，在正常工作状态下，叶根对桨叶螺栓产生的应力集中在 0和 180。在 0时，桨叶螺栓受到的应力最大，很可能发生螺栓的断裂。需要加强对桨叶螺栓本身特性的关注。3.2 预紧力力矩不符合要求在现场进行螺栓的安装和保养时，必须严格保持设定的扭矩，以免发生扭矩偏大、扭矩不够等问题。扭矩太大，螺栓的应力强度会下降，在维修扭矩时也容易出现裂纹；扭矩不够，叶轮运转时会发生螺栓松动，造成桨叶的严重震动。3.3 润滑不到位导致摩擦系数不符合要求螺栓的润滑油不够，润滑不到位，在接头处没有达到相应的摩擦系数，导致螺栓的摩擦系数偏大，从而使得螺栓的预紧能力不够，引起了螺栓的断裂。经检测，研究项目的螺栓断裂是由润滑不到位、摩擦系数不符合要求导致的。4 风电机组螺栓运行状态监测4.1 法兰面螺栓监测风电发电机叶根和塔筒的螺栓数量很多且空间位作者简介：卢冠宇，男，硕士，工程师，研究方向为质量管理、金属材料性能及失效分析。文章编号：2096-9317（2023）03-0152-03光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 照明电器153置跨度大，对风电发电机上多个螺栓进行在线监测很有必要。通过螺栓监测系统实时监测风电机组叶根和塔筒法兰螺栓的预紧力状态，可以提前预知松动或断裂问题，保障风电机组安全稳定运行1。叶根和塔筒螺栓状态监测系统可以监测塔筒法兰螺栓、叶根-变桨轴承、变桨轴承-轮毂螺栓的松动、形变、断裂等故障状态。4.1.1 监测系统架构在叶根和塔筒法兰面上安装法兰面空隙监测装置和监测装置（或串口），实时监测法兰盘表面的松紧状况，并将故障信息上传至服务器。借助监测系统，能够实现故障的自动诊断、自动报警，可及时发现隐患，及时通知现场。通过分析螺栓预紧力来判断螺栓的运行状态，能够确保设备管理人员实时、准确地掌握塔筒状态，及时发现异常2。监测系统架构如下。（1）物联网层。用于智能感知、获取设备运行状态数据。在塔筒法兰螺栓每层等间隔 60的法兰面位置部署法兰面间隙位移传感器，通过 RS485 转以太网串口进入机舱交换机，进入环网。在叶根-变桨轴承和变桨轴承-轮毂位置等间隔 90部署法兰面间隙位移传感器，在变桨 90区域多加装 1 个，传感器通过RS485 信号线将信息传输到桨叶监测 RH1000 采集器内，再通过桨叶监测采集器无线传输到机舱，将无线AP 接收数据传入环网，到升压站。（2）数据分析层。主要包括螺栓状态监测系统，CMS、BMS、TMS 共用一套系统，在现场服务器上存放、管理和分析从采集系统发回的设备运行数据。现场人员可使用螺栓状态监测系统对法兰面松动数据、报警状态等进行统一管理、分析，以了解机组运行状态。（3）远程监测分析层。用于数据分析、数据挖掘、容灾备份。存储在现场服务器上的资料可以和容知远距离诊断中心联网，一方面可以进行异地数据备份，并允许灾难容错，另一方面，容知远距离诊断中心的专业人员能对设备状况进行评估。通过容知远距离故障诊断，可以让现场的设备监测工作更轻松，让人员更及时地进行故障预警处理和数据分析。4.1.2 监测原理多个螺栓同时紧固时，设备对螺栓松动有一定允许裕度，即单个螺栓的松动不会马上对设备造成损伤。只有当松动螺栓的数量超过一定量时，才会因载荷分布不均匀造成螺栓断裂，进而造成重大事故。从第一根螺栓松动到最后螺栓断裂，是一个变化的过程，可能持续几小时到几天不等，故无须在每个螺栓都安装传感器。需要通过现场确认在承载大、受力复杂的区域安装传感器，等角度间隔在扇形区均匀分布安装传感器。间隙位移传感器采用电涡流位移原理，传感器装置中一部分是传感器本体，包含电路板卡和感应线圈，另一部分是感应触发模块3。间隙位移传感器也分成两部分安装，一部分装在上法兰，另一部分装在下法兰。当法兰螺栓松动后，会导致法兰间隙变大，带动传感器两部分间位移数据变化。通过监测间隙的变化即可了解整个法兰的螺栓松动情况。监测装备可以通过 RS485 等通信方式把数据传输给采集单元，再传输到容知服务器。系统可以据数据判断是否有异常发生，并通知工作人员设备异常，同时记录螺栓松动的时刻、位置，为后期检修和事故分析提供信息4。4.1.3 系统硬件设计法兰面间隙位移传感器用于测量法兰间隙的位移变化，位移量程为 3 mm，分辨力为 0.1 m，频响为 0.01 20 Hz，采用级联 RS485 设计，支持电源防反接保护功能。电源回路和信号回路耐压为 500 V，浪涌防护等级为 4（4 kV），整机防护等级为 IP66。Mport3101 串口服务器供电电压为 18 36 V DC，功率 1 W，工作温度为-40 +85，通信接口为 RS485、以太网接口，储存温度为-45 +165。