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海上风电抗台风设计技术

日期:2021-08-09    来源:千尧科技

国际风力发电网

2021
08/09
09:17
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关键词: 海上风电 风电安全 风电叶片

我国东南沿海属于台风频发地区,据气象统计结果表明,1949-2012年热带气旋登陆我国大陆共531次,其中台风153次,强台风38次,超强台风6次。以浙江为例,自1997年浙江省规模化开发风电以来,海上风电场共有23个台风影响,而其中对风电设备造成百万元以上破坏的有8个台风,千万元以上损失的有2个台风;与此同时,2003年9月2日,登陆广东省的“杜鹃”台风也造成汕尾某风电场损失上千万元。

随着新建风电场单机容量的增加,一旦发生台风灾害,对海上风电场的破坏程度将愈加严重。因此,针对我国海上风电进行相关的抗台风措施是非常重要的。

图1 1949-2012年我国近海台风统计结果

台风对海上风电的影响

1、叶片断裂

在风力发电机组中,叶片刚度远小于基础与塔筒,是柔性最大的构件。此外,为了捕捉更多的风能,叶片通常采用较为复杂的结构形式,振动形式及失效模式复杂多样,其中以叶片根部折断、叶片局部弯剪扭破坏为主。一般来说,叶片会同时承受弯矩、扭矩及剪力,在三者共同作用下,叶片会在最薄弱位置形成纵向、横向不规律的作用,当达到一定的疲劳状态下则产生裂痕,甚至破坏性断裂损坏。由于叶片根部的弯矩与剪力通常最大,叶片根部容易折断。

图2 叶片断裂

2、整体倾覆

海上风力发电机组在台风作用下,如果基础尺寸或者埋深不够,将导致基底大面积脱开,进而结构整体倾覆。这种结构失效形式又称为颠覆性破坏,将带来巨大的经济损失。

3、塔筒折断

塔筒刚度远不如基础,但塔筒底部承受与基础相近的荷载。塔筒中最为薄弱的环节是塔筒底部且未设置加强环的部位,尤其是存在明显的应力集中的塔筒门处。极端风速作用在风电机组上的风荷载与风速平方成正比,当它大于结构强度的设计值时,结构材料发生屈服破坏。2003年3月,台风"埃丽卡"登陆西南太平洋上新喀里多尼亚岛,造成5台V27桁架式风力发电机组由于塔筒底部失效而倒塔。

4、设备失控

强台风来袭时,为保证风机安全,风机将采取停机保护,偏航系统将风机正面朝向来风,避免机舱和风机侧向受力过大,同时通过变桨操作减少叶片的受力。此时,采用偏航液压刹车、阻尼器加偏航轴承以及偏航驱动机构的自锁装置等保持风轮位置,但由于风向多变,存在风轮的机舱位置被大风吹转方向的可能,导致风机偏航系统在此过程中受到严重损坏。

抗台风设计

根据台风对风电场的破坏原因,充分了解到现有的风电机组的不足之处,可通过改善叶片设计、塔筒的改造、机舱改进、基础的设计、备用电源、风电机组控制策略的改进提升海上风电机组的抗台风能力。

1、叶片的改进

现在风力发电机组单机容量不断提高,叶片长度超过60m,在台风来袭时,叶片上的风载巨大,很容易导致叶片发生形变和断裂,要改善这种情况就需要提高叶片的刚度,但是会相应地增加风电机组的成本,因此,要对叶片进行改进设计。

采用柔性智能叶片

柔性智能叶片可以克服刚性叶片的缺点,它可以根据风速的变化相应改变受风的型面,在增加风能获取量和转化量的同时,改善叶片的受力状态,化解风的破坏力,有利于风电机安全稳定的运转,而且风载特性是靠叶片自身结构的受力型态实现的,不存在滞后性,也不存在机械和电子故障,因而更加简单可靠。

其他设计

在叶片生产过程中,应进一步加强叶片局部缺陷检测力度,以改善叶片的抵御台风能力;在超出风机抗台风极限风速时,允许叶片在某位置折断设计,减少风机受风负载,保护塔筒的抗风能力;或应采用新材料,如采用炭纤维叶片在叶片上的应用是大型海上风电场叶片的趋势。

