一种风力发电机组塔筒疲劳寿命预测方法与流程

1.本发明涉及风力发电机组疲劳寿命预测领域，具体涉及一种风力发电机组塔筒疲劳寿命预测方法。


背景技术：

2.风力发电机组是由叶轮迎风转动带动风电机转动，将风能转换为机械能，再转换为电能的设备，由叶轮、机舱、塔筒及基础组成，其中塔筒与基础固定连接在大地上，用于支撑和维持机舱及叶轮转动。塔筒要承受风电机组整体载荷并将载荷传递到机组基础上。在载荷冲击的影响下，塔筒的状态将发生衰退，即塔筒运行时的参数达不到设计标准。若塔筒的状态严重衰退，可能导致风电机组发生严重故障，甚至造成风电机组倒塌。因此，为了保证作为传递载荷的关键支撑结构的塔筒处于正常运行状态，需要对风电机组塔筒使用寿命进行准确有效评估，以保证风电机组的安全。
3.传统的风力发电机组塔筒结构计算校核主要依据gl2010(德国劳埃德船级社制定)、iec61400-1(风力发电机标准)和eurocode3(欧洲规范)等标准和规范进行设计，风力发电机组塔筒的载荷主要根据空气动力学和结构动力学软件bladed软件进行计算，在计算过程中，为计算的方便和加快计算进度，对风力发电机组的模型进行了极大的简化，传统载荷计算过程中未考虑偏航方位角的位置(即未根据风向的风玫瑰图考虑360
°
范围的风电机组机头所处的位置)，导致在塔筒的疲劳校核中，其载荷加载仍然只考虑机舱的机头所处于固定的位置，因此其作用的焊缝疲劳等效载荷由于主应力方向的固定化，导致疲劳载荷的人为的增加。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种风力发电机组塔筒疲劳寿命预测方法，用以解决现有风电塔筒的疲劳校核不准确且偏高的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明所包括的技术方案以及技术方案对应的有益效果如下：
6.本发明提供了一种风力发电机组塔筒疲劳寿命预测方法的技术方案，根据风力发电机组微观选址的风向扇区划分方式，对风力发电机组进行偏航扇区划分，并计算风力发电机组在每个偏航扇区的已运行时间；基于各扇区已运行时间、各扇区风资源参数计算机组在各扇区的载荷，进而根据各扇区的载荷时序和各扇区设定使用年限内的发生小时数计算塔筒各个扇区的等效疲劳载荷，根据每个扇区的等效疲劳载荷计算环焊缝各个疲劳累计热点的疲劳损伤，根据计算出的疲劳损伤与疲劳损伤设计值的比较，进行塔筒的疲劳寿命预测；所述发生小时数为风向在对应扇区中的时间。
7.上述技术方案的有益效果为：本发明根据风资源微观选址的cfd流场仿真时的风向扇区划分方式，用于风电机组塔筒疲劳校核过程中划分出偏航扇区，根据偏航扇区计算出各个偏航扇区对应的塔筒各截面的等效疲劳载荷，进而计算出各个焊缝热点对应各个偏
航扇区的疲劳损伤，得到更为可靠准确的塔筒疲劳寿命的预测结果，避免疲劳损伤估计过高，而导致新机组过度的材料及焊接用料设计。根据测算，基于本发明的方法分扇区计算各塔筒环焊缝热点疲劳损伤进行设计，可以有效的降低塔筒10％的重量。
8.本发明的方法可以更加精准判断风电机组塔筒在各扇区内的损伤和寿命，该方法简单、易操作，得到的结果可靠性和准确性较高。
9.进一步的，对风力发电机组进行偏航扇区划分时，偏航扇区划分的个数与在进行风力发电机组微观选址时扇区划分的个数一致。
10.采用与微选址cfd流场仿真时的风向扇区一一对应的偏航扇区，方便了后续各扇区风资源参数的获得，简便了疲劳损伤的预测。
11.进一步的，所述已运行时间计算方法为：根据编码传感器得到的实时偏航方位角，根据偏航方位角与各个偏航扇区的对应关系，得到机组各个偏航扇区的运行时间。
12.进一步的，所述发生小时数是根据运行的历史数据进行线性规划拟合得到的。
13.进一步的，所述风资源参数包括平均风速、湍流强度和风速威布尔分布。
14.进一步的，根据风力发电机组的风速传感器、风向传感器数据计算获取各偏航扇区的平均风速、湍流强度和风速威布尔分布作为所述风资源参数。
