在实践中审视复杂条件下的风机安全性复核

在实践中审视复杂条件下的风机安全性复核

吴晓鹏1王地灵2李毅3

（1.湘电风能有限公司湖南湘潭；2.海上风力发电技术与检测国家重点实验室湖南湘潭；

3.结构抗风与振动控制重点实验室,湖南科技大学湖南湘潭）

摘要：随着风电的高速发展，风电机组的大部件失效问题也逐渐出现，除了从风机设计源头分析原因，基于场址风况的载荷安全性校核也应受到充分重视。受复杂环境条件的影响，风电机组往往运行在恶劣的工况下，如果在载荷安全性校核过程之中考虑不周，数值模型与实际数据存在较大偏差，将带来巨大的风险。本文通过实际案例分析，结合微观选址及载荷评估的实践经验，分析得出初步结论：在现有模式下，针对一些复杂条件下的载荷安全性校核考虑不足，湍流对风机的影响被低估，实际载荷可能远大于理论计算值。本文可为复杂条件下的风机安全性复核提供有益参考。

关键词：湍流强度；风机载荷；数值模拟；安全性复核

Abstract：Withtherapiddevelopmentofwindpower,thefailureoflargecomponentsofwindturbineshasbeenemergedgradually.Inadditiontoanalyzingthecausesfromthesourceofwindturbinedesign,theloadsafetyexaminationbasedonin-sitewindconditionsshouldbepaidfullattention.Underthecomplexenvironmentalconditions,windturbinesareoftenoperatedinharshworkingconditions.Iftheexaminationprogressofloadsafelyisnotconsideredproperly,largeassessmentbiaswillbeexistedbetweenthenumericalmodelandtheactualdata,andbringhugerisk.Basedontheanalysisofpracticalcasesandthepracticalexperienceofsiteselectionandloadassessment,thepreliminaryconclusionisdrawnthatundertheexistingmode,theinfluenceofturbulenceonthewindturbineisunderestimatedandtheactualloadmaybefargreaterthanthetheoreticalvalue.Thispapercanbereferredforthesafetyexaminationofwindturbinesundercomplexconditions.

Keywords:turbulenceintensity,windturbineload,numericalsimulation,safetyexamination

0引言

随着风力发电的快速发展，复杂山地风场的比例在逐渐增大，由于复杂山地风场的风能资源具有波动性和间歇性等不易预测的特性，给风能资源评估带来了巨大的挑战[1]。湍流强度是影响风电机组疲劳载荷和极限载荷的重要因素，湍流本身是一个复杂的过程，难以用简单明确的方程来表示或者预测，研究湍流的统计特性显得更为重要[2]。

现阶段的机位安全性复核或载荷安全性校核需对预装机位的风况进行数值模拟，若某些风参数超出机组设计值，则需考虑此机位轮毂中心高度的空气密度、风频分布、湍流强度、叶轮平面的风切变、入流角各参数进行载荷校核，以确保机组的适应性。对于大多数情况，此模式适用性较好，但是对某些复杂条件下的机位，使用此通用方法进行评估可能存在较大偏差，主要原因在于风载来自整个叶轮平面，仅基于轮毂高度处的风参数及叶轮平面的风切变，不足以反映整个叶轮的风况，其中最大的不确定因素来自于湍流强度在叶轮各层面的分布。本文通过数值模拟及实例验证，分析一些复杂地形对叶轮各层面湍流的影响，重新审视了现阶段的风机安全性复核模式，指出了可能存在的风险，为后续更为精准的评估提供参考。

1某山电场两测风塔湍流对比分析

1.1风电场概况

某风电场场址内有两座70m高测风塔，分别是6094#、4710#测风塔，两座测风塔位置分别如图1、2所示。6094#测风塔主要风频集中在SW、ESE方向，4710#测风塔的主要风频集中在E、SSW方向。6094#测风塔主风向无遮挡，4710#测风塔主风向2km处有比其高80m的山包遮挡。

