使用 MEMS 加速度計(jì)和 OMA 進(jìn)行海上風(fēng)力渦輪機(jī)塔架監(jiān)控

文章出處：新聞資訊責(zé)任編輯：深圳市廣陵達(dá)科技有限公司發(fā)表時(shí)間：2024-12-13 19:47:15

風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的故障很少發(fā)生。然而，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，就會(huì)帶來(lái)高昂的成本，或者在最壞的情況下——如果它們倒塌，就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)完全損失。

因此，許多海上風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電場(chǎng)管理人員安裝了測(cè)量技術(shù)，用于對(duì)塔架進(jìn)行連續(xù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。各種傳感技術(shù)和方法用于執(zhí)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。然而，最廣泛使用的是基于振動(dòng)的技術(shù)，也稱為操作模態(tài)分析（OMA）。

海上風(fēng)力渦輪機(jī)可以提供大量清潔、可再生的風(fēng)能。為了捕獲豐富的風(fēng)力資源并產(chǎn)生更多的能源，風(fēng)力渦輪機(jī)變得越來(lái)越大，因此也越來(lái)越昂貴。風(fēng)力渦輪機(jī)在咸水、高濕度、強(qiáng)風(fēng)等惡劣環(huán)境中運(yùn)行，且位置偏遠(yuǎn)且難以接近。為此，必須不斷監(jiān)控其性能并執(zhí)行預(yù)測(cè)性維護(hù)以獲得預(yù)期的投資回報(bào)。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

材料和方法

風(fēng)力渦輪機(jī)塔架主要由鋼、鋼筋混凝土或網(wǎng)格制成。海上風(fēng)力渦輪機(jī)塔架承受著影響其結(jié)構(gòu)的高外部載荷。

這導(dǎo)致所謂的結(jié)構(gòu)退化。這意味著材料或幾何特性的改變。劣化可能是由于不良設(shè)計(jì)、施工故障、事故、惡劣環(huán)境、老化過(guò)程或這些因素的任意組合造成的。

風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的故障很少發(fā)生。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，通常會(huì)受到高成本的影響，或者在最壞的情況下，如果塔架倒塌，風(fēng)力渦輪機(jī)將全部損失。因此，許多海上風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電場(chǎng)在塔架上應(yīng)用了連續(xù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)解決方案。在一些國(guó)家，它甚至成為強(qiáng)制性的。

模態(tài)分析和運(yùn)行模態(tài)分析

多種傳感技術(shù)和方法用于執(zhí)行此類結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。然而，最廣泛使用的是基于振動(dòng)的技術(shù)，也稱為操作模態(tài)分析（OMA）。

模態(tài)分析對(duì)于理解和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的固有動(dòng)態(tài)行為至關(guān)重要。在結(jié)構(gòu)中，幾乎所有振動(dòng)問(wèn)題都與共振行為（由操作力激發(fā)的固有頻率）相關(guān)的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)有關(guān)。

對(duì)于許多土木工程和機(jī)械結(jié)構(gòu)，由于其物理尺寸、形狀或位置，很難使用錘子或振動(dòng)器施加激勵(lì)。土木工程結(jié)構(gòu)受到波浪、風(fēng)或交通等環(huán)境力的載荷。這些自然輸入力不容易控制或正確測(cè)量。然而，在某些情況下，最好使用結(jié)構(gòu)在真實(shí)操作和邊界條件下的自然激勵(lì)來(lái)確定其模態(tài)特性。

運(yùn)行模態(tài)分析 (OMA) 基于僅測(cè)量實(shí)際運(yùn)行條件下測(cè)試結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的模態(tài)識(shí)別。在難以或不可能控制人工激勵(lì)的情況下通常會(huì)出現(xiàn)這種情況。

結(jié)構(gòu)的完整動(dòng)態(tài)行為可以被視為一組單獨(dú)的振動(dòng)模式。每個(gè)都具有特有的固有頻率、阻尼和振型。

頻域中的動(dòng)態(tài)特性可用于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。這種識(shí)別確定了結(jié)構(gòu)的模態(tài)特征。這意味著結(jié)構(gòu)的特定頻率以及相關(guān)的阻尼和模態(tài)形式。

結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模式提供有關(guān)構(gòu)成結(jié)構(gòu)的元件在特定頻率下受壓時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的信息。如果結(jié)構(gòu)受到激發(fā)多個(gè)頻率的作用，則結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方式將是激發(fā)振動(dòng)模式組合的結(jié)果

了解模態(tài)參數(shù)可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)作為外部激勵(lì)的函數(shù)，并且可以分析并隨后解決特定共振下的問(wèn)題。