15.进一步的，还将根据风速传感器、风向传感器数据计算获取的各偏航扇区的平均风速、湍流强度和风速威布尔分布与对应扇区根据风力发电机组微观选址的流场模拟获得的平均风速、湍流强度和风速威布尔分布进行比较，取较大的平均风速、较大的湍流强度和较大的风速威布尔分布作为所述风资源参数。
16.主要目的是消除了风速和风向的不确定性对塔筒寿命计算的影响，提高机组计算寿命的可靠性。
17.进一步的，根据风速传感器、风向传感器数据获取平均风速、湍流强度和风速威布尔分布时，还建立风速和风向校正模型对运行风力发电机组的风速和风向进行校正，用于消除风速和风向受到风力发电机组的尾流影响，得到更为准确的风资源参数数据。
18.进一步的，所述环焊缝各个疲劳累计热点是在在塔筒对应截面环焊缝等间距选取。
19.进一步的，当环焊缝某个疲劳累计热点的疲劳损伤超过疲劳损伤设计值时，为使其预期的寿命满足设计要求，控制系统发出偏航方位角寿命管理指令，控制机组运行在载荷相对较低的偏航扇区范围内。
20.本发明塔筒焊点寿命预测值超过设计值时，或者根据疲劳剩余寿命的管理以及发电量损失最小的原则，基于在线焊点的疲劳寿命预测，获得最优的偏航方位角的运行扇区，基于疲劳寿命的可靠性要求进行偏航扇区的智能调度。提高了风电塔筒的预期寿命。
21.本发明的一种基于扇区的疲劳损伤计算及寿命的预测方法，可以有效的对机组的寿命进行预测和验证；以及当运行预测的寿命超过设计范围时，可以主动进行偏航扇区控制，进行基于疲劳寿命的机组偏航扇区智能管理。
附图说明
22.图1是本发明中风力发电机塔筒疲劳寿命的预测方法流程图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
24.本发明的基本构思为：为解决上述问题，本发明提出了一种风力发电机组塔筒疲劳寿命预测和验证方法，该方法是在计算塔筒环焊缝所有热点的疲劳损伤之后，对风力发电机组塔筒进行疲劳寿命的预测方法。本发明利用偏航传感器对风力发电机组运行的偏航方位角进行计算，并根据计算的结果，按风力发电机组微观选址的扇区划分方式进行运行机组的偏航扇区的统计及划分；本发明引入风力发电机组既有的风速、风向传感器，并建立风速和风向传感器校正模型，对风资源评估的风速、风向以及风力发电机组载荷相关的湍流强度、威布尔分布和年平均风速进行判断。
25.如图1所示，本发明的风力发电机组塔筒疲劳寿命预测方法具体如下：
26.(1)利用偏航方位角对风力发电机组进行扇区划分，并获得风力发电机组在每个扇区的运行时间。
27.利用偏航编码器进行机组运行的偏航方位角计算，并根据计算的结果，按风力发电机组微观选址的扇区划分的方法和方式，进行运行的机组偏航扇区统计及划分，可以将运行的风力发电机组划分为n个扇区。为预测和验证的方便性，划分的扇区个数与在进行cfd风资源选址时进行特定机位点风资源计算的时候风向的扇区划分个数一致；并根据偏航方位角在每个扇区的编码传感器计算风力发电机组在每个扇区的运行时间。其中，偏航编码器用来记录偏航系统所运转的角度，当偏航系统的角度达到系统设定值时，则触发自动解缆动作，避免电缆过度扭绞。
28.本实施方式中，根据风电机组的偏航编码器，获得运行机组的实时偏航方位角θ，参照风向玫瑰图将机组运行的偏航方位角划定16个扇区(和风向玫瑰图扇区个数一致)，得到机组在每个扇区的运行和停机作用总时间，即每个扇区的作用时间依次定义为t1、t2、t3
……
t16。
29.(2)利用偏航方位角，建立风速和风向校正模型校正机组的风速和风向，获取风资源参数。
30.根据风力发电机组的机舱风速、风向传感器获得特定场址风电机组的风速和风向，并根据偏航的方位角信号，进行风速、风向的扇区划分。由于风速和风向受到机组的尾流的影响，因此建立了风速和风向校正模型对运行风力发电机组的风速和风向进行校正。风速和风向校正完成后，根据机组偏航方位角扇区划分，获得每个扇区的年平均风速v、湍流强度t
eff
