一种风电塔筒健康监测系统及方法与流程

1.本发明涉及风电塔筒技术领域，尤其涉及一种风电塔筒健康监测系统及方法。


背景技术：

2.近年来，随着风电产业的快速发展，风电机组的质量问题也随之受到人们的重视，由于塔筒的质量问题而导致的风电机组倒塌的事故也时有发生，这是因为塔筒的健康状况受多种因素的影响。
3.其中，风电塔筒及转动机构不仅要承受机组的重力，还要承受风所产生的侧向力的作用。此外，由于混凝土塔筒的质量大，惯性力大，这对抗震极其不利，并且风载会随着塔筒高度的递增而变大，当风电塔筒结构受到动力风载作用时容易产生侧向弯曲振动，而且塔筒节段的钢筋接缝又为不贯穿干式水平接缝，接缝的受拉承载能力仅依赖高强灌浆料的抗拉强度，这难以抵抗风荷载、地震等水平作用对塔筒节段之间的倾覆力矩。因此，在混凝土塔筒节段完成放置后，通过后张预应力钢绞线将各塔筒节段在竖向上拼接在一起。这些都已经成为影响塔筒的健康状况的因素，对塔筒的健康状况的监测提出了挑战。
4.目前，现有技术中虽然有对风电塔筒的监测系统，但是现有的检测系统往往只能监测一种或两种的信号，监测数据不够全面，远远无法实现对塔筒复杂健康状况的监测，而且缺乏相应的预警系统，不能够及时针对异常情况发出预警。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的在于提供一种风电塔筒健康监测系统，该风电塔筒健康监测系统能够对风电塔筒的整体质量进行监测，能够在出现危险隐患时进行预警，保证了风电机组的可靠运行。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种风电塔筒健康监测系统，包括：数据采集装置，所述数据采集装置包括振动采集子模块、应变采集子模块、钢绞线预应力采集子模块和变形采集子模块，所述振动采集子模块用以采集塔筒的振动数据，所述应变采集子模块用以采集所述塔筒的应变数据，所述钢绞线预应力采集子模块用以采集钢绞线的预应力数据，所述变形采集子模块用以采集所述塔筒的沉降及倾斜数据；数据处理与控制子系统，所述数据处理与控制子系统能够控制所述数据采集装置采集数据，所述数据处理与控制子系统能够对采集的数据进行分类筛选和储存；数据采集和显示子系统，所述数据采集和显示子系统能够将所述数据采集装置采集的数据进行显示；安全评定子系统，所述安全评定子系统包括振动评定模块、应变评定模块、预应力评定模块、变形评定模块以及预警反馈模块，所述预警反馈模块能够针对所述振动评定模块、所述应变评定模块、所述预应力评定模块和所述变形评定模块评定的异常数据发出预警。
8.作为一种风电塔筒健康监测系统的优选方案，所述振动采集子模块包括双向加速度传感器，所述双向加速度传感器沿所述塔筒的塔体布置。
9.作为一种风电塔筒健康监测系统的优选方案，所述应变采集子模块包括多个应变计，多个所述应变计均匀设置在所述塔筒的内壁和基础位置上。
10.作为一种风电塔筒健康监测系统的优选方案，所述钢绞线预应力采集子模块包括磁通量传感器，所述磁通量传感器安装于钢绞线上。
11.作为一种风电塔筒健康监测系统的优选方案，所述变形采集子模块包括静力水准仪和倾角仪，所述静力水准仪安装于所述塔筒的基础部位，所述倾角仪安装于所述塔筒的筒体上。
12.作为一种风电塔筒健康监测系统的优选方案，所述预警反馈模块对数据的评估是将采集的数据与预设数据区间进行比较，若采集的数据位于所述预设数据区间中，则评定数据为正常数据且不发出预警；若分析后的数据不在所述预设数据区间中，则评定数据为异常数据且发出预警。
13.作为一种风电塔筒健康监测系统的优选方案，若所述预警反馈模块评定数据为异常数据，则所述预警反馈模块将所述异常数据记录至监测日志中。
14.作为一种风电塔筒健康监测系统的优选方案，所述数据处理与控制子系统包括四个存储模块，四个所述存储模块能够分别对所述振动采集子模块、所述应变采集子模块、所述钢绞线预应力采集子模块和所述变形采集子模块采集的数据进行储存。
15.本发明的另一目的在于提供一种风电塔筒健康监测方法，该风电塔筒健康监测方法能够及时获知风电塔筒的健康状况，降低了风电塔筒发生危险的可能性，有利于保证风电机组的可靠运行。
16.为达该目的，本发明采用以下技术方案：
17.一种风电塔筒健康监测方法，采用上述任一技术方案所提供的风电塔筒健康监测系统对风电塔筒的健康进行监测，包括如下步骤：
18.数据处理与控制子系统控制数据采集装置启动，对塔筒的振动、应变、钢绞线预应力和变形的数据进行采集；
19.数据处理与控制子系统对所述数据采集装置采集的数据进行分类筛选和分类存储；
20.数据采集和显示子系统接收所述数据采集装置采集的数据，对数据进行显示设置后进行显示；
21.安全评定子系统中的振动评定模块、应变评定模块、预应力评定模块和变形评定模块分别对所述塔筒的振动数据、应变数据、钢绞线预应力数据和变形数据进行安全评定；
