海上風(fēng)電由于具有風(fēng)速高、湍流強(qiáng)度小、不占陸地面積等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為我國沿海地區(qū)的重要能源項(xiàng)目。但是，與陸上風(fēng)電機(jī)組相比，海上風(fēng)機(jī)面臨的環(huán)境更為復(fù)雜,不僅需承受機(jī)械控制荷載等內(nèi)部荷載作用，還得承受永無止息的海上風(fēng)、波浪等隨時(shí)間和空間變化的外部環(huán)境荷載共同作用，有時(shí)還可能遭受地震荷載的侵襲。如果對(duì)海洋環(huán)境的復(fù)雜性和隨機(jī)性以及海上風(fēng)機(jī)的動(dòng)力響應(yīng)特性認(rèn)識(shí)不充分，不僅影響海上風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行，降低輸出電能質(zhì)量，加劇風(fēng)機(jī)各零部件的疲勞，縮短機(jī)組壽命，并且持續(xù)性的風(fēng)力和波浪力作用在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)上，極易產(chǎn)生振動(dòng)問題，可能導(dǎo)致不可預(yù)測的安全事故發(fā)生，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響。因此在分析海上風(fēng)機(jī)的振動(dòng)特性時(shí)，要充分考慮風(fēng)和海浪對(duì)海上風(fēng)機(jī)的作用。

振動(dòng)監(jiān)測

1風(fēng)電塔筒振動(dòng)監(jiān)測

塔筒和基礎(chǔ)是組成風(fēng)機(jī)的兩個(gè)重要部分。風(fēng)機(jī)塔筒一般為錐形結(jié)構(gòu)，頂部安裝有機(jī)艙和葉片，正常運(yùn)營中的風(fēng)機(jī)塔筒要承受風(fēng)荷載、機(jī)艙和葉片的重力、風(fēng)機(jī)塔筒振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力、風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行荷載等多種荷載的共同作用，由于風(fēng)荷載的隨機(jī)性，綜合其他荷載，塔筒必然發(fā)生變形和振動(dòng)，而這種振動(dòng)將會(huì)造成塔筒結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力，并且會(huì)大概率引起塔筒與葉片的共振，從而影響整個(gè)風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性，因此在風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測中振動(dòng)監(jiān)測是重中之重。

2016年，臺(tái)風(fēng)“尼伯特”登陸某海上風(fēng)電場，其登陸該風(fēng)電場時(shí)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，最大風(fēng)力10級(jí)，最大風(fēng)速25 m/s。臺(tái)風(fēng)影響期間，該風(fēng)場1號(hào)風(fēng)機(jī)完整監(jiān)測了“尼伯特”臺(tái)風(fēng)整個(gè)過程中風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況。1號(hào)風(fēng)機(jī)監(jiān)測加速度計(jì)安裝位置如圖1所示。

圖1 1號(hào)風(fēng)機(jī)振動(dòng)加速度計(jì)安裝布置圖（單位：mm）

結(jié)果表明，1號(hào)風(fēng)機(jī)臺(tái)風(fēng)前、臺(tái)風(fēng)期間、臺(tái)風(fēng)后三個(gè)時(shí)間段內(nèi)都開啟自由偏航功能，造成機(jī)艙隨風(fēng)向的變化發(fā)生頻繁的偏航事件，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)信號(hào)。偏航引起的振動(dòng)雖然單次持續(xù)時(shí)間較短，但其加速度振幅遠(yuǎn)大于正常狀態(tài)時(shí)加速度振幅值，由此可以推測，偏航引起的振動(dòng)是風(fēng)機(jī)健康狀況的重要影響因素。

并且通過“尼伯特”臺(tái)風(fēng)期間監(jiān)測數(shù)據(jù)比較，確認(rèn)1號(hào)風(fēng)機(jī)所測振動(dòng)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，為檢驗(yàn)和完善風(fēng)機(jī)塔筒和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案提供了重要依據(jù)，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。

2基礎(chǔ)振動(dòng)監(jiān)測

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全是風(fēng)電場安全運(yùn)營的重中之重，因此對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測變得非常重要。常規(guī)的海工結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測通過人工現(xiàn)場采集傳感器數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果確定結(jié)構(gòu)所處狀態(tài)。但是由于海上風(fēng)電場通常遠(yuǎn)離海岸線，直線距離通常在數(shù)十海里以上，航道距離則更長，日常的維護(hù)檢測相當(dāng)困難，采用通常的人工監(jiān)測的方式根本不可能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題，尤其是臺(tái)風(fēng)、大潮汛期間等天氣惡劣的情況下，對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力、振動(dòng)狀況尤為關(guān)注，但是惡劣的情況下反而不具備出海監(jiān)測的條件。

