[發(fā)明專利]基于水下聲信號的海上風機非接觸式葉輪轉(zhuǎn)速監(jiān)測方法

有效

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• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112326987B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發(fā)明（設計）人: 王榮鑫;許肖梅;黃龍飛;朱培斌;劉后秀;周陽亮
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G01P3/00
• 分類號: G01P3/00
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森

基于水下聲信號的海上風機非接觸式葉輪轉(zhuǎn)速監(jiān)測方法，涉及風電技術領域。使用水聽器實時采集靠近風機處的海上風機營運期水下噪聲，并利用隨機共振方法提取營運期水下噪聲的線譜頻率，而后利用該頻率反演出風機的葉輪轉(zhuǎn)速。對比預先設定的門限閾值，當發(fā)現(xiàn)葉輪轉(zhuǎn)速異常時，系統(tǒng)發(fā)出警報并停止風機運行以保證風機的安全。不需要把監(jiān)測儀器安裝在風機的轉(zhuǎn)軸或其他固件上，這種非接觸式的葉輪轉(zhuǎn)速監(jiān)測方法避免了現(xiàn)有監(jiān)測儀器因需與風機長時間直接接觸而發(fā)生磨損、脫落等帶來的風險，不僅可以有效監(jiān)測葉輪轉(zhuǎn)速，還可以跟蹤監(jiān)測海上風電場營運期水下噪聲的實時變化，為海洋環(huán)境噪聲的影響評估提供關鍵參數(shù)，具有方法簡單、成本低、布置方便等優(yōu)勢。

技術領域

本發(fā)明涉及風電技術領域，尤其是涉及一種基于水下聲信號的海上風機非接觸式葉輪轉(zhuǎn)速監(jiān)測方法。

背景技術

隨著化石能源的枯竭和可持續(xù)發(fā)展理念的倡導，綠色清潔的風力發(fā)電得到了高速發(fā)展。相比于陸上風能，海上風能具有風速高、風功率密度大、不占用陸上土地等優(yōu)勢，這使得風力發(fā)電的重心從陸上轉(zhuǎn)移到了海上。目前的風力發(fā)電機中，普遍采用變速變槳距風力發(fā)電機。([1]陳雪峰,郭艷婕,許才彬,商紅兵.風電裝備故障診斷與健康監(jiān)測研究綜述[J].中國機械工程,2020,31(02):175-189.)變速控制使得在風速變化的情況下可以實時調(diào)節(jié)風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，使之運行在最佳轉(zhuǎn)速上以最大程度地捕獲風能；變槳距控制則通過調(diào)節(jié)葉片的槳距角來穩(wěn)定輸出功率，且在風速高于切出風速時，調(diào)節(jié)槳葉順槳，控制風力發(fā)電機剎車以保護風電機組不受損壞。風機在變速變槳距過程中需要葉輪轉(zhuǎn)速信息來協(xié)助調(diào)節(jié)，因此需要對葉輪轉(zhuǎn)速進行實時監(jiān)測，并在葉輪轉(zhuǎn)速異常時，發(fā)出警報信號并停止風機運行以保證風機安全。

目前，對風力發(fā)電機葉輪轉(zhuǎn)速測量的方法一般采用脈沖計數(shù)法和機械傳感測量法。這些測量方法都是利用轉(zhuǎn)速測量傳感器或接近開關傳感器檢測脈沖個數(shù)或者周期來獲得轉(zhuǎn)速信息，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速監(jiān)測和超速保護的目的。但是，這些監(jiān)測儀器需要安裝在轉(zhuǎn)軸或者輪轂附近的合適位置，增加了風機結構的復雜性。此外，長時間的接觸運行會造成監(jiān)測儀器硬件的磨損或污垢沉積，容易引起測量準確度下降或發(fā)生故障，造成安全事故。

海上風機營運期水下噪聲，通常被描述為一種連續(xù)的、低強度噪聲，在1000Hz以下具有一個或多個線譜分量。它主要是由于風機在營運過程中，葉輪在風力的作用下帶動傳動軸、增速齒輪箱等轉(zhuǎn)動，反應其運行狀態(tài)的各種聲信號隨機械運轉(zhuǎn)呈現(xiàn)周期性，這些聲信號以振動的形式通過塔架和樁基基礎輻射到水中。對于變速工況下的風機，振動響應隨葉輪轉(zhuǎn)速而變化，其產(chǎn)生的水下噪聲線譜頻率也隨葉輪轉(zhuǎn)速發(fā)生相應的變化。([2]PangercT,Theobald P D,Wang L S,et al.Measurement and characterisation of radiatedunderwater sound from a 3.6 MW monopile wind turbine[J].Journal of theAcoustical Society of America,2016,140(4):2913.)因此，可以通過海上風機營運期水下噪聲線譜頻率來反演葉輪轉(zhuǎn)速變化。然而，海洋背景噪聲復雜，風浪噪聲、潮流噪聲和遠處的船舶噪聲均較大，營運期水下聲信號往往被海洋背景噪聲所掩蓋，線譜頻率不明顯。([3]Yang Chun-Mei,Liu Zong-Wei,LüLian-Gang,Yang Guang-Bing,Huang Long-Fei,Jiang Ying.Observation and comparison of tower vibration and underwater noisefrom offshore operational wind turbines in the East China Sea Bridge ofShanghai.[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2018,144(6).)