2018年11月14日上午，由中國電器工業(yè)協(xié)會風(fēng)力發(fā)電電器設(shè)備分會、中國電工技術(shù)學(xué)會風(fēng)力發(fā)電技術(shù)專業(yè)委員會、東方風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)主辦，江蘇中車電機(jī)有限公司承辦的第三屆中國海上風(fēng)電大會暨風(fēng)電電氣裝備高峰論壇在北京四川五糧液龍爪樹賓館隆重開幕。
中國電力科學(xué)研究院有限公司高級工程師付德義在嘉賓演講環(huán)節(jié)發(fā)表了題為《海上風(fēng)電機(jī)組載荷情況研究》的演講：
給大家分享一下關(guān)于海上風(fēng)電機(jī)組載荷測試的一個相關(guān)技術(shù)。大概分以下幾點(diǎn)：
一、海上風(fēng)電機(jī)組載荷測試概述；
載荷測試的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槲冶救艘彩窃贗EC這個標(biāo)準(zhǔn)租里面從事標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行工作，IEC標(biāo)準(zhǔn)做載荷測試的標(biāo)準(zhǔn)是2001年6月份的版本，經(jīng)歷了大概14年以后這個標(biāo)準(zhǔn)的更新是2015年的12月份發(fā)布，但是這個標(biāo)準(zhǔn)里面對于我們海上風(fēng)電機(jī)組載荷到底應(yīng)該怎么去測，事實(shí)上描述的非常少，只是有一個附錄兩頁。海上風(fēng)電機(jī)組載荷這一塊做了一個大概的比較，新舊標(biāo)準(zhǔn)這一塊測試的項目有哪些區(qū)別，新標(biāo)準(zhǔn)可能要求比較多一點(diǎn)，因?yàn)榭赡芸紤]到海上風(fēng)電機(jī)組它的結(jié)構(gòu)尺寸更大，海況條件更復(fù)雜，這時候考慮的測量點(diǎn)不一樣，包括塔筒中部的彎矩、扭矩都要測量。
然后講一下我們傳統(tǒng)的陸上風(fēng)電機(jī)組包括現(xiàn)在海上風(fēng)電機(jī)組我們要測的參數(shù)，主要幾塊：一是氣象部分，二是部分，三是載荷，四是其他。氣象主要關(guān)注風(fēng)速風(fēng)向溫度氣壓，電氣關(guān)注有功、無功、槳角、偏航、葉輪。載荷包括葉根、塔筒，其他就是一些并網(wǎng)、故障、狀態(tài)、剎車等等。但是新標(biāo)準(zhǔn)里面關(guān)于測試參數(shù)描述這一塊并沒有單獨(dú)說我海上機(jī)組應(yīng)該怎么辦，新標(biāo)準(zhǔn)并沒有量化浪、流對于載荷的影響，載荷關(guān)系到機(jī)組的安全，載荷不夠的話機(jī)組的安全就值得考慮了，包括大型海上風(fēng)電機(jī)組風(fēng)特性的精準(zhǔn)捕獲，什么意思？就是現(xiàn)在海上風(fēng)電機(jī)組葉片之境風(fēng)流掃流面越來越大，掃流面內(nèi)氣流條件都不一樣，都會有變化。
關(guān)于測試的工況，我們在做載荷測試的時候有哪些工況需要做，有兩個部分：瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)，瞬態(tài)就是維持在某一個現(xiàn)狀上，瞬態(tài)就是正常啟機(jī)、停機(jī)、超速停機(jī)等等。
