一种海上风电机组塔筒的安全状态评估方法、系统、设备及介质与流程

本发明属于海上风电机组结构监测，具体地说，特别涉及一种海上风电机组塔筒的安全状态评估方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、海上风电机组是利用海域风能发电的装置，它可以有效地开发利用海洋风能资源，被认为是绿色可再生能源的重要来源之一。海上风电机组的结构主要由风轮、发电机、塔筒等部分组成，其中塔筒起到支撑整个风电机组的关键作用。

2、目前，海上风电机组塔筒主要采用钢质材料制作的中空截面结构。这种结构相比实心截面结构有明显的轻量化优势，可以减少钢材用量，降低制作成本。中空薄壁的设计也有利于海上运输和现场吊装安装。钢质材料具有足够的强度和刚度，能够承受风轮和海上风荷载的长期载荷作用。但是，长期处于复杂多变的海洋环境中，塔筒结构也会面临许多威胁其安全的因素。例如，海水中的盐分会腐蚀塔筒，降低其抗腐蚀性能；台风等极端风浪作用下，会产生超过设计载荷的风荷载和水动力，对塔筒结构产生激烈撞击；组装和运输过程中的应力释放也可能导致局部损伤或裂纹。现有技术中很难对这些威胁进行监测与预警。一旦塔筒结构损伤严重，极易导致风轮破损脱落，造成巨大的经济损失乃至严重的人员伤亡事故。

3、为实现对海上风电机组塔筒结构的安全状态进行实时监测与评估，需要研发一种新的检测与分析技术。这种技术应能够安装简便，通过检测塔筒的振动、倾斜等参数，判断结构是否损伤以及损伤程度和位置，实现对结构安全状态的实时监测和预警，保证海上风电机组的安全可靠运行。这是当前亟待解决的技术难题与发展方向。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种海上风电机组塔筒的安全状态评估方法、系统、设备及介质，该方法通过分析塔筒的动态特性参数与初始状态的差异，来判断塔筒结构是否发生损伤以及损伤的程度、位置和形式，从而实现对海上风电机组塔筒结构安全状态的实时监测和预警。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、本发明提供的一种海上风电机组塔筒的安全状态评估方法，包括以下步骤：

4、步骤1，获取塔筒的初始刚度状态信息和初始振动特性信息；

5、步骤2，计算塔筒的动态刚度圆的参数和振动特性信息；

6、步骤3，根据初始刚度状态信息和初始振动特性信息，以及动态刚度圆的参数和振动特性信息，评估待测塔筒的安全状态。

7、优选地，步骤1中，获取塔筒的初始刚度状态信息和初始振动特性信息，具体方法是：

8、将塔筒沿轴向划分为若干个等长的单元，获取每个单元对应的历史数据，所述历史数据包括刚度矩阵、位移向量和荷载向量；

9、将得到的刚度矩阵、位移向量和荷载向量利用有限元建模方法进行组装，得到塔筒的总刚度矩阵理论值、总位移向量理论值和总荷载向量理论值；

10、根据得到的总刚度矩阵理论值和总荷载向量理论值计算得到总位移向量计算值；

11、利用总位移向量计算值对总位移向量理论值进行修正，得到塔筒总位移向量修正值；

12、通过塔筒的总位移向量修正值，得到塔筒的倾斜角度和水平位移，从而得到塔筒的静态刚度圆的参数；

13、通过对塔筒的总刚度矩阵理论值和总质量矩阵理论值进行模态分析，得到塔筒的阻尼、频率和模态，从而得到塔筒的振动特性信息。

14、优选地，步骤2中，计算塔筒的动态刚度圆的参数和振动特性信息，具体方法是：

15、实时采集塔筒的倾斜角度、水平位移和振动信号；

16、根据得到的倾斜角度、水平位移和振动信号计算塔筒的动态刚度圆参数和塔筒的阻尼、频率和模态。

17、优选地，步骤3中，根据初始刚度状态信息和初始振动特性信息，以及动态刚度圆的参数和振动特性信息，判断待测塔筒的安全状态，具体方法是：

18、分别计算塔筒的刚度变化率、位移变化率、倾斜变化率、阻尼比变化率、频率变化率和模态变化率；

19、若刚度变化率、位移变化率、倾斜变化率、阻尼比变化率、频率变化率和模态变化率均为零，则塔筒的安全状态正常；

20、若刚度变化率、位移变化率、倾斜变化率、阻尼比变化率、频率变化率和模态变化率中任何一个不为零，则塔筒的安全状态异常。

21、优选地，当塔筒的刚度异常，且塔筒的动态刚度圆的圆心在静态刚度圆的圆心的上方，则塔筒的上部异常，反之，则为塔筒的下部异常；

22、当塔筒的刚度异常，且塔筒的动态刚度圆的圆心在静态刚度圆的圆心的左侧，则塔筒的左侧异常，反之则为塔筒的右侧异常；

23、当塔筒的刚度异常，且塔筒的动态刚度圆的半径小于静态刚度圆的半径，则塔筒的刚度降低；

24、当塔筒的刚度异常，且塔筒的动态刚度圆的半径大于静态刚度圆的半径，则塔筒的刚度增加。

25、优选地，当塔筒的振动特性异常，且塔筒的频率小于初始值，则塔筒的刚度降低；

26、当塔筒的振动特性异常，且塔筒的阻尼比大于初始值，则塔筒的能量损耗增加；

27、当塔筒的振动特性异常，且塔筒的模态角发生变化，则塔筒的振型发生变化。

28、优选地，分别计算塔筒的刚度变化率、位移变化率、倾斜变化率、阻尼比变化率、频率变化率和模态变化率，具体方法是：

29、塔筒的刚度变化率δk为：δk＝1-r

30、其中，r为塔筒的动态刚度圆的半径与静态刚度圆的半径的比值；

31、筒的位移变化率δx为：

32、其中，d为塔筒的动态刚度圆的圆心与静态刚度圆的圆心的距离；

33、塔筒的倾斜变化率δθ为：

34、其中，n为塔筒的动态刚度圆和静态刚度圆的交点的个数；

35、塔筒的阻尼比变化率δζ为：δζ＝z-1

36、其中，z为塔筒的动态阻尼比与初始阻尼比的比值；

37、筒的频率变化率δf为：δf＝1-f

38、其中，f为塔筒的动态频率与初始频率的比值；

39、塔筒的模态变化率为塔筒的动态模态角与初始模态角的差值。

40、一种海上风电机组塔筒安全状态评估系统，包括：

41、初始信息获取单元，用于获取塔筒的初始刚度状态信息和初始振动特性信息；

42、信息计算单元，用于计算塔筒的动态刚度圆的参数和振动特性信息；

43、状态评估单元，用于根据初始刚度状态信息和初始振动特性信息，以及动态刚度圆的参数和振动特性信息，评估待测塔筒的安全状态。

44、一种处理设备，所述处理设备至少包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现所述方法的步骤。

45、一种计算机存储介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现根据所述方法的步骤。

46、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

47、本发明提供的一种海上风电机组塔筒安全状态评估方法，能够实现对海上风电机组塔筒的实时监测，能够及时发现塔筒的安全隐患，对可能出现的结构损伤进行预警；通过比较动态参数和静态参数的差异，可以判断出塔筒损伤或变形的存在与程度，进行定量评估。

48、综上所述，本发明降低了海上风电机组的运行风险，提高了系统的安全稳定性，延长了使用寿命。