4.1.4 系统软件设计监测系统软件根据现场装备监测与故障诊断要求设计，一般用户可通过软件查看设备健康状态、设备报警、故障等整体情况，专业诊断人员可根据设备报警、故障灯数据和精密数据分析对设备进行诊断和处理。软件界面分为首页（驾驶舱）、报警管理、故障管理、专家诊断、设备管理、点检管理、知识库、统计报表、系统管理等板块。监测系统软件具有如下特点：（1）为用户设置了多个任务界面，主页包含监测范围、设备报警状态分布、报警情况等板块，并为故障报警、诊断等提供了全面而有效的报警流程；（2）具备强大的展示功能、统计报表功能和输出功能；（3）可以形成数据条形图、价值趋势图表，实时动态地展示数据；（4）可以进行设备的自诊断和异常统计；（5）支持菜单配置和分级管理；照明电器 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明154（6）具备灵活的扩展性，提供标准数据接口服务，方便数据集成和交互；（7）软件响应迅速，操作便捷。4.1.5 数据采集参数设置和采集指标类型数据采集参数设置：频率为 20 Hz，长度为 4 kB（指标计算时）或 16 kB（波形采集上传时），采用间隔为10 s/次（指标计算时）或 30 min/次（波形采集上传时）。采集指标类型如下：（1）总值，传感器采集波形的有效值；（2）均值，传感器采集波形的位移；（3）峰值，对应实际法兰面间隙最大值；（4）峭度，用于判断波形中是否含有误信号；（5）温度，用于判断当前法兰面温度导致的热胀冷缩的影响；（6）法兰面张合度，由上位机计算，使用单层法兰面所有螺栓传感器数据拟合而得，张合度过大，代表法兰面螺栓异常；（7）塔筒/叶根螺栓健康度，由上位机计算，使用多个法兰面张合度拟合而得，代表塔筒/叶根整体的螺栓健康度。4.2 螺栓预紧力监测螺栓预紧力监测系统为软硬件一体的智能化在线监测系统，在风扇内安装了智能化的预张力实时采集装置，监测结果经由自动风电发电机的光纤网络传送到管理控制中心的监测系统。系统可实时对每个风电发电机的螺栓运行状况进行在线监测，并通过历史数据对螺栓预紧力走势、疲劳寿命、载荷等多重信息进行分析，为运维提供第一手参考信息，以便作出有效的运维判断5。光纤网络在风电发电机建设时已具备，无须单独进行网络架设，只需设置好智能监测采集装置的网络配置，接入光纤网络后，即可通过后台进行实时监测。螺栓预紧力监测系统主要由超声探头、温度传感器、通道切换器、采集器主机、传输线路和终端控制软件构成（无线路由器和光纤属于可选项）。（1）超声探头。超声探头是螺栓预紧力监测系统中的关键元件，它被装在螺栓的端头上，使用磁性吸附方式，或使用国电联合动力技术有限公司的专利产品 检测头旋紧盖板进行紧固。超声探头采用不锈钢一体成型外壳，防水等级可达 IP68 以上。（2）温度传感器。温度传感器用于测量环境温度，连接在采集器的专用接口上。（3）通道切换器。通道切换器具备多个不同的数据通道，每台可同时切换 8 个不同的超声波信号，1 组多个信道开关可以控制多个检测点。通道切换器采用防水铝合金外壳，防水等级可达 IP65，机箱密封良好，防水防尘，并能防止内部线路的损坏6。（4）采集器主机。采集器主机是采集设备的电源和通信控制中心，与采集设备相连，主要用于控制采集设备。采集器主机的组成包括 4G 多种通信接口，采用防水铝合金壳，防水性能达到 IP65 以上，密封性能优良，防水防尘，并能防止内部线路的损坏7。5 结束语综上所述，智能传感技术的应用会为风电机组的未来发展奠定基础，智能传感技术对风电机组实际运行中的数据采集和评估具有重要意义，通过合理地监测和挖掘数据，可以构建大数据检测系统，还能减少机组运行时出现故障的频率，在一定程度上保证机组整体的可靠性。风电场风电机组运行期间，螺栓极易出现断裂，影响设备运行质量、运行效率，引入智能传感技术，可实现螺栓的实时在线监测，减少故障的发生。参考文献1 吴晨.基于超声波法的风电机组螺栓预紧力测量与控制研究J.机电工程,2020,37(1):78-82.2 李绵基.海上风电场风力发电机运行维护策略研究J.光源与照明,2022(12):222-224.3 王甲安,石岩,乔立捷.风电机组高强螺栓断裂原因J.理化检验-物理分册,2022,58(10):71-74.4 王文涛,高扬,王巍麟.新建风电机组高强螺栓金属监督检查发现的问题及对策J.山西电力,2022(3):23-25.5 庞宇.基于机器学习的风电机组故障诊断及部件剩余寿命预测技术研究D.北京:北京交通大学,2021.6 董健.风电机组关键部件故障预警与寿命评估方法及其应用研究D.北京:华北电力大学,2021.7 赵志远.高海拔山区风电工程电气施工管理策略探讨J.光源与照明,2022(11):213-215.