一种塔筒螺栓安全监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组监测技术领域，具体涉及一种塔筒螺栓安全监测装置及其监测方法。

背景技术

风力发电机组作为新能源的重要部分，其发展速度迅速，随着低风区的风资源应用及海上风电机组的快速发展，单机容量不断增加，塔筒的高度也不断增加，风力发电机组的每个叶片一般都超过50米，因此支撑这些叶片的风力发电机组塔筒的高度往往都在100米以上。塔筒是具有一定坡度的锥形结构，用以支撑机头，通常由多节构成，每节塔筒之间通过凸缘形成的法兰面实现连接，而法兰通过高强螺栓连接副实现连接，螺栓的状态对于塔筒的安全有着重要的作用，一旦螺栓出现松动、蠕变等情况发生，易造成机组运行隐患。机组运行过程中，机头上的叶轮相对于机舱沿轴向旋转，在风载作用下，机舱和塔筒都会受到由叶片传递过来的动态载荷，并且动态载荷沿着风力发电机组塔筒向下传递到塔筒的各节法兰和螺栓上。在交变载荷作用下，螺栓将承受拉、压循环作用，从而发生塑性变形，造成螺栓预紧力减小，进而出现螺栓松动、断裂，严重时甚至发生倒塔的情况，给社会造成重大的经济损失及人员伤亡。

为了避免螺栓的失效以及塔筒的潜在损害或者倒塌现象的发生，必须对螺栓进行频繁检查、维护和/或更换，螺栓预紧力的定期检查运维策略一般为半年进行一次。这项工作既费时又费力，会影响到机组的正常发电机量及其有效利用时长，同时加之工作人员主观和客观方面的多因素影响，并不能保证每次及时发现和消除螺栓松动问题，目前有塔筒螺栓松动的在线监测装置及方法的相关报道，例如中国专利CN112097706A公开了一种风电塔筒法兰螺栓松动实时监测系统及预警方法，该监测系统包括接触式位移传感器装置和远程终端监测系统，通过接触式位移传感器装置测量各个螺栓螺母松动所产生的位移量变化数据并传输至远程终端监测系统，通过远程终端监测系统分析实时角度变化量与预设松动角度量的对比，从而监测螺栓是否松动。该实时监测系统可以远程实时监控螺栓的状态，减少人工现场巡查爬塔带来的高强度体力劳动及安全风险。但是该实时监测系统还存在以下问题：1、该监测系统中通过接触式位移传感器装置监测各个螺母的松动，风机塔筒上螺栓的数量极多，若是对每个螺栓进行监测，监测成本高且安装耗时耗力；2、该监测系统中接触式位移传感器放置于安装架并安装固定于法兰上表面，接触式位移传感器的移动端与法兰上表面的螺母相接触，若螺栓发生断裂或松动时，法兰上表面的螺母与法兰上表面之间发生位移，从而使接触式位移传感器监测到位移，但是当螺栓发生变形或者法兰发生变形时，法兰上表面的螺母与法兰上表面之间无明显位移，接触式位移传感器也不能监测到位移，存在安全隐患。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种塔筒螺栓安全监测装置及其监测方法，该装置能够实时监测塔筒螺栓的松动及变形情况，且单个传感器覆盖多个螺栓范围，监测成本较低，该装置结构简单、安装方便、监测效果好。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种塔筒螺栓安全监测装置，至少包括应变传感器、采集仪和监测模块，其中采集仪与应变传感器连接并获取数据，采集仪与监测模块连接并传递数据，每节塔筒上均设置有应变传感器和采集仪，底层塔筒的内壁或塔底平台上设置有监测箱，监测模块位于监测箱内，监测箱内还设置有电源，所述应变传感器沿轴向跨装于塔筒上法兰的上下面，采集仪对应安装于塔筒的内壁上并通过信号线与应变传感器和监测模块连接，所述电源通过电线与采集仪连接并提供电能。

所述应变传感器与法兰之间设置有监测工装，监测工装的截面呈“匚”字型，包括沿塔筒轴向设置的支撑件以及沿塔筒径向设置的上连接件和下连接件，三者连接为一体，其中支撑件靠近法兰的一面设置为弧形并与法兰形状相匹配，监测工装包设于法兰的上下面并紧密接触，支撑件靠近应变传感器的一面为平面并与应变传感器紧密接触。

