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JK鉴字[2016]第2079号 海上风电机组基础设计载荷仿真

一、成果信息
【完成单位】 中广核
【简要技术说明】 1. 更准确的载荷仿真输入数据选取;
对于海上风力发电机组的基础设计载荷,由于底部支撑结构相对于陆上机组来说要复杂很多,不同的基础设计形式、地质土壤条件、海洋水况条件都会对基础设计载荷值产生很大的影响,而往往在这些输入条件中,钢结构桩基础阻尼、土壤阻尼、水动力阻尼由于目前缺少测试数据支持,在基础设计载荷仿真中有着较大的不确定性,我们通过对于不同桩基础形式,研究发现阻尼对于基础疲劳载荷有着非常大的影响,一般基础阻尼越小,疲劳载荷越大,基础设计所需的重量就越重,反之则相反,由此可见,基础阻尼值的准确性对于基础设计的经济性非常重要,而我们往往忽视,在中广核如东150MW海上风电场示范项目中我们得到了进一步的验证和运用。一项好的海上风力发电机组的基础设计,离不开准确的环境条件输入与可靠的载荷仿真计算。
对于中广核如东单桩项目,对于整个底部支撑结构阻尼的选取(包含钢结构桩基础阻尼、土壤阻尼与水动力阻尼)分别仿真风力发电机组的基础设计载荷,得到的结果有很大的区别。如第一次载荷仿真中选取的阻尼比数值不合理,得到的结果偏大,对于基础的设计带来了相应的困难,经过数据的合理性分析,得到了第二次计算的准确合理的阻尼比,基础设计载荷得到了优化,结果对比如表1所示:
 
表1  不同阻尼比对于基础设计载荷影响

阻尼比 极限载荷(kNm) 疲劳载荷(kNm)
塔底前后弯矩 塔底左右弯矩 塔底前后弯矩 塔底左右弯矩
第二次/第一次
比值
99.55% 91.82% 77.10% 79.88%
由基础设计载荷的对比结果可以看出,合理正确的取值,对于基础载荷的影响,尤其是对于疲劳载荷的影响非常之大。得到准确的数值,可以优化基础的设计结构,降低制造成本。
2. 更详细海上风况、海况条件的考虑;
海上风机的载荷仿真相对于陆上风机的载荷仿真,不止需要考虑风况条件对于机组运行的影响,还需要考虑到海况条件对于机组运行的影响,比如,波浪、洋流、潮汐等水动力的影响。其中,波浪的大小与周期尤其对于海上风机的基础设计载荷有着相当大的影响。而往往在之前的载荷仿真中,认为波浪是由于风所产生的,波浪的方向与风的方向认为是相同的方向,在IEC61400-3 海上风力发电机组设计要求中,在正常运行工况,也只规定了风与浪同向的仿真,但是经过我们的研究发现,当风与浪不同向的情况下,对于海上机组基础载荷有着相当大的影响,风与浪不同向对于基础载荷影响的不容忽视,在中广核如东150MW海上风电场示范项目中我们得到了进一步的验证和运用。
为了研究风波夹角对机组载荷的影响,工况表根据IEC61400-3-2009规范对疲劳工况的规定,额外的考虑了风波夹角=0°\30°\60°\90°120°\150°的情况。通过载荷仿真,发现风波夹角对于基础载荷弯矩的影响如下:
1) 风波分布对于基础载荷左右弯矩My的影响很大,当风波夹角为90゜时,左右弯矩My最大,当风波夹角向0゜或180゜变化时左右弯矩My逐渐减小;
2) 风波分布对于基础载荷前后弯矩Mz的影响很小,差异不明显;
3) 分析风波分布对基础载荷左右弯矩My和前后弯矩Mz影响差异的原因,主要在于前后弯矩Mz主要由风载引起,风载对波浪引起的载荷来说相当于提供了很大的气动阻尼,当波浪由不同方向作用与基础时,引起的前后方向弯矩相对变化不大。但是当风波不同向时,以风波夹角90゜为例,对于波浪载荷来说,相当于去掉了风载引起的气动阻尼,这样波浪载荷的作用就得到了充分体现,导致左右弯矩My明显变大。
 
