海上風電由于具有風速高、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，與陸上風電機組相比，海上風機面臨的環(huán)境更為復雜,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、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)境的復雜性和隨機性以及海上風機的動力響應特性認識不充分，不僅影響海上風電機組的正常運行，降低輸出電能質(zhì)量，加劇風機各零部件的疲勞，縮短機組壽命，并且持續(xù)性的風力和波浪力作用在風機結構上，極易產(chǎn)生振動問題，可能導致不可預測的安全事故發(fā)生，造成重大經(jīng)濟損失和不良社會影響。因此在分析海上風機的振動特性時，要充分考慮風和海浪對海上風機的作用。

振動監(jiān)測

1風電塔筒振動監(jiān)測

塔筒和基礎是組成風機的兩個重要部分。風機塔筒一般為錐形結構，頂部安裝有機艙和葉片，正常運營中的風機塔筒要承受風荷載、機艙和葉片的重力、風機塔筒振動產(chǎn)生的慣性力、風機控制系統(tǒng)運行荷載等多種荷載的共同作用，由于風荷載的隨機性，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構附加應力，并且會大概率引起塔筒與葉片的共振，從而影響整個風機的穩(wěn)定性，因此在風機安全監(jiān)測中振動監(jiān)測是重中之重。

2016年，臺風“尼伯特”登陸某海上風電場，其登陸該風電場時為強熱帶風暴，最大風力10級，最大風速25 m/s。臺風影響期間，該風場1號風機完整監(jiān)測了“尼伯特”臺風整個過程中風機結構的振動情況。1號風機監(jiān)測加速度計安裝位置如圖1所示。

圖1 1號風機振動加速度計安裝布置圖（單位：mm）

結果表明，1號風機臺風前、臺風期間、臺風后三個時間段內(nèi)都開啟自由偏航功能，造成機艙隨風向的變化發(fā)生頻繁的偏航事件，進而產(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機健康狀況的重要影響因素。

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

2基礎振動監(jiān)測

海上風機基礎結構的安全是風電場安全運營的重中之重，因此對海上風機基礎結構的安全監(jiān)測變得非常重要。常規(guī)的海工結構安全監(jiān)測通過人工現(xiàn)場采集傳感器數(shù)據(jù)的方式進行，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結果確定結構所處狀態(tài)。但是由于海上風電場通常遠離海岸線，直線距離通常在數(shù)十海里以上，航道距離則更長，日常的維護檢測相當困難，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、大潮汛期間等天氣惡劣的情況下，對海上風機基礎結構的受力、振動狀況尤為關注，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機結構安全監(jiān)測的要求。隨著遠程通信技術、傳感器技術的發(fā)展，遠程自動化監(jiān)測成為可能。

有學者提出了一種可用于海上風機基礎結構安全監(jiān)測的遠程自動化監(jiān)測方案，開發(fā)了相應的軟、硬件系統(tǒng)，對風機基礎結構的受力狀況、振動狀況、腐蝕保護狀態(tài)進行實時監(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、結構安全監(jiān)測、陰極保護電位監(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) 進行統(tǒng)一存儲、管理、維護與分析，通過信息化手段提高監(jiān)測水平，為設計人員和管理者科學決策提供依據(jù)。系統(tǒng)可在無人值守的情況下實時、準確地獲得風機上的監(jiān)測數(shù)據(jù)。這對于風電基礎結構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電基礎的狀況。對保障海上風電基礎結構的安全性、降低企業(yè)后期維護成本，起到了重要的作用。

振動監(jiān)測實例

風機結構一直處于復雜的環(huán)境和運行狀態(tài)中，機艙隨著風向偏航，葉輪轉(zhuǎn)速和槳距角隨風速大小而調(diào)整，以產(chǎn)生最大的和穩(wěn)定的電能。為了掌握風速、葉輪轉(zhuǎn)速、葉片槳距角和機艙方位角之間的關系，需對風機的不同運行狀態(tài)進行分類。

有學者以某海上風電試驗樣機為研究對象，基于現(xiàn)場原型觀測獲取整體風機結構在停機、正常運行、開(停)機及臺風工況下的振動響應數(shù)據(jù)。測試所用海上風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，基礎采用復合式筒型基礎形式。風機葉輪直徑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

結果表明，在風機處于停機狀態(tài)下，結構振動隨環(huán)境風速的增加而顯著增大；而運行狀態(tài)時，葉輪轉(zhuǎn)速對結構振動影響效應明顯，對振動變化起到主導作用。風機的啟停機過程中，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；大風速工況下，當風速超過切出風速時，由于風機停機，葉片順槳，此時的振動速度比額定功率時要稍小一些。臺風期風機在額定轉(zhuǎn)速運行時的振動超過實測最大風速時停機工況的響應。塔筒頂部與基礎頂部振動響應同步性說明整體風機具有很好的變形協(xié)調(diào)性。

結語

隨著新技術的開發(fā)和新型材料的使用，海上風電結構在風機葉片、塔架結構和基礎結構等各方面的研究已經(jīng)相對比較成熟。為降低經(jīng)濟成本，提高海上風電效益，風機正朝著大型化、柔性結構的方向發(fā)展。目前，我國在海上風機基礎結構的設計、實驗、及施工等諸多方面的研究尚處于起步階段，相關經(jīng)驗較為匱乏，開展海上風機安全監(jiān)測，對全面分析風機結構的壽命及安全性具有重要意義。