22.若所述振动数据、所述应变数据、所述钢绞线预应力数据或所述变形数据被评定为异常数据，则所述安全评定子系统针对所述异常数据发出预警。
23.作为一种风电塔筒健康监测方法的优选方案，所述安全评定子系统将所述异常数据记录入监测日志中。
24.本发明的有益效果：
25.本发明提供了一种风电塔筒健康监测系统，该风电塔筒健康监测系统包括数据采集装置、数据处理与控制子系统、数据采集和显示子系统以及安全评定子系统，数据采集装置中的采集子模块、应变采集子模块、钢绞线预应力采集子模块和变形采集子模块能够分别对塔筒的振动数据、应变数据、钢绞线的预应力数据和沉降及倾斜数据进行采集，数据处
理与控制子系统能够控制数据采集装置对数据的采集并对采集的数据进行存储，便于后续对数据的分析与处理。数据采集和显示子系统能够将数据采集装置采集到的数据进行处理，使各类数据有所区分地在显示屏上进行显示，便于操作人员及时获知数据状态。安全评定子系统中的振动评定模块、应变评定模块、预应力评定模块、变形评定模块能够对相应的数据进行处理，预警反馈模块能够对处理后的数据进行安全评估并对异常数据发出预警。
26.本发明还提供了一种风电塔筒健康监测方法，该风电塔筒健康监测方法由于采用了上述技术方案所提供的风电塔筒健康监测系统对风电塔筒的健康进行监测，该风电塔筒健康监测方法能够及时获知风电塔筒的健康状况，降低了风电塔筒发生危险的可能性，有利于保证风电机组的可靠运行。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明具体实施例所提供的风电塔筒健康监测系统的硬件示意图；
29.图2是本发明具体实施例所提供的风电塔筒内部的传感器布置示意图；
30.图3是本发明具体实施例所提供的风电塔筒的钢绞线布置示意图；
31.图4是本发明具体实施例所提供的风电塔筒中磁通量传感器的布置示意图；
32.图5是本发明具体实施例所提供的风电塔筒健康监测系统的数据采集的流程示意图；
33.图6是本发明具体实施例所提供的风电塔筒健康监测系统的数据处理与控制子系统的流程示意图；
34.图7是本发明具体实施例所提供的风电塔筒健康监测系统的数据采集和显示子系统的流程示意图；
35.图8是本发明具体实施例所提供的风电塔筒健康监测系统的安全评定子系统的流程示意图；
36.图9是本发明具体实施例所提供的风电塔筒健康监测方法的流程示意图。
具体实施方式
37.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
40.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明所提供的风电塔筒健康监测系统及监测方法的技术方案。
41.本实施例提供一种风电塔筒健康监测系统，该风电塔筒健康监测系统包括数据采集装置、数据处理与控制子系统、数据采集和显示子系统以及安全评定子系统，数据采集装置能够对塔筒的振动情况、应变情况、钢绞线的预应力情况和沉降及倾斜情况进行监测并生成相应的数据信号。数据处理与控制子系统能够控制数据采集装置对数据的采集，数据处理与控制子系统还能够对采集的数据进行分类筛选和储存，便于后续对数据的分析与处理。数据采集和显示子系统能够将数据采集装置采集的数据有所区分地在显示屏上进行显示，便于操作人员及时获知数据状态。安全评定子系统能够对振动数据、应变数据、钢绞线的预应力数据和沉降及倾斜数据进行处理，并在对数据进行安全评定后对异常数据发出预警。
42.该风电塔筒健康监测系统能够对风电塔筒的振动情况、应变情况、钢绞线的预应力情况和沉降及倾斜情况进行数据采集，并将采集的数据进行储存和显示，还能对采集的数据进行处理和安全评定，并及时针对异常数据发出预警，提醒操作人员及运维人员发现问题，有助于提升塔筒的整体使用寿命，保证了风电机组的可靠运行。
43.在本实施例中，如图1所示，数据采集装置包括振动采集子模块、应变采集子模块、钢绞线预应力采集子模块和变形采集子模块，振动采集子模块用以采集塔筒的振动数据，应变采集子模块用以采集塔筒的应变数据，钢绞线预应力采集子模块用以采集钢绞线的预应力数据，变形采集子模块用以采集塔筒的沉降及倾斜数据。优选地，数据采集装置还包括rs
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485集线器、rs
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485总线和数据采集中心服务器，振动采集子模块、应变采集子模块、钢绞线预应力采集子模块和变形采集子模块通过rs
‑
485总线和rs
‑
485集线器与数据采集中心服务器连接，实现对振动数据、应变数据、钢绞线的预应力数据和沉降及倾斜数据的采集。
