CWPE2018：中國電力科學研究院有限公司高級工程師付德義——《海上風電機組載荷情況研究》

 

　　中國電力科學研究院有限公司高級工程師付德義在嘉賓演講環節發表了題為《海上風電機組載荷情況研究》的演講：

 

　　給大家分享一下關于海上風電機組載荷測試的一個相關技術。大概分以下幾點：

 

　　一、海上風電機組載荷測試概述；

 

　　載荷測試的標準，因為我本人也是在IEC這個標準租里面從事標準執行工作，IEC標準做載荷測試的標準是2001年6月份的版本，經歷了大概14年以后這個標準的更新是2015年的12月份發布，但是這個標準里面對于我們海上風電機組載荷到底應該怎么去測，事實上描述的非常少，只是有一個附錄兩頁。海上風電機組載荷這一塊做了一個大概的比較，新舊標準這一塊測試的項目有哪些區別，新標準可能要求比較多一點，因為可能考慮到海上風電機組它的結構尺寸更大，海況條件更復雜，這時候考慮的測量點不一樣，包括塔筒中部的彎矩、扭矩都要測量。

 

　　然后講一下我們傳統的陸上風電機組包括現在海上風電機組我們要測的參數，主要幾塊：一是氣象部分，二是部分，三是載荷，四是其他。氣象主要關注風速風向溫度氣壓，電氣關注有功、無功、槳角、偏航、葉輪。載荷包括葉根、塔筒，其他就是一些并網、故障、狀態、剎車等等。但是新標準里面關于測試參數描述這一塊并沒有單獨說我海上機組應該怎么辦，新標準并沒有量化浪、流對于載荷的影響，載荷關系到機組的安全，載荷不夠的話機組的安全就值得考慮了，包括大型海上風電機組風特性的精準捕獲，什么意思？就是現在海上風電機組葉片之境風流掃流面越來越大，掃流面內氣流條件都不一樣，都會有變化。

 

　　關于測試的工況，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、穩態，瞬態就是維持在某一個現狀上，瞬態就是正常啟機、停機、超速停機等等。

 

　　關于海上風電機組它其實跟陸上的區別在哪兒，我個人覺得區別可能有以下幾點：一是風浪流耦合作用，因為我們測過的大概是171，接下來應該有180左右，海上跟陸上不一樣就是它不光受風載，同時還受到浪以及流的影響，上午張老師也講過了，事實上海上的機組我們需要考慮的點跟陸上的區別還是比較大的。而且對于海上機組還有一點要考慮它的基礎，不管是單樁也好，多樁也好，導管架等等所有基礎形式，基礎形式不同載荷特性也是不一樣的，海上風電機組應該特別關注就是大結構尺寸下的風特性，再就是動力學特性，以及不同形式的基礎的載荷特性，這個非常關鍵。再就是波浪以及流的特性。

 

 

　　有幾塊，首先給大家畫一個示意就是針對陸上機組，陸上機組環境這塊可能僅僅考慮的是風，風大小，風切片。但是海上需要考慮的更多，需要考慮風、浪以及流，因為不管是浪也好，流也好，事實上都有力學的響應在里面。簡單做了一個比較，海上機組陸上機組到底有什么區別，需要考慮什么。從載荷測試角度來講我們有哪些區別。

 

　　然后大家看一張圖，左邊這個是我們海上機組比如風切片、風轉向，風切片就是機組在整個掃流面積內的風是不一樣的，因為風切片的存在，隨高度的變化、風速的變化。再一個就是我們在不同的高度風向也是不一樣的，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組由于風切片和風轉向的存在，這個時候它的受力情況將會比較復雜。

 

　　這個是我們一個實測的案例，就是我們在如東測的一個案例，大容量海上風電機組整個掃掠面內風特性的差異，主要表現為風矢量特性的變化，即風切便和風轉向。項目實測海上風切變特征值范圍約為0.1-0.3，風轉向范圍約為負20到正20。然后為了去精準測量，整個風流掃掠面里面風的情況，因為以前陸上就安裝測風塔測量風速，海上機組雖然風流掃掠面積越來越大，如果單點風速測風顯然不可以，我們這個地方用了一個雷達陣列，用了兩臺雷達，一臺是在機艙頂部水平向前的前向雷達測風儀，還有一臺是地面雷達，這種雷達是我們斜向向斜前方打的激光雷達，不是豎直往上打的。這個相當于整個掃掠面內，風電機組來的風向到輪轂這一段風的情況都可以做一個比較精準的捕獲，就是在項目現場的實際案例。

 

