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CWPE2018:中国电力科学研究院有限公司高级工程师付德义——《海上风电机组载荷情况研究》

2018-11-14 来源:东方风力发电网 浏览数:2178

2018年11月14日上午,由中国电器工业协会风力发电电器设备分会、中国电工技术学会风力发电技术专业委员会、东方风力发电网主办,江苏中车电机有限公司承办的第三届中国海上风电大会暨风电电气装备高峰论坛在北京四川五粮液龙爪树宾馆隆重开幕。中国电力科学研究院有限公司高级工程师付德义在嘉宾演讲环节发表了题为《海上风电机组载荷情况研究》的演讲。

   2018年11月14日上午,由中国电器工业协会风力发电电器设备分会、中国电工技术学会风力发电技术专业委员会、东方风力发电网主办,江苏中车电机有限公司承办的第三届中国海上风电大会暨风电电气装备高峰论坛在北京四川五粮液龙爪树宾馆隆重开幕。


 
  中国电力科学研究院有限公司高级工程师付德义在嘉宾演讲环节发表了题为《海上风电机组载荷情况研究》的演讲:
 
  给大家分享一下关于海上风电机组载荷测试的一个相关技术。大概分以下几点:
 
  一、海上风电机组载荷测试概述;
 
  载荷测试的标准,因为我本人也是在IEC这个标准租里面从事标准执行工作,IEC标准做载荷测试的标准是2001年6月份的版本,经历了大概14年以后这个标准的更新是2015年的12月份发布,但是这个标准里面对于我们海上风电机组载荷到底应该怎么去测,事实上描述的非常少,只是有一个附录两页。海上风电机组载荷这一块做了一个大概的比较,新旧标准这一块测试的项目有哪些区别,新标准可能要求比较多一点,因为可能考虑到海上风电机组它的结构尺寸更大,海况条件更复杂,这时候考虑的测量点不一样,包括塔筒中部的弯矩、扭矩都要测量。
 
  然后讲一下我们传统的陆上风电机组包括现在海上风电机组我们要测的参数,主要几块:一是气象部分,二是部分,三是载荷,四是其他。气象主要关注风速风向温度气压,电气关注有功、无功、桨角、偏航、叶轮。载荷包括叶根、塔筒,其他就是一些并网、故障、状态、刹车等等。但是新标准里面关于测试参数描述这一块并没有单独说我海上机组应该怎么办,新标准并没有量化浪、流对于载荷的影响,载荷关系到机组的安全,载荷不够的话机组的安全就值得考虑了,包括大型海上风电机组风特性的精准捕获,什么意思?就是现在海上风电机组叶片之境风流扫流面越来越大,扫流面内气流条件都不一样,都会有变化。
 
  关于测试的工况,我们在做载荷测试的时候有哪些工况需要做,有两个部分:瞬态、稳态,瞬态就是维持在某一个现状上,瞬态就是正常启机、停机、超速停机等等。
 
  关于海上风电机组它其实跟陆上的区别在哪儿,我个人觉得区别可能有以下几点:一是风浪流耦合作用,因为我们测过的大概是171,接下来应该有180左右,海上跟陆上不一样就是它不光受风载,同时还受到浪以及流的影响,上午张老师也讲过了,事实上海上的机组我们需要考虑的点跟陆上的区别还是比较大的。而且对于海上机组还有一点要考虑它的基础,不管是单桩也好,多桩也好,导管架等等所有基础形式,基础形式不同载荷特性也是不一样的,海上风电机组应该特别关注就是大结构尺寸下的风特性,再就是动力学特性,以及不同形式的基础的载荷特性,这个非常关键。再就是波浪以及流的特性。


 
  二、运行环境参数测试;
 
  有几块,首先给大家画一个示意就是针对陆上机组,陆上机组环境这块可能仅仅考虑的是风,风大小,风切片。但是海上需要考虑的更多,需要考虑风、浪以及流,因为不管是浪也好,流也好,事实上都有力学的响应在里面。简单做了一个比较,海上机组陆上机组到底有什么区别,需要考虑什么。从载荷测试角度来讲我们有哪些区别。
 
