海上风机灾害分析

海上风机灾害分析

在过去几十年中，全球经济的快速增长。作为工业革命以来最重要的能源,化石能源不仅造成了严重的环境污染,而且面临日益枯竭的严峻问题。可再生能源因为自身零排放的特征而备受关注。其中,风能凭借全球范围内迅速增长的装机量而成为可再生能源中重要的一部分。截至2017年底,全球共有超过90个国家和地区开始利用风机并网发电。如图1所示,全球风能累计总装机容量达到了539GW,其中有52GW是2017新增装机量中国在全球风能市场中处于领先地位,到2017年底全国风电装机容量新增加19GW。目前中国风力发电可满足全国4.8%的能源消耗需求为了实现最大能量产出效率,海上风场需要设立在离岸区域,并且实现无人化管理。因此,风机的结构直接暴露于多变甚至极端气候环境条件中,极易受到台风,热带气旋,地震,波浪,雷击和暴风雪的影响。这些共同因素使得风机在工作中受到的荷载情况多变且不确定,在不同工况组合下产生了较高的机械应力经历几十年的发展,结构健康监测(StructuralHealthMonitoring,SHM)技术已被成功应用于大型土木结构(如桥梁和高层建筑)和机械结构这篇综述具体介绍了由台风、地震和波浪引起的结构损伤,并系统阐述了结构健康监测理论和具体应用实例。1灾难分析1.1风机结构监测中的影响因素大部分风机都直接暴露于高平均风速的自然环境中。尤其对于海上风机,强台风和波浪共同作用带来的影响是风机结构监测中不可忽视的因素。中国很多地区处于地震多发带,对于陆上和海上风电场,地震荷载同样值得关注,以确保风电场的稳定运转。1.1.1风机结构损伤,塔架整体倒塌为了实现更高的能量产出效率,越来越多的风电场选择建在沿岸地区甚至海面之上,以充分利用更高的平均稳定风速。与此同时,台风(又称之为飓风)因为其极高的瞬时风速,对风机结构的稳定性造成了很大威胁。海上风机尤其容易受到台风影响。近年来,由台风引起的风机结构损伤甚至塔架整体倒塌引起了广泛的社会关注。台风在极端风速、风速梯度、粗糙长度和阵风因子等方面与常态风有着显著不同,因此造成的结构响应也有所不同与台风鸣蝉同年,第13号强烈台风杜鹃袭击了中国东南沿海地区。报告显示,红海湾风电场25台风机中有13台受到台风的影响超级台风桑美正面袭击了中国东南沿海地区。浙江温州苍南县鹤顶山风电场在台风桑美中受到了严重破坏。其中33个风机叶片发现损伤,五个塔架由于出现在不同位置的屈曲而倒塌中国台湾台中彰化滨海工业区在2008年台风蔷蜜中遭受了严重损失。在超过53.4m/s的平均风速下,五台风机的发电机组和七个叶片展现出不同程度的破坏上述五场台风的总结如表1所示。1.1.2风机结构破坏根据文献报告显示,美国境内曾经有两次地震发生在风电场附近:1986年NorthPalmSpring里氏6.2级地震和1992年发生在Northridge的6.7级地震日本第一个外海海上风电场(Kamisu风电场第一期)在2011年3月11日发生的东日本大地震及海啸中并未出现风机结构破坏虽然目前只有很有限的风机故障是由于地震引起,然而完全忽略风机结构地震响应无疑是不可取的。因此后文中也详细阐述了关于地震环境下风机结构响应的研究现状。1.1.3海浪海上风机,尤其是漂浮式风机,易于受到波浪和冰荷载的侵蚀1.1.4其他由于裂缝的出现,荷兰Nordzee风电场的三个墩基础需要重新更换1.2灾难分析1.2.1负荷模拟1.2.1.风机风速分析中的风速模型台风与普通风主要区别在于台风拥有更高的平均风速和频繁的强度震荡。对风速分布的分析是风机灾害分析的前提条件。如文献然而,由于台风中风机极有可能和电网失去连接,风速表因此将不能记录风速历史。