风电机组塔筒垂直度离线检测方法及垂直度在线监测方法与流程

本发明涉及一种风电机组塔筒垂直度离线检测方法及垂直度在线监测方法。

背景技术：

风电机组的塔筒是风力发电机组中的承重部件，在风力发电机组中主要起支撑作用，同时吸收机组震动。塔筒承受着推力，弯矩和扭矩负荷等复杂多变的载荷，使得风力发电机组运行过程中，塔筒会出现一定幅度的摇摆和扭曲等变形；此外，塔筒还会受到材料变化，零部件失效以及地基沉降等因素的影响，发生倾斜，产生一定的挠度。塔筒过大的倾斜变形会影响风力发电机组的正常运行，严重的还会产生安全事故，因此，需要对风电机组垂直度及塔筒安全进行实时检测。

目前，风电机组塔筒垂直度检测使用光学水准仪定期测量，费时费力并不能实时知道塔筒的垂直度信息。对于塔筒形态测量通常是在塔筒上安装多个GPS接收机，根据GPS测量数据来绘制得到塔筒的倾斜形态，这种方式成本高，而且塔筒为封闭状态，GPS信号接收困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足和缺陷，提供一种风电机组塔筒垂直度离线检测方法及垂直度在线监测方法，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

风电机组塔筒垂直度离线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)先顺时针给塔筒顶部法兰面上周向均匀分布的螺栓编号，假设有N个螺栓，即螺栓编号分别为1、2、3···N；

2)测量第一个螺栓和塔筒门中心的连线与正北方向和塔筒中心的连线所成的夹角a1；

3)测量塔筒中心和塔筒门中心的连线与正北方向和塔筒中心的连线所成的夹角a2；

4)计算第一个螺栓和塔筒中心的连线与正北方向和塔筒中心的连线所成的夹角a，a＝2×a1-a2；

5)利用梁式倾斜传感器对螺栓所在位置的法兰面进行测量，假设被抽取到的需要测量的法兰面对应的螺栓编号为S，则在该S编号的螺栓所在位置的法兰面位置上，所述梁式倾斜传感器的轴线与正北方向和塔筒中心的连线所成的夹角为X，其中X＝360×S÷N+a-90°，而且梁式倾斜传感器测得与水平面的夹角为Y；

6)按照步骤5)的方法，对其中的至少两个不同螺栓所在位置的法兰面进行测量，得到至少两组关于夹角X和夹角Y的数据，至少两组数据分别为(X₁,Y₁)，(X₂,Y₂)······；

7)计算出合成的塔筒顶部最大倾斜角度Angle和合成的塔筒顶部相对于正北倾斜方位Dir，将步骤6)中的至少两组数据(X₁,Y₁)和(X₂,Y₂)······代入下面公式(1)：

sin(Y)＝sin(Angle)×cos(X-Dir)， (1)

由上述公式(1)使用麦夸特法加上通用全局优化法，计算出合成的塔筒顶部最大倾斜角度Angle和合成的塔筒顶部相对于正北倾斜方位Dir的最优解。

在本发明的一个优选实施例中，所述梁式倾斜传感器为单轴向梁式倾斜传感器。

风电机组塔筒垂直度在线监测方法，其特征在于，包括上述任一技术方案所述的风电机组塔筒垂直度离线检测方法，在所述的风电机组塔筒垂直度离线检测方法的步骤7)之后，还包括以下步骤：

8)在塔筒顶部内侧设置有在线监测传感器，所述线监测传感器根据步骤7)中获得的合成的塔筒顶部最大倾斜角度Angle和合成的塔筒顶部相对于正北倾斜方位Dir的最优解进行校准并归零，归零后的在线监测传感器所监测到的动态数据为塔筒顶部倾斜状态的动态数据，将归零后的在线监测传感器检测到的塔筒顶部相对于绝对垂直线的倾斜角度转换为弧度后，得到塔筒顶部相对于绝对垂直线的倾斜角度θ’，则塔筒晃动幅度的倾斜角度为θ＝arcsin(2×θ’÷3)，其中倾斜角度θ’＜1.5弧度。