对比了考虑风波夹角以及不考虑风波夹角(风波同向)两种情况下,塔架与基础连接面和海床两个位置的等效疲劳载荷。其中,MUL风波不同向:DLC12风波夹角为0゜\30゜\60゜\90゜\120゜\150,UNI风波同向:DLC12风波夹角为0゜,左右弯矩为Mx,前后弯矩为My。
(1) 塔架与基础连接面处等效疲劳载荷对比;
1. 对比结果
 
(2) 海床处等效疲劳载荷对比
2. 对比结果
 
通过以上分析,对于塔架和基础设计起主要作用的左右弯矩Mx和前后弯矩My,风波夹角对左右弯矩Mx的影响是巨大的,直接决定了设计载荷的大小,对前后弯矩My的影响相对很小。
综上所述,风波夹角对机组时序载荷和等效疲劳载荷的影响,风波分布对机组塔架和基础的设计载荷影响巨大,在进行机组载荷设计时,需根据实测厂址数据充分考虑风波夹角分布。
3. 使用更符合长叶片、大风轮的载荷仿真软件BHawC
相较于小风轮风力发电机组,大风轮风力发电机组的叶片刚度较低,在运行过程中叶片的变形更为显著。叶片的大变形除了对叶片自身的结构设计带来挑战之外,还将改变风力发电机组运行状态下的叶片截面入流攻角。随着叶片截面入流攻角的增大,叶片载荷增大,叶片变形加剧,直至叶片进入失速区。因此,在对大风轮风力发电机组进行叶片设计时应充分考虑气弹耦合效应,进行相关的钝尾缘翼型、气动附件等叶片气动专项设计以及后掠、预弯等叶片结构专项设计。基于以上,大风轮风力发电机组叶片动力学响应特性的非线性凸显,需要进行准确建模以确保设计的可靠性。此外,从整个风电行业的现场运行情况来看,风力发电机组偏航失控现象已经越来越频繁,在偏航误差较大的情况下尤为突出。究其原因主要是现阶段风力发电机组随着设计精益化,各个部件的设计裕量已经越来越小了,而传统的一些理论假设导致了设计载荷不能被准确的评估。
BHawC支持叶片多刚体动力学建模。传统的风力发电机组载荷计算软件一般采用单刚体叶片模态叠加法进行建模,其分析的前提是叶片变形较小(线性假设),变形与载荷在相同方向上。但对于大叶轮风力发电机组由于其叶片结构的复杂性以及叶片尖部的大变形量,若仍采用单个刚体来描述整体叶片已经不能很好的反映实际运行中的叶片响应情况了,甚至还将引起仿真结果发散。多刚体建模是将叶片划分成多段刚体,每段刚体满足小变形假设,并将下段刚体的变形叠加到上段刚体中。这样既满足了模态叠加分析假设又反映了整个叶片的大变形特性,以获得准确的叶片动力学响应特性与载荷水平,从而提高设计可靠性。
BHawC采用先进的空气动力学模型。传统的风力发电机组载荷计算软件一般采用标量方程来描述空气动力学方程的各个部分,然后进行叠加修正后得到计算结果。BHawC则采用矢量的方式来统一描述空气动力学方程,这样就可以将锥角、仰角等的影响在求解时一并考虑,不需要进行额外的叠加修正。通过实际项目验证表明,矢量空气动力学方程的优势在于求解过程更加稳定、收敛性好且计算结果精度更高。此外,相较于传统的风力发电机组载荷计算软件,BHawC采用更为先进Φye动态尾流模型并进行了Glauert斜尾流修正。通过实际项目验证表明,当风力发电机组偏航误差超过10度时,BHawC偏航载荷的计算结果要比传统载荷计算软件(Pitt & Peters动态尾流模型,不考虑斜尾流修正)计算结果大。这也说明了传统载荷计算软件在风力发电机组大偏航情况的容易得到被低估的偏航载荷,以至于实际运行风力发电机组若无足够的设计裕量则存在偏航失控的风险。
鉴于大风轮风力发电机组叶片复杂的气弹耦合响应特点以及实际风电场的运行情况分析,相比于其他的风力发电机组载荷计算软件,BHawC用于对大风轮风力发电机组进行精益设计与评估具备更强的可靠性。
中广核如东150MW海上风电场示范项目在海上机组载荷仿真中,细抓每一个细节,将基础载荷做到最准确、最合理、最安全与最优化,使得基础的设计最经济化。
【研究起止时间】 2014.03 至2015.3
【任务来源】 计划外
【应用行业】 电力
【国家投资合计(万元)】  
【主要技术文件及来源】 1、鉴定大纲
2、工作总结
3、技术研究报告
4、专利证书………………………中华人民共和国国家知识产权局
5、企业标准
6、科技查新报告…………………..中国科学院上海科技查新咨询中心
7、检测报告…………………………Det Norske Veritas检测中心
8、用户使用报告
9、经济和社会效益分析报告
10、其它有关文件
二、技术鉴定
【鉴定证书号】 JK鉴字[2016]第2079号
【鉴定形式】 会议
【组织鉴定单位】 中国机械工业联合会
【鉴定日期】 2016年11月15日
【鉴定批准日期】 2016年11月22日
【成果水平】  国内领先
【知识产权形式】  发明专利
【鉴定意见】 1.提供的技术资料及文件齐全,符合鉴定要求。
2. 该项目的主要创新点:
(1)针对特定地理、气象环境在载荷仿真中引入风向与波向夹角的因素,充分考虑波浪载荷对左右弯矩的影响,参数选择更加全面完整。
(2)考虑了基础阻尼对疲劳载荷的影响,采用了钢阻尼、辐射阻尼、粘性流体动力阻尼、土壤阻尼叠加的方法,使阻尼的计算更加准确。
(3)引入多刚体建模方法,更加细化了基础设计载荷仿真的具体内容,使仿真结果更加准确。
3. 经中电投滨海海上风力发电有限公司、响水长江风力发电有限公司使用,反映良好。
综上所述,鉴定委员会认为该成果具有自主知识产权,项目整体上达到国内领先水平,经济和社会效益显著,应用前景广阔,一致同意通过科技成果鉴定。
    建议:进一步扩大该技术成果的推广力度,满足市场需求。
 