、风速威布尔分布(a、k)。
31.(3)根据风资源微观选址的cfd流畅仿真获取风资源参数。
32.根据风资源微观选址的cfd流场仿真，获得特定场址风电机组的每个扇区的年平均风速v、湍流强度teff、风速威布尔分布(a、k)和风向玫瑰图。
33.比较步骤(2)(3)中计算得到的各扇区的年平均风速v、湍流强度teff和风速威布尔分布(a，k)，采用比较后较大的一组数据进行后续的机组载荷计算。由于风向具有代表年的不确定性，一般测风塔测风周期为1年，时间较短，而且风场各机位点根据cfd的流场模拟进行风向的计算也具备一定的不确定性，此步骤主要目的是消除了风速和风向的不确定性对塔筒寿命计算的影响，同时对塔筒寿命计算的不确定性进行修正，提高机组计算寿命的可靠性。
34.(4)计算风力发电机组的载荷、塔筒各截面的等效疲劳载荷。
35.各扇区的运行时间采用偏航扇区划分，统计的各扇区的时间，并综合修正后的特定场址的风资源信息，进行风电机组的载荷计算。结合每个扇区的载荷时序和每个对应扇区的年发生小时数，计算得到塔筒各截面的等效疲劳载荷。其中，载荷是根据空气动力学和结构动力学软件bladed软件对不同风速下的持续载荷进行计算得到，载荷时序是随着时间变化的载荷序列。每个扇区的20年发生小时数定义为t1、t2
……
t16(假设划分扇区个数n＝16)，发生小时数是根据运行的历史数据进行线性规划拟合得到预期的20年的风向在对应扇区中的发生时间(小时数)。
36.根据等效疲劳载荷-应力关系，计算得到单个扇区、单个焊缝的应力范围和循环次数。
37.(5)在塔筒各截面环焊缝等间距选取疲劳累计热点，计算每个热点在每个扇区下的疲劳损伤，并累加得到每个热点20年寿命对应的疲劳损伤。
38.在塔筒的各截面环焊缝等间距选取疲劳累计热点：推荐1.5
°
角度取一个热点，则按一个扇区22.5
°
计算，一个扇区共计16个热点(包括首尾与相邻扇区共用的热点)。每个热点按顺序进行编号，依次得到n1、n2
……
n240。
39.根据每个扇区的等效疲劳载荷计算塔筒环焊缝所有热点的疲劳损伤。定义环焊缝热点在一个扇区等效疲劳载荷下对应的疲劳损伤为：di,j，其中，i代表扇区编号，j代表环焊缝热点编号。例如偏航方位角在扇区1，环焊缝热点编号10，对应的等效疲劳损伤则命名为d1,10。
40.将环焊缝每个热点在每个扇区下的疲劳损伤进行累加，得到环焊缝每个热点20年寿命对应的疲劳损伤。根据miner法则，有各环焊缝热点的20年寿命疲劳损伤值可用如下公式表达：
41.d1＝d1,1 d2,1
……
d16,1(其中，d1代表热点1在所有扇区载荷作用下的疲劳损伤),依次有d2＝d1,2 d2,2
……
d16,2，依此得到：
42.dn＝d1,n d2,n
……
d16,n(n代表第n个热点)
43.根据风机在运行服役期的历史数据实时预测20年寿命期中，塔筒环焊缝各热点的疲劳损伤值。则有：
44.d1a＝d1,1
×
t1/t1 d2,1
×
t2/t2
……
d16,1
×
t16/t16(其中，d1a代表热点1在所有扇区运行状态下的预测20年损伤)，其它焊缝依次类推。
45.采用分扇区计算各塔筒环焊缝热点疲劳损伤的方法可以有效的降低塔筒10％的重量。
46.(6)当环焊缝某个疲劳累计热点的疲劳损伤超过疲劳损伤设计值时，为使其预期的寿命满足设计要求，控制系统发出偏航方位角寿命管理指令，控制机组运行在载荷相对较低的偏航扇区范围内。
47.本发明塔筒焊点寿命预测值超过设计值时，或者根据疲劳剩余寿命的管理以及发电量损失最小的原则，基于在线焊点的疲劳寿命预测，获得最优的偏航方位角的运行扇区，基于疲劳寿命的可靠性要求进行偏航扇区的智能调度。可以更加精准判断风电机组塔筒在各扇区内的损伤和寿命，提高了风电塔筒的预期寿命。该方法简单、易操作，得到的结果可靠性和准确性较高。
48.以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。