类似的案例在文献1.2.1.模型简化约束为了评估地震对风机结构完整性的影响,不同的规范被相继提出。国际电工委员会(IEC:TheInternationalElectrotechnicalCommision)建立了风电行业的国际标准在IEC建议的简化方法中,模型基底节点处需要全约束。此简化方法在中等强度或者柔性土的应用中精准度较低1.2.1.流体动力学的分析方法海上风机和陆上风机最大的不同就是海上风机的基础部分长期处于海平面以下,因此更易受到水流、波浪和其他环境荷载的影响为了简化流体动力学问题,常采用线性化分析方法。Jonkman和Sclavounos在文献由于多数海上风机设立于水深小于30m的近海1.2.2弹簧对失效模式的模拟有限元模型常用于分析外力施加下的风机结构响应。过度变形、疲劳、屈曲和塑性失稳是风机塔架常见的失效模式前文提到的SSI效应,在有限元建模中常用弹簧来模拟。在对2011年东日本大地震中受损风机的研究中,Butt和Ishihara引入了摆动模型模拟风机基础的SSI效应近期,Mardfekri和Gardoni建立完整的三维有限元模型以分析土壤-基础-风机整体结构响应2完整性处理方法经过数十载的发展,结构健康监测技术已成为评估大型结构功能性安全性完整性的常用方法。通过处理传感器和采集系统收集的数据,用户可对结构的运行状态(甚至包括结构的损伤位置和严重性)做出判断和评估。由于可提供结构损伤信息,整体结构健康检测技术也是最近的研究热点。文献2.1大桥的健康检测技术结构健康监测技术已经成功应用于桥梁围绕青马大桥的健康检测技术,香港路政署和香港理工大学发表了大量文献。Wang的研究团队建立精细化的有限元模型来测试模型对损伤的敏感度2.2健康疾病监测的技术原理2.2.1优化结构设计的重要性正如前文所述,结构健康监测技术对于评估现役结构完整性安全性具有极其重要的意义。Balageas等人在文献1)优化结构使用状况,减少故障时间,以及避免灾难性事故的发生。2)为建设者优化结构设计提供相关信息。3)优化维修服务流程。2.2.2损伤的分级和模态分析方法而损伤探测是结构健康监测系统的一个重要目的。针对不同检测目标,多样化的损伤探测技术逐渐在市场中投入使用。Rytter将这些方法系统归类为下列四个等级第一级:识别早期损伤的产生。第二级:定位损伤。第三级:评估损伤程度。第四级:预测结构剩余服务寿命。损伤根据结构特性可以划分为线性损伤和非线性损伤。当结构的线弹性在损伤后仍然维持时,该损伤可被分类为线性损伤。模态分析方法是检测此类损伤的常用工具。众多文献针对损伤出现后模态参数的变化做出了研究,包括共振频率、阻尼、振型、频响函数、柔度矩阵、以及与模态振型指标相关的其它复杂指标等。Salawu对基于自振频率变化的结构健康技术进行了系统地总结2.2.3结构健康监测在桥梁中的应用在实际运转中,结构体暴露在多荷载共同作用环境下。Qin将桥梁中具体出现的荷载在文献传感器布设是结构健康监测成功与否的前提。众多研究根据有限元模型分析结果,提出了不同的损伤关键位置。对于不同采样参数需要采用对应的传感器。Wong在文献2.3风电场质量检测风机的设计使用年限通常为10~30年。由于长期暴露在强风、地震、波浪等极端环境中,风机的叶片和塔架在日常运转中积累了大量的荷载循环。Chakoua等人在文献结构健康监测系统可探测结构早期损伤,预防联合损伤甚至塔架整体倒塌的发生,因此在风电场应用结构健康检测技术是具有现实意义的。与此同时,通过分析反馈数据,可优化维护安排,节约维护时间。海上风电场维护较陆地风电场更为困难,因此结构健康监测技术的实施对海上风电场具有关键意义。