6094#测风塔的风切变约为0.04，4710#测风塔的风切变值约为0.06。两座测风塔的风切变相近，但各高度的湍流强度变化规律则完全不同。

图1.6094#测风塔位置示意图

Figure1.6094#Locationsofwindmeasurementtowers

1.2湍流强度

湍流度是确定结构脉动风荷载的关键参数，其反应风的脉动强度，定义为10分钟时距脉动风速标准方差与水平平均风速的比值，即

式中：σ：脉动风速标准方差

U:水平平均风速

脉动风速标准偏差的计算公式如下：σ=

风机承受的有效湍流强度过大，可降低风机的出力水平，使风机承受更多的疲劳载荷，还可能引起极端载荷，降低风机的使用寿命。

1.36094#、4710#测风塔各高度湍流强度对比

6094#、4710#测风塔在10m、30m、50m、70m测得的湍流如图3、4所示。

图2.4710#测风塔位置示意图

Figure2.4710#Locationsofwindmeasurementtowers

图3.6094#测风塔湍流强度图

Figure3.6094#Turbulenceintensityofwindmeasurementtower

图4.4710#测风塔湍流强度图

Figure4.4710#Turbulenceintensityofwindmeasurementtower

6094#测风塔从10m至70m高度的湍流强度变化较小；4710#测风塔在10m-30m-50m高风速区间湍流强度较高，30m与50m高度湍流强度接近IECA类上限，10m高度湍流强度超过IECA类安全等级，而70m高度的湍流强度陡降，明显低于IECB类[3]。

1.4载荷计算模型拟用风况与实际风况对比分析

6094#、4710#测风塔位置为预装机位，由于机位点的风速超出拟选机型的设计值，需基于轮毂高度的空气密度、风频分布、湍流强度、入流角及叶轮平面的风切变等综合参数进行载荷校核。根据现有载荷计算模型，叶轮各层面的湍流强度主要结合轮毂高度的风速、SD值及叶轮平面的拟合风切变进行推算。6094#机位拟用湍流的推算值与实际值如图5所示，4710#机位拟用湍流推算值与实际值如图6所示。

图5.推算值和实际值对比表（6094#测风塔位置）

Figure5.Comparisonbetweencalculatedactualvalues

（6094#Windmeasurementtower）

图6.推算值和实际值对比表（4710#测风塔位置）

Figure6.Comparisonbetweencalculatedactualvalues

（4710#Windmeasurementtower）

针对两座测风塔位置处叶轮下半部分的湍流强度推算值与实际值进行对比，结果表明，6094#测风塔的湍流推算结果与实测值相近，在主要风速段内，50m的推算结果与实测结果平均差异为3.2%，30m的推算结果与实测结果平均差异为8.6%；4710#测风塔的推算结果与实测值差异较大，在主要风速区间内，50m推算结果与实测结果平均差异高达24%，30m推算结果与实测结果的平均差异为21%。根据4710#测风塔各高度的实测湍流分析可知，随着高度的降低，湍流强度逐渐增加，越接近地面，降低同等高度带来的湍流增加幅度将更大。

2某风电场数值模拟分析

2.1风电场概况

本节基于甘肃某风电场中测风塔P1（测风塔高度70m）实测数据，通过数值模拟对相邻位置的预装机位P2的湍流强度和风切变根据流体力学的规律求解，将整个风场分解为小的网格，并对其进行复杂的偏微分方程求解，从而了解流体的相关属性[4]。

该风电场整体地形较为平坦，主风向稳定，如图7所示，主风向及主风能方向均为NW，如图8所示。测风塔P1下风向2km处有一个山包，山顶与山脚的高差约为60m，宽度约为800m。

图7.地形示意图

Figure7.Topographicmap

图8.测风塔P1风向、风能玫瑰图

Figure8.WinddirectionandWindenergyrosediagram

2.2湍流强度与风剖面的对比

通过对实测数据进行统计分析，测风塔P1实测各高度下湍流强度和风速如图9、11所示。预装机位P2的湍流强度与风速模拟结果如图10、12所示。

图9.测风塔P1各高度湍流

Figure9.TurbulenceintensityoftheP1Windmeasurementtower

图10.预装机位P2各高度湍流曲线

Figure10.TurbulenceintensityoftheP2Preinstalledposition

图11.测风塔P1风廓线（实测值）

Figure11.WindprofileoftheP1windmeasurementtower(measuredvalue)