所以常規(guī)人工監(jiān)測的方法因?yàn)樾实拖?、受環(huán)境因素影響較大等原因，完全不能滿足海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的要求。隨著遠(yuǎn)程通信技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測成為可能。

有學(xué)者提出了一種可用于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測方案，開發(fā)了相應(yīng)的軟、硬件系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力狀況、振動(dòng)狀況、腐蝕保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。解決了人工監(jiān)測效率低、數(shù)據(jù)完整性和實(shí)時(shí)性差等問題，系統(tǒng)集振動(dòng)監(jiān)測、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、陰極保護(hù)電位監(jiān)測于一體，建立專用的信息管理平臺(tái)，對(duì)所有安全監(jiān)測數(shù)據(jù) 進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理、維護(hù)與分析，通過信息化手段提高監(jiān)測水平，為設(shè)計(jì)人員和管理者科學(xué)決策提供依據(jù)。系統(tǒng)可在無人值守的情況下實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲得風(fēng)機(jī)上的監(jiān)測數(shù)據(jù)。這對(duì)于風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全有著重要的意義，克服了傳統(tǒng)的人工監(jiān)測手段的諸多弊端，能更客觀地反映實(shí)際的風(fēng)電基礎(chǔ)的狀況。對(duì)保障海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全性、降低企業(yè)后期維護(hù)成本，起到了重要的作用。

振動(dòng)監(jiān)測實(shí)例

風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)一直處于復(fù)雜的環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)中，機(jī)艙隨著風(fēng)向偏航，葉輪轉(zhuǎn)速和槳距角隨風(fēng)速大小而調(diào)整，以產(chǎn)生最大的和穩(wěn)定的電能。為了掌握風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速、葉片槳距角和機(jī)艙方位角之間的關(guān)系，需對(duì)風(fēng)機(jī)的不同運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分類。

有學(xué)者以某海上風(fēng)電試驗(yàn)樣機(jī)為研究對(duì)象，基于現(xiàn)場原型觀測獲取整體風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在停機(jī)、正常運(yùn)行、開(停)機(jī)及臺(tái)風(fēng)工況下的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。測試所用海上風(fēng)電試驗(yàn)樣機(jī)位于我國黃海海域內(nèi)，主要參數(shù)為：額定功率2.5MW，額定轉(zhuǎn)速18r/min，基礎(chǔ)采用復(fù)合式筒型基礎(chǔ)形式。風(fēng)機(jī)葉輪直徑93.4m，輪轂高度80.0m，塔筒為3段式安裝，機(jī)艙與塔筒及相鄰塔筒之間設(shè)有工作平臺(tái)。本次測試在塔筒內(nèi)部由上至下布置5個(gè)測點(diǎn)，位置為距離工作平臺(tái)高約1.5m處的塔筒壁上，具體布置位置如圖2所示。

圖2 工程位置與原型觀測測點(diǎn)布置

結(jié)果表明，在風(fēng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)振動(dòng)隨環(huán)境風(fēng)速的增加而顯著增大；而運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響效應(yīng)明顯，對(duì)振動(dòng)變化起到主導(dǎo)作用。風(fēng)機(jī)的啟停機(jī)過程中，均存在一定的過渡階段，由于機(jī)艙偏航的影響，停機(jī)過程的振動(dòng)速度比正常運(yùn)行時(shí)還要大；大風(fēng)速工況下，當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時(shí)，由于風(fēng)機(jī)停機(jī)，葉片順槳，此時(shí)的振動(dòng)速度比額定功率時(shí)要稍小一些。臺(tái)風(fēng)期風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)超過實(shí)測最大風(fēng)速時(shí)停機(jī)工況的響應(yīng)。塔筒頂部與基礎(chǔ)頂部振動(dòng)響應(yīng)同步性說明整體風(fēng)機(jī)具有很好的變形協(xié)調(diào)性。

結(jié)語

隨著新技術(shù)的開發(fā)和新型材料的使用，海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)在風(fēng)機(jī)葉片、塔架結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等各方面的研究已經(jīng)相對(duì)比較成熟。為降低經(jīng)濟(jì)成本，提高海上風(fēng)電效益，風(fēng)機(jī)正朝著大型化、柔性結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。目前，我國在海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、及施工等諸多方面的研究尚處于起步階段，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)較為匱乏，開展海上風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測，對(duì)全面分析風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命及安全性具有重要意義。