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中车株洲所宋力兵:柔性高塔技术设计与应用

日期:2019-09-20    来源:能见App

国际新能源网

2019
09/20
10:12

关键词: 中车株洲所 宋力兵 风电设备 柔性高塔

  9月19日,“2019第三届中国风电设备质量与可靠性论坛”在株洲召开。
  中车株洲所风电塔筒主任设计师出席大会并发表了题为《柔性高塔技术设计与应用》的主旨演讲。以下为发言全文:
  宋力兵:各位领导,各位嘉宾,大家下午好,非常荣幸有这个机会来跟大家分享一下中车株洲所《柔性高塔的应用和设计》情况,大家都知道,高塔这个应用越来越广,当然也是对安全性和可靠性要求越来越高,所以我在这里结合我们在设计和应用过程中的一些经验,跟大家来共享一下,也是希望大家多给点建议,谢谢。
  我汇报的内容分三个部分,第一个部分是高塔技术的介绍,这两年针对河南、江苏、山东,以及安徽或者湖北的部分区域,在国内大家在积极的推广高塔,它有一个什么特点呢?在这个区域,就是它离电网比较近,它的电网适配性比较好,消纳比较好,另外这些属于平原地区,风比较小,但是他的特点就是风比较小,风切面很大,所以对于高塔来说,高度增加以后,它的能量增加更大一些,所以说大家在推动高塔应用。针对高塔,国内外已经在大量应用,像国外最高已经做到了178米,它有什么特点呢?现在高塔的特点就是说,在结构形式上,有柔性钢塔、混凝土还有钢混,另外材料方面,也是有一些突破,从混凝土、钢,还有一些其它新型塔架出来了,像那种宽架式的。
  我大概介绍一下几种技术的对比,纯混凝土的钢度更好一些,耐腐蚀性更好,桁架式的话,运输比较方便,成本相对来说低一点点,柔性钢塔的话,运输安装比较方便,但是柔性钢塔也面临一些其它的问题,控制,包括震动的问题,还有钢混塔架,有一段混凝土的,有一段钢的,在钢度方面比较好,耐腐蚀性比较好,但是在成本方面、经济方面还是要综合评估。
  综合这几种塔架形式,从风机基础建设到一些材料成本,包括吊装成本,还有运输成本,做了一个综合性的比较,从我们目前的认识来说的话,钢塔架可能是目前的主流,从它经济性方向来说也是最优的,当然不同的塔架有不同的应用环境,像桁架式、钢塔在滞洪区或者进水的区域应用更好一些,因为它耐腐蚀。但从我们目前来说,经过综合性来考虑我们还是选择柔性钢塔技术。
  这是一个典型的风场,我们当时经过评估以后,从100米到120米做两款,一款是普通塔架,一款是高塔,通过对比来看,风量还可以提升400个小时,投资回收期也是满足客户的要求。
  这里有一个对比表,是我们汇总的,主要是柔性钢塔和钢-混塔架的对比,从材料方面来说,钢塔主要是钢板和法兰,这个相对成本会高一点点,但具体数字只是预估。从运输成本来看,钢混塔会高一些,但是在投资现场,可以节约成本,建设周期来看,钢混塔要高一些,一般来说可能要一个月左右,柔性钢塔的话稍微低一些。从整机控制来说,钢-混塔不需要特别的处理,但是柔性钢塔需要控制特殊的处理。还有吊装工艺,柔性钢塔稍微简单一些,钢混塔复杂一些,另外柔性钢塔的话也要考虑绕流器的一些措施,这也是它的一些难点。
  这是吊装的示意图,钢塔的可能就是五段或者六段,混塔的话可能是分段式的。
  对于柔性高塔设计来说的话,我也做一下介绍,什么叫柔性钢塔,塔架的固有频率和风轮的EP有一个焦点,在这个焦点会引起一些共振,那么所以要想一些办法来避开共振点,这个共振点怎么来避开?各家有各家的技术,大体来说,我们叫动态穿越,各家可能实现的方式不一样。在共振点我们采取的是一个动态穿越、平行穿越,可以看到红色的是经过穿越以后的一个加速曲线,震动水平已经明显降下来了,黑色是不加控制的,除了平行穿越,还要再增加一些其它的控制方法,包括控制的跳转,控制的时间,都要加以控制,包括一些匹配性,包括一些控制保护。
  另一个就是在基础这块的话,因为柔性高塔增加高度以后,达到11万或者12万的极限高度,经济性不好,安全性也不好,为了考虑风机的安全,我们应用了锚栓技术,它的整体性更好,没有什么薄弱环节,另外一个是锚栓埋的更深一些,对整体受力更好。