在本发明的一个优选实施例中，塔筒顶部偏离塔筒底部中心点的水平距离，即塔筒顶部的晃度S＝H×tanθ，其中H为塔筒的高度。

由于采用了如上的技术方案，本发明使用梁式倾斜传感器测量垂直度及塔筒的安全，能实时准确测量垂直度及塔筒的动态倾斜状态，及时采取措施进行维护。本发明安装调试方便，并成本低。本发明获取的塔筒的动态倾斜数据，经过算法分析可识别出塔筒结构受损，法兰螺栓松动等问题，并能定位发生问题的位置方位。本发明通过合成倾斜角度，能真正反应平面的倾斜，对塔筒的安全分析有很大的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种实施例在检测时的俯视图。

图2是本发明的梁式倾斜传感器测得与水平面的夹角为Y的状态示意图。

图3是本发明在计算塔筒垂直度时的原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

参见图1和图2所示，风电机组塔筒垂直度离线检测方法，包括以下步骤：

1)先顺时针给塔筒顶部法兰面100上周向均匀分布的螺栓编号，假设有N个螺栓，即螺栓编号分别为1、2、3···N；

2)测量第一个螺栓和塔筒门110中心的连线L1与正北方向L2和塔筒中心O的连线所成的夹角a1；

3)测量塔筒中心O和塔筒门110中心的连线L3与正北方向和塔筒中心的连线所成的夹角a2；

4)计算第一个螺栓和塔筒中心O的连线L4与正北方向和塔筒中心O的连线L1所成的夹角a，a＝2×a1-a2；

5)利用单轴向梁式倾斜传感器200对螺栓所在位置的法兰面进行测量，假设被抽取到的需要测量的法兰面对应的螺栓编号为S，则在该S编号的螺栓所在位置的法兰面位置上，单轴向梁式倾斜传感器200的轴线L5与正北方向和塔筒中心O的连线L2所成的夹角为X，其中X＝360×S÷N+a-90°，而且单轴向梁式倾斜传感器200测得与水平面的夹角为Y；

6)按照步骤5)的方法，对其中的至少两个不同螺栓所在位置的法兰面进行测量，得到至少两组关于夹角X和夹角Y的数据，至少数据分别为(X₁,Y₁)，(X₂,Y₂)······；

7)计算出合成的塔筒顶部最大倾斜角度Angle和合成的塔筒顶部相对于正北倾斜方位Dir，将步骤6)中的至少两组数据(X₁,Y₁)和(X₂,Y₂)······代入下面公式(1)：

sin(Y)＝sin(Angle)×cos(X-Dir)， (1)

由上述公式(1)使用麦夸特法加上通用全局优化法，计算出合成的塔筒顶部最大倾斜角度Angle和合成的塔筒顶部相对于正北倾斜方位Dir的最优解。

本发明的风电机组塔筒垂直度在线监测方法，包括上述任一技术方案的风电机组塔筒垂直度离线检测方法，在风电机组塔筒垂直度离线检测方法的步骤7)之后，还包括以下步骤：

8)在塔筒顶部内侧设置有在线监测传感器，线监测传感器根据步骤7)中获得的合成的塔筒顶部最大倾斜角度Angle和合成的塔筒顶部相对于正北倾斜方位Dir的最优解进行校准并归零，归零后的在线监测传感器所监测到的动态数据为塔筒顶部倾斜状态的动态数据，将归零后的在线监测传感器检测到的塔筒顶部相对于绝对垂直线的倾斜角度转换为弧度后，得到塔筒顶部相对于绝对垂直线的倾斜角度θ’，则塔筒晃动幅度的倾斜角度为θ＝arcsin(2×θ’÷3)，其中倾斜角度θ’＜1.5弧度，塔筒晃动幅度的倾斜角度为θ也可以定义为塔筒顶部h点与塔筒底部中心01之间的连线L6与绝对垂直线L7之间的夹角。

