【格林大家談】第12期 "湍流"那些事兒

　　在風電業(yè)內(nèi)，湍流是個神奇的概念，經(jīng)常出現(xiàn)在諸如風機齒輪箱損壞，葉片開裂，基礎(chǔ)開縫，發(fā)電量不達標的分析報告中。可這個神乎其神的湍流到底是什么呢？
　　百科中的標準答案解釋，湍流又稱紊流，指的是流體的非均勻流動。
　　湍流的復雜，使得它幾乎不可能用任何數(shù)學方法準確描述，在過去的一個世紀里，科學家們先后發(fā)明了渦粘性和混合長度理論、能量級串理論、流動穩(wěn)定性理論等等理論來對它進行說明和解釋，但始終沒有實現(xiàn)對湍流的完全模擬，它也因而成為流體力學的世紀難題。
　　風機安全性和實際性能表現(xiàn)是風電場開發(fā)尤為關(guān)注的，卻不得不時時刻刻和湍流這個大家伙斗智斗勇。本期小編將和大家一起了解下什么是風機設(shè)計湍流等級及湍流對風機安全性和發(fā)電量的影響。
　　什么是風機設(shè)計湍流的等級標準
　　前面已經(jīng)說了，很難用數(shù)學方法準確描述湍流，那么風機設(shè)計是如何界定湍流的呢？專家們想到了萬能的統(tǒng)計學方法，根據(jù)IEC61400（由IEC制定的風力發(fā)電機組系列標準）規(guī)定，湍流強度（turbulence intensity，簡寫為TI）是指10分鐘內(nèi)風速隨機變化幅度大小，是10分鐘平均風速的標準偏差與同期平均風速的比率，是風電機組運行中承受的正常疲勞載荷，是IEC61400-1風機安全等級分級的重要參數(shù)之一。
　　湍流產(chǎn)生的原因主要有兩個,一個是當氣流流動時,氣流會受到地面粗糙度的摩擦或者阻滯作用，另一個原因是由于空氣密度差異和大氣溫度差異引起的氣流垂直運動。通常情況下，上述兩個原因往往同時導致湍流的發(fā)生。在中性大氣中，空氣會隨著自身的上升而發(fā)生絕熱冷卻，并與周圍環(huán)境溫度達到熱平衡，因此在中性大氣中，湍流強度大小完全取決于地表粗糙度情況。
　　最新的IEC61400對風力發(fā)電機組的安全等級分類表如下： 　　注：Vref=風電場50年一遇的10分鐘最大風速；Iref=15m/s時的湍流強度的平均值；A=高湍流強度等級，B=中等湍流等級，C=低等湍流強度。
　　湍流對風機安全性的影響
　　風機設(shè)計有標準可循，可是大自然的風卻并不那么懂規(guī)矩，我們就需要在根據(jù)特定風場的湍流條件來選擇風機。
　　在風場湍流水平超過風機設(shè)計水平的情況下，按設(shè)計標準制造出來的風機就很難達到預(yù)期壽命，原本設(shè)計壽命20年的風機，在10年甚至8年的時候，葉根、主軸、機艙底板等結(jié)構(gòu)件就可能因為長期疲勞超出設(shè)計標準而導致的損壞，這樣風電場收益將難以實現(xiàn)。
　　那么湍流超標的情況下，風機是否就一定不能適用呢？考慮到風機設(shè)計參數(shù)一般高于現(xiàn)場風況指標，通常可以在經(jīng)驗范圍內(nèi)提出做載荷仿真以確認安全性的需求。比如設(shè)計年均風速為8m/s，湍流為A類的風機。當某風機位湍流0.162，但年平均風速只有7m/s的情況下，我們就可以嘗試將機位處的參數(shù)加入到風機設(shè)計的模型中，通過仿真，來判斷風機是否能夠滿足這種風場條件下的安全性要求。如果可以滿足，那么這款風機就可以適用于該風電場。 　　歸根結(jié)底，大家最在意的還是咱們風場能發(fā)多少“真金白銀”。但說到湍流對風場實際發(fā)電量的影響，不得不首先提到靜態(tài)功率曲線和動態(tài)功率曲線。
　　目前行業(yè)內(nèi)很多場合下，在評估發(fā)電量的時候所使用的功率曲線仍然為“靜態(tài)功率曲線”，這是非常不科學的，因為靜態(tài)功率曲線是假設(shè)環(huán)境湍流為0的情況下繪制出來的理想條件功率曲線，在現(xiàn)實環(huán)境中是不可能存在的，這會造成對發(fā)電量評估的嚴重高估。科學的方法應(yīng)該是根據(jù)評估場址的實際環(huán)境湍流，采用與之相應(yīng)的“動態(tài)功率曲線”，為評估電量提供更明確和真實的參考。