每节塔筒上均设置有一个采集仪和一个以上的应变传感器，其中应变传感器沿法兰均匀或非均匀分布，每节塔筒上的应变传感器均与该节塔筒上的采集仪连接。

所述采集仪上设置有上行及下行的信号线接口，采集仪通过信号线自上而下依次连接并传递数据，底层塔筒上的采集仪与监测模块连接。

所述采集仪上设置有上行及下行的电线接口，采集仪通过电线自下而上串联连接，底层塔筒上的采集仪与电源连接并获取电能。

所述应变传感器通过胶接、磁力或螺栓连接的方式与法兰或监测工装连接。

所述监测工装通过紧固件连接固定于法兰的上下面。

所述监测模块与风机主控连接，并通过风机主控将监测数据传递于上位机，监测模块设置有警报器，用于安全预警。

本发明还提供了一种塔筒螺栓安全监测装置的监测方法，包括以下步骤：(1)在每节塔筒上安装布置监测装置并进行校准，监测箱内的电源为监测装置提供电力；

(2)所述应变传感器的应变片随法兰的变形而变形，应变传感器将变形量通过信号线传递到每层塔筒上对应的采集仪，采集仪将变形量传递至监测模块中；

(3)监测模块对比实时变形量与预设阈值，若实时变形量超过预设阈值，警报器发出警报，实现机组安全预警。

所述监测模块结合机组的运行工况，对法兰的变形量进行监测，从而得到法兰的变形量与机组的运行工况的关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明通过在每节塔筒的法兰连接处布置应变传感器来监测螺栓的松动及变形情况，能够及时发现潜在的安全风险并及时报警，避免人员繁重的日常运维工作，并避免事故的发生及经济的损失。2、本发明中应变传感器安装于法兰上下面，通过监测法兰的变形量来判断螺栓的松动及变形情况，监测方法简单、耗费成本较低、安装方便且监测效果较佳。3、本发明通过监测工装的设置可以使应变传感器间接的紧密平稳连接于法兰上，保证了应变传感器监测的稳定性和准确性。4、本发明中监测模块可以结合机组运行工况，得到法兰变形与机组运行关系的规律，为后续塔筒结构的优化设计提供数据支持。

附图说明

下面根据借助于附图得到详细解释的实施例对本发明进行说明。其中：

图1为本发明提供的塔筒螺栓安全监测装置塔筒内整体布局示意图；

图2为本发明提供的塔筒螺栓安全监测装置局部A示意图；

图3为本发明提供的塔筒螺栓安全监测装置局部B-B剖视图；

图4为本发明中应变传感器直接监测局部C放大示意图；

其中a为法兰无变形情况下，b和c为法兰变形情况下；

图5为本发明中应变传感器间接监测局部C放大示意图；

其中a为法兰无变形情况下，b和c为法兰变形情况下；

图6为本发明中监测工装的结构示意图；

图7为本发明提供的塔筒螺栓安全监测装置的监测方法的流程图；

图8为本发明中法兰应变与工况逻辑统计流程示意图；

图中：1-叶轮，2-机舱，3-塔筒，31-法兰，32-螺栓连接副，4-应变传感器，5-采集仪，6-监测箱，7-信号线A，8-信号线B，9-电线，10-监测工装；11-紧固件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

在风电机组运行时，叶轮1所承载的载荷通过机舱2传递至塔筒3，并随着机组运行工况的不同承受着交变载荷，该载荷自上而下传递到各节法兰31处，而各节法兰通过螺栓连接副32连接及固定，在承受载荷的工况下，法兰会发生形变，尤其当螺栓连接副松动的情况下其变形量会出现显著变化，本实施例中通过检测装置的布置可以及时发现螺栓松动并及时报警，本发明提供的塔筒螺栓安全监测装置如图1～图3所示。

