法蘭盤螺栓監測系統

風力發電塔螺栓智能監測預警系統

技術方案

1. 系統概述

在能源日趨緊張的情況下，風能因具有清潔、 安全、可再生的特點，成為各國開發研究的熱點。在風能向電能的轉換過程中，風力發電機組發揮了關鍵的作用，一旦在運作過程中出現故障，將導致發電機組效率降低甚至停機，造成較大的經濟損失。由于大部分風場所在環境的特殊性—地處山區、海邊、戈壁等，季節和晝夜溫差大、風沙問題嚴重、污穢等級高，加之風電機組自身具有的低速、變載，零部件眾多，傳動系統復雜，分散部署，距離遠，運行方位高，人工實施維護困難等特點，導致傳統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力發電機進行在線實時狀態監測、及時發現故障并進行維修對安全生產具有重大意義。

塔筒是風力發電機最主要的支撐結構，多段塔筒相鄰之間通過高強度螺栓連接，因其工作環境惡劣，承受交變載荷的影響，在螺栓螺紋上容易產生很高的局部應變及應力，會造成螺栓出現松動、形變、斷裂等問題、。尤其是海上風電，近些年投運的一些海上風電場陸續出現風電塔螺栓脫落及斷裂情況，存在巨大的潛在威脅。從而影響機組的安全運行，嚴重時會導致風機倒塌事故。

風力發電塔螺栓智能一體化監測系統通過在螺栓上布置對應的轉角松動傳感器、高精度裂縫傳感器來對螺栓的預緊狀態、松動趨勢、應力分布、連接件部位縫隙實施在線監測，通過多種參量的相關數據來判斷螺栓的松動及損傷程度。通過設定的閾值來自動報警，實現及時的設備故障診斷，以便現場維護人員。

2.1系統優勢

實時性及準確性：本系統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測螺栓及法蘭盤的健康狀態，實時上傳螺栓狀態信息，可有效的分析得到螺栓松動、拉伸及法蘭盤裂縫情況，并第一時間發現螺栓異常狀況并發出報警；相對于傳統螺栓監測系統，數據更為全面，數據和結果更具真實性和準確性。

無損監測，安裝便捷：傳統預緊力傳感器采用壓力環或者給螺柱打孔，造成螺栓的結構損傷和力矩誤差；本系統采用轉角傳感器和裂縫傳感器監測螺栓的拉伸及變形情況；將傳感器安裝在螺柱上，實現無損安裝。

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

系統拓展性及兼容性：對不同規格的螺栓定制化開發傳感器安裝外殼，數據采集采用串口通信，一根總線帶多個節點且支持快速插拔安裝，安裝與維護十分便捷；采集設備采用模塊化開發，根據機組結構和用戶對測點需求的不用，用戶可以根據實際需要，選擇布置傳感器的監測點位；采集設備提供通用接口，可為主控系統提供螺栓報警信息。

2.2系統原理

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

螺栓松動在線監測系統針對旋轉型螺栓松動狀態進行監測，目的明確、監測參數唯一，即為螺母反旋角度。通過選型開發的角度編碼器配合定制化機械結構設計的傳感器外殼，完成螺母相對螺栓的旋轉角度監測并將旋轉角度物理量轉化為電信號由下位機采集站進行采集，采集到的數據通過TCP/IP協議上傳中控室服務器，中控室服務器將采集到的旋轉角度利用核心算法完成數據分析，計算得到被監測螺栓的當前的松動程度，最終由顯示軟件實現監測參數及分析結果的直觀展示。

2.3系統組成

螺栓松動在線監測系統的關鍵在于實時的獲取連接螺栓的螺母反旋松動角度、法蘭盤應力分布及法蘭縫隙，并可應用于大型設備、機組各零部件關鍵連接位置。螺栓松動監測系統主要由角度傳感器、數據采集器、本地服務器、遠程服務器、上位機顯示分析軟件等部分組成。

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

圖2.3-1系統拓撲圖

2.4系統功能

2.4.1監測主頁

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

●螺栓預緊狀態   ●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 ●螺栓轉角      ●螺栓ID分配  ●初始值校準

●報警閾值設定   ●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

監測到螺栓松動后，修復后校準初始值，操作前確保松動部位已全部修復，系統會提示：【請檢查螺栓松動問題已修復，該操作不可復位，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

生成當前基礎設備如風機上的所有螺栓設備數據和系統圖。

圖2.4-3報告圖

2.4.4主體設備列表

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

圖2.4-4主體設備列表圖