图12.预装机位P2风廓线(模拟值)

Figure12.WindprofileoftheP2Preinstalledposition(Analogvalue)

通过对测风塔P1及预装机位P2对比及分析，可以看出：1）湍流强度遵循随高度增加而总体减小的趋势，但这种减小并不是一致性的均匀变化，随着离地高度的增加，湍流梯度呈现降低的趋势。2）气流流经山体，受山体或障碍物的影响，流体分离明显，湍流强度明显增强，山体前后的垂直湍流梯度变化明显，相比迎风侧，山体背风侧的湍流梯度更大。3）背风侧的风切变明显高于迎风侧。

3项山风场某机位各高度湍流分析

南方某山地风场采用单机功率2MW，风轮直径为116米的风电机组。代表性机位点各高度层湍流强度如图13所示，高差对应的湍流强度差值见表1。

图13.某机位点各高度层湍流强度曲线图

Figure13.Turbulenceintensityofacertainposition

表1.某机位点随高度变化的湍流强度差值

Table1.Turbulenceintensitydifferenceofacertainpositionheight

据图13分析可知，离地高度低于50m，其湍流强度将超出IECA类安全等级，从表1分析可知，随着高度的降低，湍流强度逐渐增加，越接近地面，降低同等高度带来的湍流增加幅度将更大。对于叶轮直径长达116m的风电机组，无论采用85m轮毂高度还是80m轮毂高度方案，其叶尖离地最近距离均低于30m，根据趋势推测，在30m以下，轮毂高度降低5m，叶轮底部全风速段湍流强度将会增加约1%，将会多增加5%叶轮平面暴露在湍流强度超IECA类安全等级的风况之中，必然会在一定程度上提升机组的疲劳及极限载荷。在此情况下，应进行详细的载荷安全性校核，以确认85/80m轮毂高度方案是否适应本项目的场址风况。然而基于现阶段的模式进行载荷安全性校核，叶轮下半平面的湍流强度被明显低估，实际载荷可能远大于理论计算值。对于地形复杂，尤其有扇区存在遮挡的机位，应高度重视高湍流对叶片及传动部件的危害，为确保机组长期稳定运行，轮毂高度的选择不应激进，本风电场拟装机组最终选用85m轮毂高度方案。

4结论

出于工程应用目的，在精确性与时效性中取得权衡，现阶段的载荷计算模型进行了一定程度的简化，主要基于轮毂高度处的风参数及叶轮平面的风切变进行载荷计算，对于某些复杂条件下的机位，使用本阶段的通用模式进行载荷评估可能存在较大偏差，主要原因在于风载来自于整个叶轮平面，载荷计算模型需对叶轮各层面的湍流进行推算，其推算值与实际情况可能存在一定程度的偏离。

通过实例分析，结合微观选址及载荷评估的实践经验，分析得出初步结论：在现有模式下，针对一些复杂条件下的载荷安全性校核考虑不周，湍流对风机的影响被低估，实际载荷可能远大于理论计算值。本文重点在于指出一些复杂条件下存在的不确定性及风险，可为后续更精准的评估及机组选型提供参考。

参考文献

[1]杨振斌,薛桁,桑建国.复杂地形风能资源评估初探[J].太阳能学报,2004,25(6):744-749.

[2]廖明夫，GacshR，TweleJ.风力发电技术[M].5版.西安：西北工业大学出版社，2008.

[3]IEC.IEC61400-1secondedition1999-02WindTurb-ine-Part1:Designrequirement,InternationalElectrot-echnicalCommission[S],IEC,1999.

[4]杨佳元,欧阳华,盛科,刘超.WT计算湍流强度用于风电场安全性评估的研究[J].大功率变流技术,2013(05):14-16.

[5]在实践中审视复杂条件下的风机安全性复核.湘电风能有限公司研究报告[R].

基金项目：国家自然科学基金项目(51708207)。

第一作者：吴晓鹏，男，工程师，从事风电开发及利用研究，Email：731207582@qq.com。

通讯作者：李毅，男，讲师，从事建筑结构抗风与风能开发研究，Email：engineerliyi@163.com。