　　接下來這個我們用的是機艙的雷達在上面，以及底下是地面的雷達測風儀，上面這個雷達我們可以測機艙前向40-200米范圍內風速的情況，底下這個雷達也是，不過是斜向上的掃描的雷達，是基于這兩款來做大容量的海上風電機組葉輪掃葉面的風速情況，去捕獲它的一些信息。

 

　　接下來給大家分享一張圖，我們用機艙雷達做到什么情況，就是我們在機艙的前向，因為我們測了不同的距離風電機組輪轂這一塊，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，這個范圍內的風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識，就是這個風呈現一種壓縮的特性，可能在不同的現場可能有不同的結論，但是我們在如東這個地方看到的現場是這個效果，就是風從來的方向吹過來以后，它的風是先加速后減速，這個可以這么去理解，就是我的風吹過來之后是呈壓縮的態勢。比如現在風從葉輪前方吹過來，如果葉片轉速夠快的話可以認為這個葉片是剛性的葉面，測量的結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。加速的話大概風值的出現大概是一倍的風輪直徑，這個可能跟轉速包括風的情況有關系，加速的比例大概是1.01-1.03，減速是0.95-0.99。

 

　　接下來介紹海上機組不光關注風還得關注浪以及流，浪怎么考慮？浪我們在現場用了一個漂浮式的浮標，我們考慮的點可能就是說它的典型波高以及譜型參數。這是我們在現場做得一個結果，浮標左下角是項目現場的一個圖案，浮標是一個內置的3D磁通量羅經傳感器和加速度計，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動等影響，上午氣候中心的張老師可能更加專業一些，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據，這時候發現最大波高大概是4.5米左右，這是實際測得的結果。另外關注剖面的流速，就是海流的流速，因為事實上基礎受海流沖刷，這個時候流的特性我們也必須要去關注，我們用了一個剖面流速儀，是一種基于深學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射一個頻率返回一個頻率，測頻率的偏差。

 

　　這個是我們在現場安裝的一個情況，海上風電機組在不同水深位置處的海流特性不盡相同。海流特性主要表現為海底不同水甚位置處的海流和流向。

 

 

　　海上機組比陸上機組結構尺寸更大，葉片現在要171包括180，大葉片長葉片的特性是什么樣的，包括塔筒，現在針對海上機組我們作為第三方測試機構認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的不同截面都分別粘貼了測應力的葉面片，搭橋測應力，這個背后的故事比較多，因為事實上海上作業工程，量和難度比較大，包括在基礎里面貼葉面，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面外的彎矩。

 

　　然后給大家分享一個結果，我們實測的數據結果。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，這邊應該是不同的距離測的，最遠大概是20米左右，20米其實如果你到現場的話可能20米根本就到不了。

 

　　關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，數據并沒有取特別多，因為有的數據有一些損害，我們去了一些數據。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，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系，因為我們并沒有測泥水線的彎矩，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，這個對于將來風電機組施工設計方方面面都有參考意義，因為以前陸上的時候可能這個并沒有太多的考慮，但是在海上不同的地質條件，不同的海床條件都需要我們考慮。

 

 

　　我們想分析一下關于浪，這個浪到底對于我們機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為風浪留的載荷并不是單純的疊加，而是強耦合的，如果我們僅僅通過測試的手段它是耦合的，測試結果就是耦合完以后的結果，如果單獨想知道浪對載荷有多大影響，流對我載荷有多大的貢獻，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果就是關于葉片，葉片的擺振，就是旋轉方向，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電機組葉片擺振與揮舞方向彎矩極限載荷影響較小。會發現含浪不含浪情況下，載荷的統計值基本是重合，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，因為波浪載荷是直接作用在風電機組基礎上，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，波浪對于海上風電機組葉片擺振方向彎矩疲勞載荷影響較小。搞風電機組設計的同事可能比較熟悉，這張圖表示的是機組疲勞情況，機組能不能運行20年這個是需要考慮的，這張圖可以跟設計比對就能夠分析出來。

 

　　另外一個是關于浪對于塔筒的疲勞影響有多大，這個影響確實比較大，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，但是這個因為我們給的工況比較極端，數據我們算了一下大概是8%。

 

 

　　因為我們做載荷測試這一塊，就想有幾點思考給大家做一個簡單的匯報。一是海上風電機組葉片結構尺寸較大。超長柔性大變形葉片的氣動、結構、氣彈及載荷性較陸上風電機組有較大的區別，如何精準測量。二是風浪流存在強耦合作用，機組自身載荷來源復雜，如何運用測試手段精準解耦各耦合參量之間的關系。三是基礎形式各異，尤其是漂浮式基礎的研發與應用。如何運用新的測試技術與手段，實現基礎載荷特性的測量。以上就是我的匯報，謝謝大家！

 

　　（發言整理自現場速記，未經本人審核）