因此，模態(tài)參數(shù)構(gòu)成了結(jié)構(gòu)的一種動(dòng)態(tài)“身份證”，可用于：

? 計(jì)算模型的驗(yàn)證

? 他們的校準(zhǔn)或

? 診斷目的

因此，為長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了基線。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè) (SHM)

動(dòng)態(tài)參數(shù)的確定使得可以參考精確的時(shí)刻 T0 來(lái)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)條件的持續(xù)性。一般情況下，新風(fēng)機(jī)塔架的這個(gè)時(shí)間T0可以在安裝或調(diào)試時(shí)取。

通過(guò)采用新穎的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)解決方案，系統(tǒng)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，并可以比較不同時(shí)期的數(shù)據(jù)。這使得評(píng)估強(qiáng)風(fēng)暴對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響成為可能。此外，它還可以評(píng)估修復(fù)工作后的康復(fù)干預(yù)措施。

監(jiān)控設(shè)備

風(fēng)力渦輪機(jī)塔變得越來(lái)越大，目前高度超過(guò) 250m。為了更好地了解塔架狀況，可以應(yīng)用振動(dòng)監(jiān)測(cè)。需要使用 OMA 方法在不同點(diǎn)測(cè)量振動(dòng)水平。由于所有三個(gè)方向（垂直、縱向和橫向）的低頻都很重要，因此 MEMS 加速度計(jì)非常適合風(fēng)力渦輪機(jī)塔架結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)測(cè)。

Dewesoft IOLITEi 3xMEMS-AC 是一款具有數(shù)字輸出（EtherCAT 總線）的三軸加速度傳感器。規(guī)格為 25 μg/√Hz 頻譜噪聲密度和 50 Hz 帶寬下的 100 μg 殘余噪聲，直流響應(yīng)平坦(0Hz) 至 400 Hz 和 96dB 動(dòng)態(tài)范圍。它在許多 SHM 應(yīng)用中用于監(jiān)測(cè)加速度、速度和位移，并作為第三方操作模態(tài)分析軟件的輸入。它還可以用作兩軸靜態(tài)傾角儀。

風(fēng)力渦輪機(jī)塔架上的加速度和傾斜度監(jiān)測(cè)

利用 EtherCAT 接口進(jìn)行菊花鏈連接，可輕松實(shí)現(xiàn) IOLITEi 3xMEMS-ACC 安裝。即使設(shè)備間距離長(zhǎng)達(dá) 100 m，它也可以與多個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。所有這些都可以通過(guò)一根廉價(jià)的 CAT6 電纜（見(jiàn)圖 2）連接，傳輸數(shù)據(jù)、電源并同步設(shè)備的時(shí)間低至 1 us。

設(shè)備采集的原始數(shù)據(jù)被發(fā)送到運(yùn)行 DewesoftX 數(shù)據(jù)采集軟件的工業(yè) PC (DAU)，以進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析。該軟件提供了廣泛的可配置觸發(fā)記錄和數(shù)學(xué)功能。數(shù)據(jù)可以通過(guò) TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)以批處理文件的形式發(fā)送，也可以通過(guò) OPC/UA 協(xié)議流式傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)室或云服務(wù)器。

數(shù)據(jù)可以在客戶端的PC上訪問(wèn)、查看和分析。它可以存儲(chǔ)在時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)中，名為Historian。此外，它還可以使用 OPC/UA 或 REST API 等標(biāo)準(zhǔn)接口提供給 SCADA 系統(tǒng)或云軟件。

結(jié)論

海上風(fēng)力條件——強(qiáng)勁而穩(wěn)定的風(fēng)力——以及因此更大的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)量是推動(dòng)海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展的關(guān)鍵因素。不過(guò)，為了獲得良好的投資回報(bào)率，海上風(fēng)力渦輪機(jī)需要以最短的停機(jī)時(shí)間運(yùn)行，同時(shí)將維護(hù)成本保持在盡可能低的水平。

塔架是海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)元件。保持其健康狀態(tài)對(duì)于避免停機(jī)以及在最壞的情況下避免渦輪機(jī)損失至關(guān)重要。永久性結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)解決方案用于密切關(guān)注渦輪機(jī)塔的健康狀況。

最廣泛采用的 SHM 技術(shù)是基于振動(dòng)的（使用 MEMS 加速度計(jì)），也稱為操作模態(tài)分析 (OMA)。這可以幫助操作員了解塔的狀況、預(yù)測(cè)潛在故障并提前計(jì)劃具有成本效益的維護(hù)行動(dòng)。