  还有一个关键技术就是涡激振动,可能大家最近发现一些问题,一旦振动起来,这是很危险的,什么叫涡激共振,风吹过塔筒以后,在背面会形成两个反对称的漩涡,但漩涡的脱落频率,与塔的特质频率一致的时候,会引起共振,危害就是在吊装过程中引起共振的话,是无法吊装的,也会造成一些损伤。严重的话,可能会引起倒塔,业内已经出现过事故的。通过中车对柔性高塔的评估的话,我们在一阶和二阶都做了一些分析和研究,在调查过程中,对于光塔的话,可能几米的风速,会把这个塔给振起来,在安装完之后,在停机状态下。当然我这显示一个特定风速,在18米或者20多米,可能会把风机给振动起来。现在我们采取一些什么措施呢?在吊装过程中可能加扰流器、缆绳,在停机状态下,可能会采取一些加阻尼器来考虑这个问题。
  涡机共振发生的条件是什么呢?当风的脱落频率接近塔的特征频率的时候,当然它的状态下可能是在吊装过程中,也可能在停机状态下,那个时候电网不带电。它的风速的话,可能各家的技术不一样,现在有很多家,风速可能在16米到25米不等,因为它也是个范围。但是通过某些风场我们也做了些统计,比如说这个风场,可能16米到25米,这个风频分布的概率很低,也就意味着涡机共振在某些区域发生的概率很低,但是低并不代表不会发生,一旦发生危害比较大,所以我们要采取一些工程办法。
  涡机共振发生的条件,肯定跟塔的结构有关系,跟风速也有关系,跟风机的状态也有关系,所以它是一个耦合状态。对于塔的一阶共振的话,我们是才用加绕流器的方式来抑制它的共振,这是安装示意图,它的原理是通过安装扰流条以后,破坏风筒的风,打乱气流,来改善特征。
  这是我们加上扰流条以后,力也减小了。但另一种办法,就是加涡流发生器,这也是比较新的应用,在国内刚刚起步,这个应用办法现在大家都在试用,在塔的外臂贴上涡流发生器,原理也是破坏气流的方式,使脱落涡发生改变。像我们在某些风场,我们做了一些样机,后续会加装大尺度的涡流发生器,来破坏涡流。
  对于二阶的抑制来说的话,是加上液体阻尼器,来消耗能量,减小振动。当然阻尼器的大小,包括数量,这是要经过精细的计算和分析的,包括液体的液位,这是有很多考虑在里面。像这种应用在建筑上是有广泛应用的,高层建筑,包括各种塔,在国外八十年代已经提出这个理论了,但是在风机上,这个应用在国内大量的应用,也是刚起步。
  最右边图是加装液体阻尼器的效果图,假装液体阻尼器之后,位移有适当减小,加速以后,我们可以去测算它的疲劳损伤,在实际工程应用中,考虑到特殊的共患,可能它的减振效果会更明显,现在只是检测到大风的状态下,它的减振效果。
  最后一部分,是我们的应用情况,这是我们频率穿越的一个对比,在频率穿越范围内,我们做了一些分析和测试,测试出来的效果,跟我们实际仿真是比较吻合的,这是我们当时做论证的时候,做了一些测试,可以看到叶片的载荷、叶根的载荷,最大值、中间值和最小值,都是比较吻合的,包括载荷的数量集,跟仿真是比较吻合的。
  这里讲到的是一个北斗高精度定位系统,因为塔的中部会有一些摆动比较大的情况,主要测量机舱的位移,就是塔顶的位移,它有什么特点呢?可以精确的定位,还可以实施追踪变形,当然也可以实测振动摆幅。可以看到我们数值,125米,140米可能位移更大一些,在发电状态下,最大的位移,现在实测180米左右。对于柔性高塔来说,为了保证安全性、可靠性,在螺栓方面我们做了一些监测,也是摆正对螺栓的预警产生一些影响,我们做了一些布控,包括塔筒。可以看到实测的曲线跟仿真的曲线是比较吻合的,不管是在额定工况下,还是其他的工况下都是比较一致的。
  这是我们频率的曲线,左边是一阶和二阶的特征频率,右边是实测,二阶的话,稍微有一点偏差,所以二阶振动解决方案,还是有些意义的,在做液体阻尼器适配的时候,还是要进行一些综合性分析。
  这是我们加了液体阻尼器之后的实测效果,左边是没加的实测效果,右边是加了以后的实测效果,可以看到振动明显有减小,16米左右,目前来说,还有一些数据在整理,在更大的风速下,是不是效果会更明显呢?或者在二阶的情况下,效果还会更好一些,谢谢大家。
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