所述塔筒螺栓安全监测装置包括应变传感器4、采集仪5、监测箱6以及位于监测箱内的监测模块和电源，其中每节塔筒上均设置有应变传感器和采集仪，监测箱位于底层塔筒的内壁或塔底平台上，应变传感器根据法兰承受载荷的情况沿轴向跨装于塔筒上法兰的上下面，且每节塔筒的法兰上均设置有一个以上的应变传感器，其数量根据塔筒的直径及需求进行均匀或非均匀布置，其数量需求可根据风机所处地区的风向进行需求化定制性布局，本实施例中，每层塔筒均匀设置四个应变传感器，每节塔筒上均设置有一个采集仪，采集仪安装于塔筒壁上并通过信号线A7与应变传感器连接，采集仪上具有多个端口，用于多个应变传感器的接入，每节塔筒上的应变传感器均与该节塔筒上的采集仪连接，从而实现监测数据的采集。

采集仪上设置有上行及下行的信号线接口和电线接口，有效实现信息流与动力流的传递，采集仪通过信号线B8自上而下依次连接并传递监测数据，底层塔筒上的采集仪与监测模块连接，从而将逐层传递下来的监测数据传递到监测箱内的监测模块中。所述电源通过电线9与底层塔筒上的采集仪连接，采集仪通过电线自下而上串联连接并获取电能，监测模块与风机主控连接，并通过风机主控将监测数据传递于上位机，实现在线实时监控，监测模块设置有警报器，用于安全预警。

本实施例中，可直接将应力传感器布置于塔筒的法兰上下面，所述应变传感器通过胶接、磁力或螺栓连接等方式与法兰连接，其连接如图4所示，塔筒在未受到载荷的情况下，法兰未有较大变形即未有张角，当塔筒承受交变载荷情况下，尤其出现螺栓连接副出现松动的情况下，法兰出现张角，应变传感器作为敏感元件会发生电信号或光信号等显著变化，并将信号传送到采集仪。但是塔筒尺寸较小时，应变传感器与法兰的接触面为弧形，应变传感器无法直接固定于法兰横截面，不便于应变传感器的稳定安装，可通过监测工装10实现应变传感器的间接连接，保证应变传感器监测的稳定性和准确性，此时所述应变传感器与法兰之间设置有监测工装，其结构如图5所示，监测工装的截面呈“匚”字型，包括沿塔筒轴向设置的支撑件以及沿塔筒径向设置的上连接件和下连接件，三者连接为一体，其中支撑件靠近法兰的一面设置为弧形并与法兰形状相匹配，监测工装包设于法兰的上下面并通过紧固件11连接固定。支撑件靠近应变传感器的一面为平面并与应变传感器紧密接触，监测工装结构如图6所示。监测工装与法兰及应变传感器与监测工装通过胶结、磁力或螺栓连接的形式实现彼此的连接。当法兰发生变形时，其变形量首先反应在监测工装上并传递至应变传感器上，从而实现法兰变形量的监测。而法兰的形变与其附近的螺栓变形或松动存在着密切的关系，因此只需在法兰上布置一个应变传感器即可实现其附近多个螺栓变形或松动的监测。

本发明提供的塔筒螺栓安全监测装置的监测方法的流程图如图7所示，包括以下步骤：(1)在每节塔筒上安装布置监测装置并进行校准，监测箱内的电源为监测装置提供电力；

(2)所述应变传感器的应变片随法兰的变形而变形，应变传感器将变形量通过信号线传递到每层塔筒上对应的采集仪，采集仪将变形量传递至监测模块中；

(3)监测模块对比实时变形量与预设阈值，若实时变形量超过预设阈值，警报器发出警报，实现机组安全预警。

当塔筒的螺栓连接副发生松动时，法兰在载荷的作用下产生形变，应变传感器内的应变片发生敏感变形并将生成的应变信号传递到采集仪上，采集仪再将数据传递到监测模块中进行分析，若实时变形量大于预设阈值，监测模块与风机主控连接，风机主控通过有线或无线的形式将报警信号反馈给上位机，实现机组安全预警及螺栓更换或维护的信号，避免机组出现风险或带风险运行。

当塔筒螺栓连接副未发生松动时，结合机组的运行工况，对法兰的变形量进行监测，得到正常情况下法兰的变形量与机组的运行工况的关系，其流程示意图如图8所示。通过大数据拓扑分析，输入不同风况、不同负荷和不同转速等参数，可以反向推算机组所受载荷与变形量的关系，同时根据变形量的变化量推算塔筒设计的富裕量，为塔筒设计优化提供必要的数据依据。