鉴定委员会
委员会职务 姓名 工作单位 所学专业 现从事专业  
主任委员 杜广平 北京鉴衡认证中心 机械工程 风力发电 研究员/总工
副主任委员 张向阳 中科院软件中心 软 件 软 件 研究员/总工
副主任委员 阮昊宇 中国船级社实业公司 船舶结构 船舶结构 高工/副总
委   员 呼淑清 中国机械工业联合会 电 器 输变电 教 高
委   员 李临西 科技部火炬中心 材 料 科技管理 研究员
委   员 薛 杨 中国电力科学研究院 环境工程 风力发电 室副主任
委   员 张 宁 北京大学信息技术创新研究院 计算机 计算机软件 教授/副院长
委   员 蔡继峰 北京鉴衡认证中心 流体力学 风力发电 工程师
委   员 张宝印 中高会海洋分会 船 舶 科技管理 高工/副理事长
           
三、应用前景
【推广应用前景】 本项目的研究成果,可广泛应用与中国所有的海上风电机组的基础设计工作中去,使用了本项目的方法,可以准确的得到海上风电机组的基础在运行寿命周期内的疲劳载荷、可能遇到的极端载荷大小,为运行寿命周期内,基础的安全性提供了可靠的保障。同时,在仿真的过程中,考虑了各种环境及各种参数对于载荷的影响,使得基础的设计达到最优化的程度,带来了更好的经济效应。
在新的海上项目开展前,需要收集准确、可靠、完整的海文数据、土壤参数、波浪数据等关键影响载荷的数据,以便可以更准确、经济的得到基础设计载荷。
 
 
四、研发单位
【完成单位】 中广核
【单位通讯地址】  
【邮政编码】  
【单位属性】 企业
【隶属省部名称】 国资委

 
 
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