法蘭盤螺栓監(jiān)測系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電塔螺栓智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

技術(shù)方案

1. 系統(tǒng)概述

在能源日趨緊張的情況下，風(fēng)能因具有清潔、 安全、可再生的特點，成為各國開發(fā)研究的熱點。在風(fēng)能向電能的轉(zhuǎn)換過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，一旦在運作過程中出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組效率降低甚至停機(jī)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。由于大部分風(fēng)場所在環(huán)境的特殊性—地處山區(qū)、海邊、戈壁等，季節(jié)和晝夜溫差大、風(fēng)沙問題嚴(yán)重、污穢等級高，加之風(fēng)電機(jī)組自身具有的低速、變載，零部件眾多，傳動系統(tǒng)復(fù)雜，分散部署，距離遠(yuǎn)，運行方位高，人工實施維護(hù)困難等特點，導(dǎo)致傳統(tǒng)的事后維修和周期性檢修模式代價高昂，而離線點檢模式帶來的人力成本又非常巨大，因而采取有效手段對風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行在線實時狀態(tài)監(jiān)測、及時發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行維修對安全生產(chǎn)具有重大意義。

塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)最主要的支撐結(jié)構(gòu)，多段塔筒相鄰之間通過高強(qiáng)度螺栓連接，因其工作環(huán)境惡劣，承受交變載荷的影響，在螺栓螺紋上容易產(chǎn)生很高的局部應(yīng)變及應(yīng)力，會造成螺栓出現(xiàn)松動、形變、斷裂等問題、。尤其是海上風(fēng)電，近些年投運的一些海上風(fēng)電場陸續(xù)出現(xiàn)風(fēng)電塔螺栓脫落及斷裂情況，存在巨大的潛在威脅。從而影響機(jī)組的安全運行，嚴(yán)重時會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)倒塌事故。

風(fēng)力發(fā)電塔螺栓智能一體化監(jiān)測系統(tǒng)通過在螺栓上布置對應(yīng)的轉(zhuǎn)角松動傳感器、高精度裂縫傳感器來對螺栓的預(yù)緊狀態(tài)、松動趨勢、應(yīng)力分布、連接件部位縫隙實施在線監(jiān)測，通過多種參量的相關(guān)數(shù)據(jù)來判斷螺栓的松動及損傷程度。通過設(shè)定的閾值來自動報警，實現(xiàn)及時的設(shè)備故障診斷，以便現(xiàn)場維護(hù)人員。

2.1系統(tǒng)優(yōu)勢

實時性及準(zhǔn)確性：本系統(tǒng)采用高精度及高靈敏度的基于磁性檢測的角度傳感器、高精度裂縫傳感器來監(jiān)測螺栓及法蘭盤的健康狀態(tài)，實時上傳螺栓狀態(tài)信息，可有效的分析得到螺栓松動、拉伸及法蘭盤裂縫情況，并第一時間發(fā)現(xiàn)螺栓異常狀況并發(fā)出報警；相對于傳統(tǒng)螺栓監(jiān)測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)更為全面，數(shù)據(jù)和結(jié)果更具真實性和準(zhǔn)確性。

無損監(jiān)測，安裝便捷：傳統(tǒng)預(yù)緊力傳感器采用壓力環(huán)或者給螺柱打孔，造成螺栓的結(jié)構(gòu)損傷和力矩誤差；本系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)角傳感器和裂縫傳感器監(jiān)測螺栓的拉伸及變形情況；將傳感器安裝在螺柱上，實現(xiàn)無損安裝。

在線監(jiān)測及報警系統(tǒng)：系統(tǒng)采用實時在線監(jiān)測，及基于人工智能的智能算法報警，實時監(jiān)測系統(tǒng)的故障情況及各級法蘭螺栓松動情況。

系統(tǒng)拓展性及兼容性：對不同規(guī)格的螺栓定制化開發(fā)傳感器安裝外殼，數(shù)據(jù)采集采用串口通信，一根總線帶多個節(jié)點且支持快速插拔安裝，安裝與維護(hù)十分便捷；采集設(shè)備采用模塊化開發(fā)，根據(jù)機(jī)組結(jié)構(gòu)和用戶對測點需求的不用，用戶可以根據(jù)實際需要，選擇布置傳感器的監(jiān)測點位；采集設(shè)備提供通用接口，可為主控系統(tǒng)提供螺栓報警信息。