  然后大家看一张图,左边这个是我们海上机组比如风切片、风转向,风切片就是机组在整个扫流面积内的风是不一样的,因为风切片的存在,随高度的变化、风速的变化。再一个就是我们在不同的高度风向也是不一样的,意味着什么?意味着叶片受力的方向也就不一样了,这个时候也就是说我们在海上机组由于风切片和风转向的存在,这个时候它的受力情况将会比较复杂。
 
  这个是我们一个实测的案例,就是我们在如东测的一个案例,大容量海上风电机组整个扫掠面内风特性的差异,主要表现为风矢量特性的变化,即风切便和风转向。项目实测海上风切变特征值范围约为0.1-0.3,风转向范围约为负20到正20。然后为了去精准测量,整个风流扫掠面里面风的情况,因为以前陆上就安装测风塔测量风速,海上机组虽然风流扫掠面积越来越大,如果单点风速测风显然不可以,我们这个地方用了一个雷达阵列,用了两台雷达,一台是在机舱顶部水平向前的前向雷达测风仪,还有一台是地面雷达,这种雷达是我们斜向向斜前方打的激光雷达,不是竖直往上打的。这个相当于整个扫掠面内,风电机组来的风向到轮毂这一段风的情况都可以做一个比较精准的捕获,就是在项目现场的实际案例。
 
  接下来这个我们用的是机舱的雷达在上面,以及底下是地面的雷达测风仪,上面这个雷达我们可以测机舱前向40-200米范围内风速的情况,底下这个雷达也是,不过是斜向上的扫描的雷达,是基于这两款来做大容量的海上风电机组叶轮扫叶面的风速情况,去捕获它的一些信息。
 
  接下来给大家分享一张图,我们用机舱雷达做到什么情况,就是我们在机舱的前向,因为我们测了不同的距离风电机组轮毂这一块,前向比如200米,是按照不同的距离,比如40、50、60、70一直到200多,这个范围内的风速都有我们可以测量。这个时候看这张云图有一个比较清晰的认识,就是这个风呈现一种压缩的特性,可能在不同的现场可能有不同的结论,但是我们在如东这个地方看到的现场是这个效果,就是风从来的方向吹过来以后,它的风是先加速后减速,这个可以这么去理解,就是我的风吹过来之后是呈压缩的态势。比如现在风从叶轮前方吹过来,如果叶片转速够快的话可以认为这个叶片是刚性的叶面,测量的结果大概前面一部分是加速的过程,后面一部分是减速的过程,至于为什么我们后面会做更多的研究。加速的话大概风值的出现大概是一倍的风轮直径,这个可能跟转速包括风的情况有关系,加速的比例大概是1.01-1.03,减速是0.95-0.99。
 
  接下来介绍海上机组不光关注风还得关注浪以及流,浪怎么考虑?浪我们在现场用了一个漂浮式的浮标,我们考虑的点可能就是说它的典型波高以及谱型参数。这是我们在现场做得一个结果,浮标左下角是项目现场的一个图案,浮标是一个内置的3D磁通量罗经传感器和加速度计,通过这个算法算波高以及波向,波高波向具体来讲是受到天体运动等影响,上午气候中心的张老师可能更加专业一些,他对载荷的影响我们主要提取它的特征量,一是典型波高是什么,二是谱峰周期是多少,三是典型波向是多少。右下角是一周左右的数据,这时候发现最大波高大概是4.5米左右,这是实际测得的结果。另外关注剖面的流速,就是海流的流速,因为事实上基础受海流冲刷,这个时候流的特性我们也必须要去关注,我们用了一个剖面流速仪,是一种基于深学多普勒原理的一个仪器装备,测量距离断面不同截面的流的流速和流向,主要原理就是通过发射一个频率返回一个频率,测频率的偏差。
 
  这个是我们在现场安装的一个情况,海上风电机组在不同水深位置处的海流特性不尽相同。海流特性主要表现为海底不同水甚位置处的海流和流向。
 
  三、载荷分布测试;
 
