基于风机塔筒倾覆监测系统的研究与应用

基于风机塔筒倾覆监测系统的研究与应
用
摘要：为减少风机塔筒倾斜和倒塔事故，增强早期预警及在线监测，本文通过介绍几种风机塔筒倾斜的监测方法，并分析其优缺点和适用性。

以理论分析和实际工程表明，风机塔筒倾角及震动在线监测系统具有精度高、速度快、操作简单的优点，多种测量方法比较认为该监测系统在多故障条件下监测效果基本与实际相符。

该监测系统的实际运用可为快速区分故障类别、快速处理故障提供一定的依据，以减少风机事故及故障的发生率。

关键词：监测；风电机组；塔筒倾覆；实测值
引言
随着新能源市场的版图扩大，风力发电装机容量的不断增长，风电项目建设逐渐向内陆三、四类地区发展，风电机组的塔筒、叶片也越来越高、长，风机塔筒倾斜和倒塔等重大事故时有发生，对发电企业的安全生产造成严重威胁。

部分公司已建立相应的人工监测系统对该类事故进行在线监测和早期预警，但由于测量多样且存在不稳定性不连续性，系统监测数据是否与实际相符需要长期应用验证，导致问题无法提前被预知发现，问题突发时运维人员很难在极短的时间解决问题、排除故障，应用风机塔筒倾角及震动在线监测系统进行检测，确保系统长时间稳定运行，提高系统的准确性和有效性，对风电相关系统选择方面及运维人员后期的维护工作起到指导作用。

１风机塔筒倾角及震动监测系统简介
风电机组基础松动、不均匀沉降，塔筒变形、连接开裂等劣化过程是造成塔筒倾覆事故的本质隐患。

风机塔筒倾角及震动在线监测系统基于有人云工业智能平台建立，主要由传感器、通信模块、显示终端和工业智能软件系统组成，传感器采集的信号经数据线传输至系统控制器，控制器上运行的工业智能软件对综合
塔筒倾斜、基础水平、风速、风向、功率等关联信息。

运用机器学习算法构建设
备模型，通过模型特征值的变化检测设备的异常进行在线分析和处理，实时计算
与塔筒倾覆相关的劣化过程的特征指标，自动检测指标的异常状态并在监视终端
页面中显示报警内容。

已完成风机塔筒倾角及震动监测系统产品的设计，并进行客户现场测试。

风机塔筒倾角及震动监测系统主要由智能管理箱、倾角监测、振动监测、管
理软件等构成，其功能见下：
智能管理：智能管理箱为系统的主控单元，由电源系统、通讯系统、接口采
集系统、组态液晶屏组成，实现对传感器的供电、数据采集、数据对外传输；
倾斜监测：使用倾角传感器，采集构筑物倾角数据，通过计算得出塔筒的倾斜、沉降状态值，此值用于风机塔筒倾斜、沉降告警；
振动监测：使用振动传感器，采集构筑物振动数据，通过计算可以得出塔筒
的振动状态值，此值用于塔筒振动告警，同时可用于风机倾斜状态辅助监测；
管理软件功能：对各模块通过RS485总线传回的数据进行本地读取、解析和
处理，并通过RS485总线上传给4G DTU模块，用户可用配套开发的软件进行远
程查看。

客户端软件完成数据记录、数据分析、数据显示、数据查询、故障告警
等功能；
报警门限设置功能：报警门限值可以通过智能控制箱的组态液晶屏进行设置、修改，满足不同需求；
报警数据查询功能：触发报警后，组态液晶屏实现数据的保存，提供精确到
秒的故障报警时间，故障报警数据，方便查询与记录。

风机塔筒倾角及震动监测系统拓扑各传感器负责采集信号并将采集到的信号
通过RS485上传到组态液晶屏，组态液晶屏可以实现数据处理与数据图表可视化，实现本地人机对话、参数设置、数据查询等；组态屏同时通过RS485将整合后的
数据包上传至4G DTU，4G DTU以WIFI/GPRS方式将数据上传至云平台，用户可
通过智能终端设备随时访问云端数据，从而实现远程实时监控。