2.2系統(tǒng)原理

螺栓預(yù)緊力衰減分為兩類：非旋轉(zhuǎn)性螺栓預(yù)緊力衰減和旋轉(zhuǎn)性螺栓預(yù)緊力衰減。非旋轉(zhuǎn)性預(yù)緊力衰減一般發(fā)生在螺栓緊固后的24小時之內(nèi)，衰減幅度約為螺栓預(yù)緊力的10%，主要表現(xiàn)為在螺母并不發(fā)生反旋的情況下，預(yù)緊力發(fā)生衰減，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是由于被夾持物在螺栓預(yù)緊力的作用下，其表面發(fā)生嵌入或被壓潰現(xiàn)象所導(dǎo)致，還有一部分原因為旋合螺紋的塑性變形導(dǎo)致，非旋轉(zhuǎn)性螺栓預(yù)緊力衰減已經(jīng)在螺栓連接設(shè)計和工藝所考慮。所以，真正需要監(jiān)測的對象為旋轉(zhuǎn)性螺栓預(yù)緊力衰減部分。旋轉(zhuǎn)性螺栓預(yù)緊力衰減又稱為螺栓松動，發(fā)生在螺栓連接的服役過程中，在振動或者熱沖擊條件下，由于螺母反旋導(dǎo)致的螺栓軸力衰減。

螺栓松動在線監(jiān)測系統(tǒng)針對旋轉(zhuǎn)型螺栓松動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，目的明確、監(jiān)測參數(shù)唯一，即為螺母反旋角度。通過選型開發(fā)的角度編碼器配合定制化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的傳感器外殼，完成螺母相對螺栓的旋轉(zhuǎn)角度監(jiān)測并將旋轉(zhuǎn)角度物理量轉(zhuǎn)化為電信號由下位機(jī)采集站進(jìn)行采集，采集到的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議上傳中控室服務(wù)器，中控室服務(wù)器將采集到的旋轉(zhuǎn)角度利用核心算法完成數(shù)據(jù)分析，計算得到被監(jiān)測螺栓的當(dāng)前的松動程度，最終由顯示軟件實現(xiàn)監(jiān)測參數(shù)及分析結(jié)果的直觀展示。

2.3系統(tǒng)組成

螺栓松動在線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵在于實時的獲取連接螺栓的螺母反旋松動角度、法蘭盤應(yīng)力分布及法蘭縫隙，并可應(yīng)用于大型設(shè)備、機(jī)組各零部件關(guān)鍵連接位置。螺栓松動監(jiān)測系統(tǒng)主要由角度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、本地服務(wù)器、遠(yuǎn)程服務(wù)器、上位機(jī)顯示分析軟件等部分組成。

因連接螺栓數(shù)量繁多，各傳感器與采集站間采用RS485/RS232串口總線的通信方式。采集到的數(shù)據(jù)以TCP/IP方式發(fā)送到中控室服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)的實時顯示與分析。具體的系統(tǒng)組成及配置清單如圖2.4-1和表2.4-2

圖2.3-1系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.4系統(tǒng)功能

2.4.1監(jiān)測主頁

實時的監(jiān)測各關(guān)鍵部件螺栓預(yù)緊狀態(tài)，完成被監(jiān)測螺栓ID地址分配、初始值校準(zhǔn)、松動顯示及趨勢繪制、松動程度顯示、狀態(tài)報警等綜合管理，由此得出關(guān)鍵位置連接緊固件的載荷分布情況，系統(tǒng)軟件具備豐富的圖譜顯示功能，具體如下：

●螺栓預(yù)緊狀態(tài)   ●螺栓松動趨勢  ●螺栓松動程度 ●螺栓載荷分布

●法蘭盤端面間隙 ●螺栓轉(zhuǎn)角      ●螺栓ID分配  ●初始值校準(zhǔn)

●報警閾值設(shè)定   ●報警顯示      ●用戶管理     ●日志查詢

圖2.4-1主頁圖

2.4.2重新校準(zhǔn)

監(jiān)測到螺栓松動后，修復(fù)后校準(zhǔn)初始值，操作前確保松動部位已全部修復(fù)，系統(tǒng)會提示：【請檢查螺栓松動問題已修復(fù)，該操作不可復(fù)位，是否初始化角度初始值?！?/span>

圖2.4-2初始化圖

2.4.3 生成報告

生成當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)備如風(fēng)機(jī)上的所有螺栓設(shè)備數(shù)據(jù)和系統(tǒng)圖。

圖2.4-3報告圖

2.4.4主體設(shè)備列表

根據(jù)螺栓所在的主體設(shè)備，可操作列表切換，按主題設(shè)備為組別，操作和換看不同主體設(shè)備上所對應(yīng)全部螺栓設(shè)備信息。

圖2.4-4主體設(shè)備列表圖