44.具体地，振动采集子模块包括双向加速度传感器，双向加速度传感器沿塔筒的塔体布置，双向加速度传感器用以采集塔筒的整体振动数据。
45.在本实施例中，应变采集子模块包括振弦式应变计，振弦式应变计安装于塔筒的内壁和基础位置上，用于对塔筒的内壁和基础位置的应变(应力)数据进行采集。如当塔筒内壁产生裂缝、掉块等缺陷时，其局部应力会发生变化，振弦式应变计可以监测到这一应力变化，通过数据处理与控制子系统可以将该异常的应力变化数据分别传入到安全评定子系统，安全评定子系统若评定此数据为异常数据，则会向用户端反馈预警信息。
46.优选地，振弦式应变计设有多个，多个振弦式应变计均匀分布于塔筒的内壁和基础位置处，如图2中的dad
‑
a1、dad
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b1和dad
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c1所示，在塔筒的a筒节、b筒节和c筒节的每一筒节段的指定位置区域分别均匀布置1#、2#、3#和4#共4个振弦式应变计，用来采集塔筒内
壁应力的变化。如当塔筒内壁产生裂缝、掉块等缺陷时，其局部应力会发生变化，振弦式应变计可以采集到这一应力变化，将数据进行传递。
47.在塔筒的基础位置共计布置28个振弦式应变计，用来采集塔筒基础位置受力较大部位的钢筋的应力大小，振弦式应变计可以采集到这些应力情况，并将数据进行传递。可以理解的是，为了便于振弦式应变计的布置，在塔筒基础进行浇筑前，需要在基础指定位置提前预埋振弦式应变计，用来监测基础部位受力较大部位的径向筋、环向筋位置和内侧纵筋的应力(应变)情况。
48.在本实施例中，钢绞线预应力采集子模块包括磁通量传感器，磁通量传感器安装于钢绞线上，用以对塔筒中的钢绞线的预应力进行采集。当磁通量传感器监测到钢绞线预应力值不足时，将会通过安全评定子系统及时向用户端发出预警信息，可以使得运维人员和工程人员制定方案对钢绞线进行张拉，以保证钢绞线具有足够的预应力，保证塔筒整体的稳定性。
49.需要说明的是，在条件允许的情况下每根钢绞线上均安装一个磁通量传感器，能够对塔筒中的所有钢绞线中的预应力进行采集。如图3所示，由于钢绞线布置于塔筒内部，因此在钢绞线上安装磁通量传感器需要在制造钢绞线时就进行安装，然后完成标定后才能准确测量钢绞线的预应力值，塔筒中的多个磁通量传感器的整体布置情况如图4所示，mfs
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b
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1、mfs
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b
‑
2、mfs
‑
b
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3、mfs
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b
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4、mfs
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b
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5、mfs
‑
b
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6表示从塔筒顶部贯穿到塔筒底部钢绞线上的一部分磁通量传感器。
50.具体地，变形采集子模块包括静力水准仪和倾角仪，静力水准仪安装于塔筒的基础部位，用以测量塔筒的基础部位的沉降量；倾角仪安装于塔筒的筒体上，用以测量塔筒的筒体的倾斜变形，可以理解的是，本实施例以筒体的倾斜变形和塔筒的基础部位的沉降量作为衡量塔筒变形的指标。优选地，塔筒的基础部位的指定位置区域对称布置2个静力水准仪，用来采集塔筒的基础部位的沉降量的数据。由于混凝土塔筒在吊装完成初期是最容易发生塔基沉降的时期，因此在无地震等其他外界条件影响下，主要监测塔筒基础初期的沉降量变化，当沉降量过大超出合理的沉降量时，安全评定子系统会将静力水准仪收集到的异常数据筛选出来并发出预警信息。
51.具体地，如图2中的dad
‑
td3所示，倾角仪布置在塔筒的td3筒节段的内壁上部的指定位置。进一步地，倾角仪布置于指定位置的主风侧，此处倾斜变形的倾角最大，便于倾角仪测得塔筒的最大倾斜角度。