  海上机组比陆上机组结构尺寸更大,叶片现在要171包括180,大叶片长叶片的特性是什么样的,包括塔筒,现在针对海上机组我们作为第三方测试机构认为塔筒的载荷分布也是必须要考虑的,这个时候我们做了一个载荷分布的测试,我们做了一个示意图,是在叶片以及塔筒以及基础的不同截面都分别粘贴了测应力的叶面片,搭桥测应力,这个背后的故事比较多,因为事实上海上作业工程,量和难度比较大,包括在基础里面贴叶面,这是我们安装前的时候就要做的事情,这个时候肯定在这个项目做好之后就做的策划。然后我们在距离叶根不同的距离测了面内面外的弯矩。
 
  然后给大家分享一个结果,我们实测的数据结果。左边这个是叶片摆振弯矩,下面是疲劳情况,等效载荷。右面是挥舞的情况,在不同的截面距离叶根比如0米,这边应该是不同的距离测的,最远大概是20米左右,20米其实如果你到现场的话可能20米根本就到不了。
 
  关于塔筒我们也是做了不同的截面,我们从上到下布了很多截面,数据并没有取特别多,因为有的数据有一些损害,我们去了一些数据。左边是前后方向的受力,右边是左右方向的受力。我们做的单桩的基础,打到海床距离大概七八十米,我们测的距离可能就十几米,我们可以看到在距离塔底这个平面不同位置的距离弯矩是呈线性增加的关系,因为我们并没有测泥水线的弯矩,我们做了拟合仿真,拟合计算,在不同的截面这个弯矩的线性关系非常好,由此可以推断泥水线的位置载荷到底有多大,这个对于将来风电机组施工设计方方面面都有参考意义,因为以前陆上的时候可能这个并没有太多的考虑,但是在海上不同的地质条件,不同的海床条件都需要我们考虑。
 
  四、载荷测试与仿真分析;
 
  我们想分析一下关于浪,这个浪到底对于我们机组载荷有多大的影响,我们做了一个仿真,我们仿真的时候做了一些因为风浪留的载荷并不是单纯的叠加,而是强耦合的,如果我们仅仅通过测试的手段它是耦合的,测试结果就是耦合完以后的结果,如果单独想知道浪对载荷有多大影响,流对我载荷有多大的贡献,这个时候我们最终选择就是用仿真的手段做一个模拟。
 
  首先给大家看一个结果就是关于叶片,叶片的摆振,就是旋转方向,摆振方向的弯矩我们做了仿真分析,通过塔筒以及传动链传递至叶片的过程中,能量逐步释放。使得波浪对于海上风电机组叶片摆振与挥舞方向弯矩极限载荷影响较小。会发现含浪不含浪情况下,载荷的统计值基本是重合,变化不大,右边是柱状图也可以看到基本上持平,但是对于塔筒来讲这个影响就不容小觑了,因为波浪载荷是直接作用在风电机组基础上,影响比较大,是不可以忽略的。
 
  对于疲劳这块我们也做了分析,浪对于疲劳贡献是多少,大概仿真了一下就是在给定的波浪特定条件下,波浪对于海上风电机组叶片摆振方向弯矩疲劳载荷影响较小。搞风电机组设计的同事可能比较熟悉,这张图表示的是机组疲劳情况,机组能不能运行20年这个是需要考虑的,这张图可以跟设计比对就能够分析出来。
 
  另外一个是关于浪对于塔筒的疲劳影响有多大,这个影响确实比较大,就是说有浪和没有浪的情况下,在给定条件下对于塔筒的疲劳影响比较大,但是一般情况下大概是5%左右,但是这个因为我们给的工况比较极端,数据我们算了一下大概是8%。
 
  五、海上风电机组载荷测试思考。
 
  因为我们做载荷测试这一块,就想有几点思考给大家做一个简单的汇报。一是海上风电机组叶片结构尺寸较大。超长柔性大变形叶片的气动、结构、气弹及载荷性较陆上风电机组有较大的区别,如何精准测量。二是风浪流存在强耦合作用,机组自身载荷来源复杂,如何运用测试手段精准解耦各耦合参量之间的关系。三是基础形式各异,尤其是漂浮式基础的研发与应用。如何运用新的测试技术与手段,实现基础载荷特性的测量。以上就是我的汇报,谢谢大家!
 
  (发言整理自现场速记,未经本人审核)

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