此外,结构健康监测也为日后风机优化设计提供了有用信息。大量文献对风机健康检测技术进行了研究2.3.1振动分析应用振动分析是运用最广泛的结构健康监测技术,尤其适用于如风机叶片等转动机械构件。如图8所示,振动分析可用于结构损伤的早期探测。位置传感器、速度传感器、加速度计和光能量传感器可分别应用于低频到高频的检测由于其简便性和易操作性,振动分析已在高层建筑和桥梁结构监测中获得广泛应用。然而,由于振动分析需要额外的硬件和软件,使用成本将会有所提高。根据Hameed等人的研究2.3.2应变测量技术通过安装应变计,应变测量是一种广泛使用的技术。应变测量目前通常用于保障应力安全水平和预测疲劳寿命。该技术在风机叶片损伤探测中已得到具体应用Ciang等人提出了将形状记忆合金嵌入到风机叶片中的可能性2.3.3辅助补充补充法目视检查无疑是最古老的检测技术之一。它还可作为其他损伤探测方法的辅助补充。目视检查通常用于观察转子叶片、吊舱、偏航驱动器、轴承、发电机和变压器的损坏。然而,它的应用局限于表面缺陷,并且高度依赖于检验员的经验。最近,McGugan在文献2.3.4与其他shm技术的对比声发射是复合材料损伤监测的有力手段。它是基于理论,即在一个介质中的动态变形以瞬态弹性波的形式释放能量AE可以结合振动分析来监测损伤。Soua等AE凭借较大的频率探测范围和较低的信号噪声,相比其他SHM技术有很大优势。然而,AE传感器通常需要位于潜在损伤附近,这在一定程度上限制了声发射在整体结构健康监测中的应用。2.3.5超声检测技术超声波检测是探测固体内部缺陷的常用方法。这一技术是基于超声波在遇到缺陷时的反射散射现象。该方法采用的技术有脉冲回波、螺距捕获和穿透传输。空气耦合超声换能器、激光干涉传感器和电磁超声换能器是超声检测中常用的传感器。超声波从发射器发射到材料中,并由放置在另一侧或同一侧的接收器拾取。所获得的信号可以通HilbertHuang变换、Wigner-Ville分布和小波变换等多种算法进行处理。超声波检测能够在不考虑空气湿度和环境温度的情况下预测结构内部缺陷的位置和性质。该方法的主要缺点是只能探测局部缺陷,通过超声波检测难以确定整个结构的健康状况。2.3.6红外传感器检测热成像分析是基于观察结构表面上的温度差以预测潜在损伤。前提假设是当机械系统存在故障时,所有工作部件发出的热量和温度都将超过正常值。在测试过程中通常会使用红外传感器或照相机。通过红外扫描仪可探测层压材料和粘接接头的内部情况。热成像分析常用于定期人工手动检查。它能够检测元件或系统级的损伤,因此,热成像分析也被用作整体SHM技术评估结构整体稳定性和安全性。该技术的另一个优点是可以验证有限元模型中的应力和应变分布。因此预测可能的失效模式,并提供预防措施来防止进一步的风机损伤。然而,其测试精度受到温度随空间和时间变化的显著影响。而且如Anjar等在文献3风机破坏和失效模式本文综述了海上风力发电机组的故障分析和相关的结构健康监测技术。风电产业在全球范围内飞速发展。由于风电场常坐落于多灾害共存的偏远地区,尤其对于中国的近海风电场,极易受到台风和海浪的影响。同时,中国处于地震多发带,地震对风机结构安全的影响也是不容忽视的一部分。文章首先回顾了有记录以来的风机破坏的实例。针对台风、地震和波浪引起的风机故障进行了总结。台风瞬时最大风速下的计算是台风破坏分析中的关键之一。在地震破坏分析中,介绍了地震响应模拟的时域法和频域法。为了模拟水动力荷载的线性和非线性特性,已经提出了不同的数字模拟方法。对于风机失效模式的研究,通常引入有限元模型,并需要模拟风机基础的S