52.在本实施例中，如图1所示，该风电塔筒健康监测系统还包括通信服务器和网络服务器，网络服务器连接于通信服务器和数据采集中心服务器之间，实现了数据采集中心服务器采集的数据传递至通信服务器，再由通信服务器传递至其他子系统中。
53.进一步地，该风电塔筒健康监测系统还包括计算机监控中心和预警装置，计算机监控中心作为操作人员和运维人员的办公地点，能够使操作人员和运维人员及时掌握该风电塔筒健康监测系统采集的数据信息；预警装置可以发出声音、灯光等信息提醒操作人员和运维人员出现异常情况。
54.优选地，该风电塔筒健康监测系统还包括ups供电系统、防雷系统和恒温系统，ups供电系统、防雷系统和恒温系统均与数据采集装置相连接，能够分别为数据采集装置提供不间断电能、防雷击保护和适宜的工作温度，有利于保证数据采集装置的正常工作。
55.在本实施例中，数据处理与控制子系统能够控制数据采集装置对数据的采集，实现数据采集的开启或停止，同时数据处理与控制子系统能够对采集的数据进行分类筛选和储存。具体地，数据处理与控制子系统包括四个存储模块，四个存储模块能够分别对振动采集子模块、应变采集子模块、钢绞线预应力采集子模块和变形采集子模块采集的数据进行储存，数据处理与控制子系统将数据采集装置采集的数据进行分类筛选后并分类存储，便于后续分析时对某一类数据进行调用。
56.如图5所示，当该风电塔筒健康监测系统工作时，数据采集装置启动，通过并行采集的方式对塔筒的振动、塔筒的应变(应力)、钢绞线预应力和塔筒变形的数据进行采集，然后通过数据处理与控制子系统对采集的数据进行分类筛选和储存，并通过数据采集和显示子系统将数据采集装置采集的数据进行显示。
57.具体地，数据处理与控制子系统的流程图如图6所示，数据采集与传输模块将数据传至数据分类筛选模块，筛选后的数据一方面进入存储模块最终在数据存储服务器中存储，一方面进入用户端界面和显示模块进行显示。可以理解的是，安全评定子系统能够调用存储服务器中的数据并在用户端界面和显示模块中显示，数据采集与控制模块能够控制数据采集与传输模块对数据的传输。
58.数据采集和显示子系统的流程图如图7所示，传感器采集的数据内容通过显示设置后可以通过时间域、频率域和预警线进行显示。需要说明的是，时间域包含沉降量合理变化区间，塔筒内壁的应力(应变)合理范围，钢绞线预应力的合理应力区间，倾角仪的合理倾角区间，频率域主要是双向加速度传感器采集的振动频率合理区间，预警线主要是指超出对应监测指标的合理区间范围时所输出的数据。此外，为了便于区分不同监测指标，不同的监测指标显示的曲线的颜色不一样。
59.在本实施例中，安全评定子系统包括振动评定模块、应变评定模块、预应力评定模块、变形评定模块以及预警反馈模块，振动评定模块、应变评定模块、预应力评定模块和变形评定模块能够分别对振动采集子模块、应变采集子模块、钢绞线预应力采集子模块和变形采集子模块采集的数据进行安全评定，预警反馈模块能够针对评定为异常的数据发出预警。
60.具体地，预警反馈模块对数据的评估是将采集的数据与预设数据区间进行比较，若采集的数据位于预设数据区间中，则评定数据为正常数据且不发出预警；若采集的数据不在预设数据区间中，则评定数据为异常数据且发出预警。如图8所示，预警反馈模块可以通过网络直接将预警信息发送至用户控制端，也可以通过邮件预警将预警信息发送至用户端，并通过预警装置发出声音、灯光等信息提醒操作人员和运维人员及时查看预警信息。
61.同时，预警反馈模块不仅会对评定的异常数据进行收集反馈，便于用户查看分析，还会记录至监测日志中，作为运维人员和相应工程人员综合评估分析塔筒健康状况的重要参考依据。
62.本实施例还提供一种风电塔筒健康监测方法，该风电塔筒健康监测方法采用上述技术方案所提供的风电塔筒健康监测系统对风电塔筒的健康状况进行监测，如图9所示，该风电塔筒健康监测方法包括如下步骤：
63.数据处理与控制子系统控制数据采集装置启动，对塔筒的振动、应变、钢绞线预应力和变形的数据进行采集。
64.数据处理与控制子系统对数据采集装置采集的数据进行分类筛选和分类存储。
65.数据采集和显示子系统接收数据采集装置采集的数据，对数据进行显示设置后进行显示。
66.安全评定子系统中的振动评定模块、应变评定模块、预应力评定模块和变形评定模块分别对塔筒的振动数据、应变数据、钢绞线预应力数据和变形数据进行安全评定。
67.若振动数据、应变数据、钢绞线预应力数据或变形数据被评定为异常数据，则安全评定子系统针对异常数据发出预警。
68.安全评定子系统将异常数据进行收集反馈并记录入监测日志中。
69.本实施例所提供的风电塔筒健康监测方法能够及时获知风电塔筒的健康状况，降低了风电塔筒发生危险的可能性，有利于保证风电机组的可靠运行。
70.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。