本发明的风电机组塔筒垂直度离线检测方法及垂直度在线监测方法结合下列各实施例列举的数据得到塔筒顶部最大倾斜角度Angle和合成的塔筒顶部相对于正北倾斜方位Dir的最优解，结合图3所示，并且通过在线监测传感器检测到的塔筒顶部相对于绝对垂直线的倾斜角度θ’，得到塔筒晃动幅度的倾斜角度θ，还可以通过S＝H×tanθ得到塔筒顶部的晃度S，即塔筒顶部偏离塔筒底部中心点的水平距离，其中H为塔筒的高度。

实施例1

按照上述步骤，获得四组数据分别为(0°,-2.92°)，(90°,0.5°)，(180°,2.92°)，(270°,-0.5°)，可得到塔筒顶部最大倾斜角度Angle和合成的塔筒顶部相对于正北倾斜方位Dir的最优解分别为：Angle＝2.96°，Dir＝350°，将Angle＝2.96°换算为弧度后得到塔筒顶部相对于绝对垂直线的倾斜角度θ’，则塔筒晃动幅度的倾斜角度为θ＝arcsin(2×θ’÷3)＝1.97366，塔筒顶部的晃度S＝H×tanθ，假设塔筒高度H为100m，则塔筒顶部的晃度S＝H×tanθ＝3.446m。

实施例2

按照上述步骤，获得四组数据分别为(50°,-1.48°)，(140°,2.72°)，(230°,1.48°)，(320°,-2.72°)，可得到塔筒顶部最大倾斜角度Angle和合成的塔筒顶部相对于正北倾斜方位Dir的最优解分别为：Angle＝3.1°，Dir＝348°，将Angle＝3.1°换算为弧度后得到塔筒顶部相对于绝对垂直线的倾斜角度θ’，则塔筒晃动幅度的倾斜角度为θ＝arcsin(2×θ’÷3)＝2.0607，塔筒顶部的晃度S＝H×tanθ，假设塔筒高度H为100m，则塔筒顶部的晃度S＝H×tanθ＝3.598m。

实施例3

按照上述步骤，获得四组数据分别为(100°,1.14°)，(190°,3.22°)，(280°,-1.14°)，(10°,-3.22°)，可得到塔筒顶部最大倾斜角度Angle和合成的塔筒顶部相对于正北倾斜方位Dir的最优解分别为：Angle＝3.42°，Dir＝350°，将Angle＝3.42°换算为弧度后得到塔筒顶部相对于绝对垂直线的倾斜角度θ’，则塔筒晃动幅度的倾斜角度为θ＝arcsin(2×θ’÷3)＝2.2804，塔筒顶部的晃度S＝H×tanθ，假设塔筒高度H为100m，则塔筒顶部的晃度S＝H×tanθ＝3.982m。

实施例4

按照上述步骤，获得四组数据分别为(30°,-2.9°)，(120°,1.04°)，(210°,2.9°)，(300°,-1.04°)，可得到塔筒顶部最大倾斜角度Angle和合成的塔筒顶部相对于正北倾斜方位Dir的最优解分别为：Angle＝3.08°，Dir＝10.3°，将Angle＝3.08°换算为弧度后得到塔筒顶部相对于绝对垂直线的倾斜角度θ’，则塔筒晃动幅度的倾斜角度为θ＝arcsin(2×θ’÷3)＝2.05392，塔筒顶部的晃度S＝H×tanθ，假设塔筒高度H为100m，则塔筒顶部的晃度S＝H×tanθ＝3.586m。

发明使用梁式倾斜传感器测量垂直度及塔筒的安全，能实时准确测量垂直度及塔筒的动态倾斜状态，及时采取措施进行维护。本发明安装调试方便，并成本低。本发明获取的塔筒的动态倾斜数据，经过算法分析可识别出塔筒结构受损，法兰螺栓松动等问题，并能定位发生问题的位置方位。本发明通过合成倾斜角度，能真正反应平面的倾斜，对塔筒的安全分析有很大的意义。

本发明在织金三塘风电场、中闽嘉儒风电场、晋江金井风电场、申能高邮协合风电场、如东龙源环港海上风电场的塔筒安装使用过，使用效果很好，能实时准确测量垂直度及塔筒的动态倾斜状态，及时采取措施进行维护。本发明安装调试方便，并成本低。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。