關(guān)于海上風(fēng)電機(jī)組它其實(shí)跟陸上的區(qū)別在哪兒，我個人覺得區(qū)別可能有以下幾點(diǎn)：一是風(fēng)浪流耦合作用，因?yàn)槲覀儨y過的大概是171，接下來應(yīng)該有180左右，海上跟陸上不一樣就是它不光受風(fēng)載，同時還受到浪以及流的影響，上午張老師也講過了，事實(shí)上海上的機(jī)組我們需要考慮的點(diǎn)跟陸上的區(qū)別還是比較大的。而且對于海上機(jī)組還有一點(diǎn)要考慮它的基礎(chǔ)，不管是單樁也好，多樁也好，導(dǎo)管架等等所有基礎(chǔ)形式，基礎(chǔ)形式不同載荷特性也是不一樣的，海上風(fēng)電機(jī)組應(yīng)該特別關(guān)注就是大結(jié)構(gòu)尺寸下的風(fēng)特性，再就是動力學(xué)特性，以及不同形式的基礎(chǔ)的載荷特性，這個非常關(guān)鍵。再就是波浪以及流的特性。
二、運(yùn)行環(huán)境參數(shù)測試；
有幾塊，首先給大家畫一個示意就是針對陸上機(jī)組，陸上機(jī)組環(huán)境這塊可能僅僅考慮的是風(fēng)，風(fēng)大小，風(fēng)切片。但是海上需要考慮的更多，需要考慮風(fēng)、浪以及流，因?yàn)椴还苁抢艘埠?，流也好，事?shí)上都有力學(xué)的響應(yīng)在里面。簡單做了一個比較，海上機(jī)組陸上機(jī)組到底有什么區(qū)別，需要考慮什么。從載荷測試角度來講我們有哪些區(qū)別。
然后大家看一張圖，左邊這個是我們海上機(jī)組比如風(fēng)切片、風(fēng)轉(zhuǎn)向，風(fēng)切片就是機(jī)組在整個掃流面積內(nèi)的風(fēng)是不一樣的，因?yàn)轱L(fēng)切片的存在，隨高度的變化、風(fēng)速的變化。再一個就是我們在不同的高度風(fēng)向也是不一樣的，意味著什么？意味著葉片受力的方向也就不一樣了，這個時候也就是說我們在海上機(jī)組由于風(fēng)切片和風(fēng)轉(zhuǎn)向的存在，這個時候它的受力情況將會比較復(fù)雜。
這個是我們一個實(shí)測的案例，就是我們在如東測的一個案例，大容量海上風(fēng)電機(jī)組整個掃掠面內(nèi)風(fēng)特性的差異，主要表現(xiàn)為風(fēng)矢量特性的變化，即風(fēng)切便和風(fēng)轉(zhuǎn)向。項目實(shí)測海上風(fēng)切變特征值范圍約為0.1-0.3，風(fēng)轉(zhuǎn)向范圍約為負(fù)20到正20。然后為了去精準(zhǔn)測量，整個風(fēng)流掃掠面里面風(fēng)的情況，因?yàn)橐郧瓣懮暇桶惭b測風(fēng)塔測量風(fēng)速，海上機(jī)組雖然風(fēng)流掃掠面積越來越大，如果單點(diǎn)風(fēng)速測風(fēng)顯然不可以，我們這個地方用了一個雷達(dá)陣列，用了兩臺雷達(dá)，一臺是在機(jī)艙頂部水平向前的前向雷達(dá)測風(fēng)儀，還有一臺是地面雷達(dá)，這種雷達(dá)是我們斜向向斜前方打的激光雷達(dá)，不是豎直往上打的。這個相當(dāng)于整個掃掠面內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組來的風(fēng)向到輪轂這一段風(fēng)的情況都可以做一個比較精準(zhǔn)的捕獲，就是在項目現(xiàn)場的實(shí)際案例。
接下來這個我們用的是機(jī)艙的雷達(dá)在上面，以及底下是地面的雷達(dá)測風(fēng)儀，上面這個雷達(dá)我們可以測機(jī)艙前向40-200米范圍內(nèi)風(fēng)速的情況，底下這個雷達(dá)也是，不過是斜向上的掃描的雷達(dá)，是基于這兩款來做大容量的海上風(fēng)電機(jī)組葉輪掃葉面的風(fēng)速情況，去捕獲它的一些信息。
