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刚柔相济·唯稳制胜——柔塔助力新高度

来源:( 作者: 时间:2020-03-25 16:03 Tag:)


    随着风电技术的发展,我国陆上风电重心从高风速区域转向低风速区域,全国可利用的低风速资源面积约占风能资源区的68%,且均接近电网负荷的受端地区,如江苏、安徽、河南、山东、湖北、河北等低风速区域均有丰富的高切变风资源。高效地开发利用这类低风速、高切变风资源是行业面临的机遇和挑战。


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    低风速高切变风区——柔塔显优势

    在高切变风速下,高度增加,风速显著提升。因此会自然而然地想到提升塔筒的高度,将叶轮托举到风速更高的区域,从而提升发电量。然而,按照传统钢塔的设计和工艺,塔高超过100米后,塔筒重量会出现指数型增加,风速提升的发电量已经不足以弥补塔架增高的成本,增高塔架一举变得毫无意义。

    如何降低塔筒成本?

    两种思路:第一种,用混凝土替代一部分钢材料,这就是混塔,下部是混凝土段,上部是钢塔段。混塔可以看作是提升了基础高度的传统钢塔,因此它和传统钢塔一样可以适应各种复杂工况,缺点是施工难度大,现有风场周边配套件少,成本较高。第二种,纯钢塔,保持塔筒经济性壁厚,配合新的控制策略,这就是柔塔。柔塔相对混塔,风场适应性较差,控制技术难度更高,但在安全可靠的前提下,经济效益更好。

    柔塔相比传统塔架和混塔,在100米以上的塔高具有自己独特优越性:

    ◆ 全钢柔塔重量轻,随着塔筒的增高,成本不会增加太多。例如高120米的全钢塔筒,按照传统设计方法,塔筒重量可达410吨左右,而运达股份的柔塔设计重量在260吨左右,重量减少近36%。相对于传统设计方法,成本大大降低。

    ◆ 全钢柔塔的材料、工艺、运输、吊装和传统钢塔并无实质区别:标准健全,设计过程高效;供应链成熟,制造周期短;一台风机3~4天吊装完成,吊装工期短、成本低;拆解方便,生命周期结束后的后续工作简单。


    共振与涡激——柔塔面临的最大挑战

    柔塔优势明显,但是正如硬币的两面性,柔塔自身的特性使得它必须应对共振与涡激的挑战。

    柔塔增加高度以捕获更多风能,减薄壁厚以降低成本,另一方面正由于高度增加和壁厚减薄导致柔塔的自身固有频率下降,会与1P(叶轮转频)产生交点,如果长期运行于该转速下,激励频率与固有频率产生共振,会极大降低塔架与整机各部件的寿命。


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    柔塔需要解决的另一个技术难点是涡激振动。涡激振动简单的说就是流体流经非流线型物体时,将在物体两侧交替产生脱落其表面的旋涡,流体旋涡在弹性柱体表面产生的脉动压力与柱体本身弹性形变耦合振动,相互影响。当风流经圆柱形塔架的旋涡脱落频率与塔架固有频率相近时,则会引起塔架涡激共振。


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    对于柔塔这种高耸的圆锥体结构,共振和涡激振动得不到及时解决,将造成支撑结构失效,导致灾难性后果。因此柔塔并不是简单地提高塔架高度,而是通过一系列先进的技术手段直面高塔的新挑战。


    维稳之道——多管齐下抑共振,加阻器械减涡激

    综合抑振控制策略效果验证

    为解决柔塔的塔架共振问题,运达股份以安全与发电量为着力点,在长时间的探索与研发基础上,与DNV GL合作开发了柔塔控制策略。放弃损失发电量的传统单一动态穿越策略,研发了快速穿越共振转速、塔架主动阻尼、动态推力削减、变桨增益自适应等先进控制技术来满足柔性塔架的强度要求并合理地避开共振点。同时酌情考虑采用摆锤或水箱等方式对塔架进行加阻,进一步削弱机组的塔架共振现象。为安全起见,将动态穿越作为防止塔架振动的保护策略。通过不断优化控制策略,在保证安全的基础上,将发电量损失降到最低。


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    运达股份已在河北张北、辽宁铁岭、河南濮阳、山东曹县、山东单县、山东武城县等地成功吊装140米柔塔项目,并对快速穿越过程中的载荷以及控制参数等进行了测试,通过与仿真结果的对比,一致性较好,验证了综合抑振控制策略的有效性。

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    TMD质量阻尼器解决涡激振动效果验证

    柔塔的涡激振动中影响最大的是一阶与二阶涡激振动。一阶涡激振动发生在较低的风速下,主要影响吊装过程。运达股份研发团队在设计过程中,从细节入手,对每节塔筒的吊装过程进行模拟计算,分别得到其涡激频率、疲劳寿命以及极限载荷等参数,进而采取加装扰流条或可拆卸塔架阻尼器等相应措施减少涡激影响以满足整机安全吊装与运行要求。

    柔塔的二阶涡激振动往往发生在20m/s以上的风速下。虽然在低风速区,二阶涡激振动的频率很低,但是从安全角度出发,不容忽视。运达股份通过在二阶最大位移处增加TMD阻尼器来提高二阶振动的阻尼,进而降低涡激带来的疲劳损伤与极限载荷。

    通过在样机上安装TMD质量阻尼器来提高二阶阻尼,以塔架二阶最大位移处的加速度作为对比参数,测试发现安装阻尼器后减震率达60%以上。


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    随着低风速风电开发的持续深入,柔塔也将迎来更为广阔的应用前景。作为能显著提升风电机组经济效益的高塔技术的柔塔,在增加塔架高度的同时,还需要机组控制策略、运输、安装、施工等一系列核心技术手段来解决塔架增高带来的新挑战。运达股份积极开展风电新技术的研究,以可靠性和安全性为前提,加大技术创新,推动我国风电产业持续健康的发展。

    来源:运达股份