图3 炭纤维与玻璃纤维风机叶片比较

2、基础的设计

海上风力发电机组的基础处在海洋环境,因而不仅承受风机的自重和风载荷,还要承受波浪、水流、海洋生物等对其施加的载荷,以及海水的腐蚀。一般海上风电机组基础的设计级别为正常安全等级,为了保证基础的安全性,将基础设计的安全水平提升到高安全水平,确保整体结构的频率特性以及在极端海况下的结构的转角、位移满足要求。

3、塔筒的改进

海上风机的成本中塔架只占很小的一部分,但是塔架倒塌会给风电场带来颠覆性破坏,不仅会造成整台风电机组的破坏,还会造成风电机运输和安装费用一同损失。因此要高度重视塔架的设计,提高安全系数。

采用钢筋混凝土塔筒

由于作用于结构上的风荷载与结构形状、迎风面积、自振周期等因素紧密相关,研究表明:在装机容量相同的情况下,作用于钢筋混凝土塔筒上的风荷载要明显小于钢塔筒。其次,综合各国的情况,钢结构的阻尼比一般为0.01~0.02,钢筋混凝土结构的阻尼比为0.03~0.08。显然,钢筋混凝土的阻尼比要远大于钢结构,塔筒拥有较大的阻尼比,故而能够消耗较多的能量,对抗台风设计有利。此外,钢筋混凝土塔筒还有耐腐蚀性好、造价低廉、自重较大等优点。

图4 钢筋混凝土塔筒

塔筒的设计

海上风电机组塔筒应充分考虑在台风的影响下塔筒的屈曲情况,选用高强度的塔筒材料;或增加导管架或基层平台的高度,减少塔筒的高度,减少风机机舱摇摆幅度。

4、机舱改进

机舱加固

台风过程中,机舱的天窗容易被吹掉,导致机舱大量进水,使机舱内电气元件损坏。应对固定螺栓周围的连接面采取相应措施,加强连接强度。

优化设计

为了避免在台风期间被叶片打到造成塔筒折断,风机可以采用下风向对风,机舱改为流线型设计,减少风的阻力,增强抗台风能力。

5、风电机组控制策略

台风影响过程中,极大风速、湍流和风向突变是造成风电机组破坏的三大主要因素。对于极大风速,要确定合理的设计思路,控制损坏风险;而改进风电机组的控制策略是应对湍流和风向突变的有效手段,也是成本最小的抗台风设计方法。

刹车系统控制策略

台风期间,风电机组的叶轮必须处于空转状态,叶片顺桨;高速刹车系统应保证在松闸状态,禁止抱死,因为在高速刹车系统抱死的情况下,叶轮在台风的作用力下无法卸能,风电机组的叶片或塔筒可能会在瞬间折断。因此,要改进机械刹车停电动作的控制策略,加装备用电源或改变控制逻辑,在叶片顺桨、机组正常停机后,松开刹车,让顺桨的风轮处于自由转动状态。这样在台风过程中可以改善叶片的受力状况,当某叶片受力过大时,风轮会旋转到各叶片受力均衡位置,避免个别叶片处于最不利的受力位置,产生扭谐振或其他不利情况。

变桨、偏航系统控制策略

强台风期间,电网在断电的状态下偏航失效,风轮无法调整对风,当风从正前方吹来时,风电机组的风荷载最小。但台风过程中,风向变化180°左右,而风电机的偏航系统因停电无法对风转向,狂风可能从受力情况最差的侧面吹来,侧面风荷载比正前方大30%左右,增加了叶片、塔架和基础的载荷。因此台风期间,风电机组控制系统和偏航系统应保证后备电源正常工作6小时以上,并具有不间断调节能力。

防范强台风时,要求对风电机组变浆的紧急备用电源正常投入,确保停机时风机叶片能够执行顺浆避风的安全指令,使叶轮应处于自由旋转状态,避免设备与台风湍流频率形成共振;液压变浆风机应保证液压控制系统正常,液压储能装置能最少完成一次变桨的能量,叶片可随风力大小自动调整叶片转角,当停机时液压释放叶片自动顺浆以确保风机安全;电动变桨风电机组应为每个叶片安装独立的变桨超级电容,必须满足叶片最少能完成一次顺桨的电能;偏航系统应根据风机的测风系统,保证风机叶轮正对风力风向,以确保风机受风负载最小;同时,应确保通信信号数据畅通,实时监控台风数据。

结语

我国海上风电起步晚,海上风电抗台风设计还需要不断研究探索,寻找更适合我国沿海特殊条件的设计和控制措施,以确保我国海上风电的安全、可靠、快速发展。


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