接下來給大家分享一張圖，我們用機(jī)艙雷達(dá)做到什么情況，就是我們在機(jī)艙的前向，因?yàn)槲覀儨y了不同的距離風(fēng)電機(jī)組輪轂這一塊，前向比如200米，是按照不同的距離，比如40、50、60、70一直到200多，這個范圍內(nèi)的風(fēng)速都有我們可以測量。這個時候看這張云圖有一個比較清晰的認(rèn)識，就是這個風(fēng)呈現(xiàn)一種壓縮的特性，可能在不同的現(xiàn)場可能有不同的結(jié)論，但是我們在如東這個地方看到的現(xiàn)場是這個效果，就是風(fēng)從來的方向吹過來以后，它的風(fēng)是先加速后減速，這個可以這么去理解，就是我的風(fēng)吹過來之后是呈壓縮的態(tài)勢。比如現(xiàn)在風(fēng)從葉輪前方吹過來，如果葉片轉(zhuǎn)速夠快的話可以認(rèn)為這個葉片是剛性的葉面，測量的結(jié)果大概前面一部分是加速的過程，后面一部分是減速的過程，至于為什么我們后面會做更多的研究。加速的話大概風(fēng)值的出現(xiàn)大概是一倍的風(fēng)輪直徑，這個可能跟轉(zhuǎn)速包括風(fēng)的情況有關(guān)系，加速的比例大概是1.01-1.03，減速是0.95-0.99。
接下來介紹海上機(jī)組不光關(guān)注風(fēng)還得關(guān)注浪以及流，浪怎么考慮？浪我們在現(xiàn)場用了一個漂浮式的浮標(biāo)，我們考慮的點(diǎn)可能就是說它的典型波高以及譜型參數(shù)。這是我們在現(xiàn)場做得一個結(jié)果，浮標(biāo)左下角是項目現(xiàn)場的一個圖案，浮標(biāo)是一個內(nèi)置的3D磁通量羅經(jīng)傳感器和加速度計，通過這個算法算波高以及波向，波高波向具體來講是受到天體運(yùn)動等影響，上午氣候中心的張老師可能更加專業(yè)一些，他對載荷的影響我們主要提取它的特征量，一是典型波高是什么，二是譜峰周期是多少，三是典型波向是多少。右下角是一周左右的數(shù)據(jù)，這時候發(fā)現(xiàn)最大波高大概是4.5米左右，這是實(shí)際測得的結(jié)果。另外關(guān)注剖面的流速，就是海流的流速，因?yàn)槭聦?shí)上基礎(chǔ)受海流沖刷，這個時候流的特性我們也必須要去關(guān)注，我們用了一個剖面流速儀，是一種基于深學(xué)多普勒原理的一個儀器裝備，測量距離斷面不同截面的流的流速和流向，主要原理就是通過發(fā)射一個頻率返回一個頻率，測頻率的偏差。
這個是我們在現(xiàn)場安裝的一個情況，海上風(fēng)電機(jī)組在不同水深位置處的海流特性不盡相同。海流特性主要表現(xiàn)為海底不同水甚位置處的海流和流向。
三、載荷分布測試；
海上機(jī)組比陸上機(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸更大，葉片現(xiàn)在要171包括180，大葉片長葉片的特性是什么樣的，包括塔筒，現(xiàn)在針對海上機(jī)組我們作為第三方測試機(jī)構(gòu)認(rèn)為塔筒的載荷分布也是必須要考慮的，這個時候我們做了一個載荷分布的測試，我們做了一個示意圖，是在葉片以及塔筒以及基礎(chǔ)的不同截面都分別粘貼了測應(yīng)力的葉面片，搭橋測應(yīng)力，這個背后的故事比較多，因?yàn)槭聦?shí)上海上作業(yè)工程，量和難度比較大，包括在基礎(chǔ)里面貼葉面，這是我們安裝前的時候就要做的事情，這個時候肯定在這個項目做好之后就做的策劃。然后我們在距離葉根不同的距離測了面內(nèi)面外的彎矩。
然后給大家分享一個結(jié)果，我們實(shí)測的數(shù)據(jù)結(jié)果。左邊這個是葉片擺振彎矩，下面是疲勞情況，等效載荷。右面是揮舞的情況，在不同的截面距離葉根比如0米，這邊應(yīng)該是不同的距離測的，最遠(yuǎn)大概是20米左右，20米其實(shí)如果你到現(xiàn)場的話可能20米根本就到不了。
