海上風(fēng)電由于具有風(fēng)速高、湍流強度小、不占陸地面積等優(yōu)點，逐漸成為我國沿海地區(qū)的重要能源項目。但是，與陸上風(fēng)電機組相比，海上風(fēng)機面臨的環(huán)境更為復(fù)雜,不僅需承受機械控制荷載等內(nèi)部荷載作用，還得承受永無止息的海上風(fēng)、波浪等隨時間和空間變化的外部環(huán)境荷載共同作用，有時還可能遭受地震荷載的侵襲。如果對海洋環(huán)境的復(fù)雜性和隨機性以及海上風(fēng)機的動力響應(yīng)特性認(rèn)識不充分，不僅影響海上風(fēng)電機組的正常運行，降低輸出電能質(zhì)量，加劇風(fēng)機各零部件的疲勞，縮短機組壽命，并且持續(xù)性的風(fēng)力和波浪力作用在風(fēng)機結(jié)構(gòu)上，極易產(chǎn)生振動問題，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)損失和不良社會影響。因此在分析海上風(fēng)機的振動特性時，要充分考慮風(fēng)和海浪對海上風(fēng)機的作用。

振動監(jiān)測

1風(fēng)電塔筒振動監(jiān)測

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

2016年，臺風(fēng)“尼伯特”登陸某海上風(fēng)電場，其登陸該風(fēng)電場時為強熱帶風(fēng)暴，最大風(fēng)力10級，最大風(fēng)速25 m/s。臺風(fēng)影響期間，該風(fēng)場1號風(fēng)機完整監(jiān)測了“尼伯特”臺風(fēng)整個過程中風(fēng)機結(jié)構(gòu)的振動情況。1號風(fēng)機監(jiān)測加速度計安裝位置如圖1所示。

圖1 1號風(fēng)機振動加速度計安裝布置圖（單位：mm）

結(jié)果表明，1號風(fēng)機臺風(fēng)前、臺風(fēng)期間、臺風(fēng)后三個時間段內(nèi)都開啟自由偏航功能，造成機艙隨風(fēng)向的變化發(fā)生頻繁的偏航事件，進(jìn)而產(chǎn)生強烈的振動信號。偏航引起的振動雖然單次持續(xù)時間較短，但其加速度振幅遠(yuǎn)大于正常狀態(tài)時加速度振幅值，由此可以推測，偏航引起的振動是風(fēng)機健康狀況的重要影響因素。

并且通過“尼伯特”臺風(fēng)期間監(jiān)測數(shù)據(jù)比較，確認(rèn)1號風(fēng)機所測振動數(shù)據(jù)真實可靠，為檢驗和完善風(fēng)機塔筒和基礎(chǔ)設(shè)計方案提供了重要依據(jù)，具有較大的工程應(yīng)用價值。

2基礎(chǔ)振動監(jiān)測

海上風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全是風(fēng)電場安全運營的重中之重，因此對海上風(fēng)機基礎(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間發(fā)現(xiàn)問題，尤其是臺風(fēng)、大潮汛期間等天氣惡劣的情況下，對海上風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力、振動狀況尤為關(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)測的方法因為效率低下、受環(huán)境因素影響較大等原因，完全不能滿足海上風(fēng)機結(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)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測方案，開發(fā)了相應(yīng)的軟、硬件系統(tǒng)，對風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力狀況、振動狀況、腐蝕保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。解決了人工監(jiān)測效率低、數(shù)據(jù)完整性和實時性差等問題，系統(tǒng)集振動監(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，對所有安全監(jiān)測數(shù)據(jù) 進(jìn)行統(tǒng)一存儲、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時、準(zhǔn)確地獲得風(fēng)機上的監(jiān)測數(shù)據(jù)。這對于風(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，能更客觀地反映實際的風(fēng)電基礎(chǔ)的狀況。對保障海上風(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。

振動監(jiān)測實例

風(fēng)機結(jié)構(gòu)一直處于復(fù)雜的環(huán)境和運行狀態(tài)中，機艙隨著風(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、葉片槳距角和機艙方位角之間的關(guān)系，需對風(fēng)機的不同運行狀態(tài)進(jìn)行分類。

有學(xué)者以某海上風(fēng)電試驗樣機為研究對象，基于現(xiàn)場原型觀測獲取整體風(fēng)機結(jié)構(gòu)在停機、正常運行、開(停)機及臺風(fēng)工況下的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)。測試所用海上風(fēng)電試驗樣機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)機葉輪直徑93.4m，輪轂高度80.0m，塔筒為3段式安裝，機艙與塔筒及相鄰塔筒之間設(shè)有工作平臺。本次測試在塔筒內(nèi)部由上至下布置5個測點，位置為距離工作平臺高約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布置

結(jié)果表明，在風(fēng)機處于停機狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)振動隨環(huán)境風(fēng)速的增加而顯著增大；而運行狀態(tài)時，葉輪轉(zhuǎn)速對結(jié)構(gòu)振動影響效應(yīng)明顯，對振動變化起到主導(dǎo)作用。風(fēng)機的啟停機過程中，均存在一定的過渡階段，由于機艙偏航的影響，停機過程的振動速度比正常運行時還要大；大風(fēng)速工況下，當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時，由于風(fēng)機停機，葉片順槳，此時的振動速度比額定功率時要稍小一些。臺風(fēng)期風(fēng)機在額定轉(zhuǎn)速運行時的振動超過實測最大風(fēng)速時停機工況的響應(yīng)。塔筒頂部與基礎(chǔ)頂部振動響應(yīng)同步性說明整體風(fēng)機具有很好的變形協(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)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、實驗、及施工等諸多方面的研究尚處于起步階段，相關(guān)經(jīng)驗較為匱乏，開展海上風(fēng)機安全監(jiān)測，對全面分析風(fēng)機結(jié)構(gòu)的壽命及安全性具有重要意義。