2监测方法
常用的倾斜监测方法主要有吊锤线法、激光铅垂仪投测法、前方交会法、三
维激光扫描仪法、全站仪免棱镜法。

吊锤线法和激光铅垂仪投测法仪器设备简便，观测方法简单，被施工单位广泛采用；但由于风机塔筒的高度一般65～100m，分
节吊装，中间不通视，舱内设备较多，不方便预留观测孔洞，无法采用这两种方
法进行风机塔筒倾斜监测，三维激光扫描仪具有精度高、速度快等优点，但数据
处理较为复杂，设备昂贵，限制了广泛应用。

风机塔筒倾斜监测一般采用前方交
会法、全站仪免棱镜法进行。

2.1前方交会法
前方交会法操作简单方便，测站点宜选在距离风机1.5～2倍风机塔筒高度
的水平距离处，选择2个测站点，并作为互相的定向点；两个测站点与风机夹角
约90°，这样可以提高测量精度。

通过观测出不同高度的塔筒横截面圆心坐标，可以计算出塔筒横截面圆心的
水平偏移量和垂直度。

该种方法操作简单，观测精度较高，但是山地风电场地形
起伏较大，树木茂密，现场通视条件较差，两个测站点与风机夹角难以满足要求。

2.2全站仪免棱镜法
风机塔筒表面光滑，表面漆一般为通体白色，又属于高耸建筑物，不方便粘
贴反射片。

采用前方交会法测量时，常常无法准确观测出测站与风机塔筒截面两
条切线的水平角，从而影响测量精度。

但风机塔筒每高15m一般都有一个圆曲线
的线圈，线圈是基本处于水平方向的圆截面，采用高精度全站仪免棱镜模式，分
别采集微风状态下静止的风机塔筒不同高度的线圈上若干个离散点坐标(至少4个)，不同离散点高程应小于3cm。

由于一个测站只能采集半个圆截面的坐标数据，为了提高测量精度，参考前方交会法选取两个合适的测站点，并作为互相的定向点，在风机塔筒不同高度圆截面上整个圆周上均匀地采集离散点坐标，离散点一
般不少于10个。

根据风机塔筒不同高度圆截面的圆心坐标和高程，计算出风机
塔筒倾斜情况。

根据误差传播定律，塔筒垂直度θ的测量中误差mθ约为±3mm。

根据JGJ8—2016《建筑变形测量规范》要求，风机塔筒倾斜的允许变形值为0.005，如75m高的塔筒顶部圆心的水平偏移量允许变形值为375mm；塔筒垂直度
的测量中误差mθ小于允许变形值的1/10～1/20。

因此，TS60智能型全站仪免
棱镜法能够满足风机塔筒倾斜监测精度的要求。

全站仪免棱镜法具有精度高、速
度快、仪器操作简单的优点。

当观测仰角较大时，可以使用全站仪的望远镜相机
或弯管目镜瞄准风机塔筒的线圈。

若有条件，风机吊装后在风机顶部粘贴几个反
射片，可以有效地提高观测精度。

3实例分析
某山地风电场风机采用型号为运达风电WD121-2000机组，高度为80m，风机
塔筒为75m，塔筒基础型式为圆形板式扩展基础，基础设计级别为一级。

根据业
主委托，对风电场风机塔筒的倾斜情况进行监测。

分别采用前方交会法和全站仪
免棱镜法，观测微风状态下(小于5m/s)静止的1号风机的塔筒倾斜情况，观测结果。

分别采用前方交会法和全站仪免棱镜法观测得到的塔筒横截面圆心的水平偏
移量相差最大为3.2mm，塔筒垂直度相差最大为0.0001，在观测误差允许范围内。

风机塔筒倾角及震动监测系统在线读值水平偏移量相差最大为3mm，三者测量结
果基本一致。

结语
为保障风电机组的安全运营，通过测量技术手段对风机塔筒的倾斜情况进行
监测具有重大的意义。

根据以上理论分析和实例应用表明，几种得到的测量结果
基本一致，数据可靠。

风机塔筒倾角及震动监测系统能够实时将数据上传至监测
中心，更加方便与快捷。

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