關(guān)于塔筒我們也是做了不同的截面，我們從上到下布了很多截面，數(shù)據(jù)并沒有取特別多，因?yàn)橛械臄?shù)據(jù)有一些損害，我們?nèi)チ艘恍?shù)據(jù)。左邊是前后方向的受力，右邊是左右方向的受力。我們做的單樁的基礎(chǔ)，打到海床距離大概七八十米，我們測的距離可能就十幾米，我們可以看到在距離塔底這個平面不同位置的距離彎矩是呈線性增加的關(guān)系，因?yàn)槲覀儾]有測泥水線的彎矩，我們做了擬合仿真，擬合計算，在不同的截面這個彎矩的線性關(guān)系非常好，由此可以推斷泥水線的位置載荷到底有多大，這個對于將來風(fēng)電機(jī)組施工設(shè)計方方面面都有參考意義，因?yàn)橐郧瓣懮系臅r候可能這個并沒有太多的考慮，但是在海上不同的地質(zhì)條件，不同的海床條件都需要我們考慮。
四、載荷測試與仿真分析；
我們想分析一下關(guān)于浪，這個浪到底對于我們機(jī)組載荷有多大的影響，我們做了一個仿真，我們仿真的時候做了一些因?yàn)轱L(fēng)浪留的載荷并不是單純的疊加，而是強(qiáng)耦合的，如果我們僅僅通過測試的手段它是耦合的，測試結(jié)果就是耦合完以后的結(jié)果，如果單獨(dú)想知道浪對載荷有多大影響，流對我載荷有多大的貢獻(xiàn)，這個時候我們最終選擇就是用仿真的手段做一個模擬。
首先給大家看一個結(jié)果就是關(guān)于葉片，葉片的擺振，就是旋轉(zhuǎn)方向，擺振方向的彎矩我們做了仿真分析，通過塔筒以及傳動鏈傳遞至葉片的過程中，能量逐步釋放。使得波浪對于海上風(fēng)電機(jī)組葉片擺振與揮舞方向彎矩極限載荷影響較小。會發(fā)現(xiàn)含浪不含浪情況下，載荷的統(tǒng)計值基本是重合，變化不大，右邊是柱狀圖也可以看到基本上持平，但是對于塔筒來講這個影響就不容小覷了，因?yàn)椴ɡ溯d荷是直接作用在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)上，影響比較大，是不可以忽略的。
對于疲勞這塊我們也做了分析，浪對于疲勞貢獻(xiàn)是多少，大概仿真了一下就是在給定的波浪特定條件下，波浪對于海上風(fēng)電機(jī)組葉片擺振方向彎矩疲勞載荷影響較小。搞風(fēng)電機(jī)組設(shè)計的同事可能比較熟悉，這張圖表示的是機(jī)組疲勞情況，機(jī)組能不能運(yùn)行20年這個是需要考慮的，這張圖可以跟設(shè)計比對就能夠分析出來。
另外一個是關(guān)于浪對于塔筒的疲勞影響有多大，這個影響確實(shí)比較大，就是說有浪和沒有浪的情況下，在給定條件下對于塔筒的疲勞影響比較大，但是一般情況下大概是5%左右，但是這個因?yàn)槲覀兘o的工況比較極端，數(shù)據(jù)我們算了一下大概是8%。
五、海上風(fēng)電機(jī)組載荷測試思考。
因?yàn)槲覀冏鲚d荷測試這一塊，就想有幾點(diǎn)思考給大家做一個簡單的匯報。一是海上風(fēng)電機(jī)組葉片結(jié)構(gòu)尺寸較大。超長柔性大變形葉片的氣動、結(jié)構(gòu)、氣彈及載荷性較陸上風(fēng)電機(jī)組有較大的區(qū)別，如何精準(zhǔn)測量。二是風(fēng)浪流存在強(qiáng)耦合作用，機(jī)組自身載荷來源復(fù)雜，如何運(yùn)用測試手段精準(zhǔn)解耦各耦合參量之間的關(guān)系。三是基礎(chǔ)形式各異，尤其是漂浮式基礎(chǔ)的研發(fā)與應(yīng)用。如何運(yùn)用新的測試技術(shù)與手段，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)載荷特性的測量。以上就是我的匯報，謝謝大家！
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