2024风电机组柔塔技术关键点与解决方案

风电机组柔塔技术关键点与解决方案风电机组柔塔技术关键点与解决方案为何需要柔塔？为何需要柔塔？为什么需要柔塔？为什么需要柔塔？全国年平均风速分布在严重不匹配的问题全国年平均风速分布不足，弃风限电能资源却不如人意划中明确表示要加快开发中东部和南方地区陆上风能资源受政策及商业利益驱使，风电开发市场逐渐南移，低风速风电发展起来陆上风电开发向低风速区挺进，分散式风电经常面临低风速区域来自国家气候中心（2017-12-31）来自国家气候中心（2017-12-31）新增低风速技术开发量7亿千瓦，19个省（区、市）风资源技术开发量由原来的3亿千瓦加到10亿千瓦截至2018年底，我国累计装机容量达到2.1亿千瓦，20182200万千瓦，新增低风速开发量足够开发33年140m100m5.0m/s140m100m5.0m/s到5.53m/s某2MW风电机组发电量提升风切变0.10.150.20.250.3度1406.95%10.59%14.17%17.76%20.34%1203.69%5.74%7.74%9.38%11.38%1000.00%0.00%0.00%0.00%0.00%

约10%增加塔架高度获取更好的风资源塔架质量（t）塔架质量（t）依旧采用原有的塔架设计技术——更高的刚塔？某2MW机组塔架重量某2MW机组塔架重量塔架高度（m）刚塔塔架重量随高度快速上升，100m增加20m，塔架重量增加近1.5倍，经济性差120米高度下柔塔的质量为刚塔的68%全钢柔塔现状国外：120-160m均有批量商业运行业绩全球范围内已安装上万台100m以上的柔塔机组5台175m高度的柔塔机组已在芬兰安装运行国内：120-140m已有批量商业运行业绩截至2017年底，国内吊装容量约690MW，占2017新增装机容量3.5%，并网容量为211MW国内厂商正在研发设计140m以上的机组全钢柔塔现状国内：全钢柔塔现状风能协会发布高塔调研报告北京鉴衡认证中心，正在编制柔塔机组技术规范北京鉴衡认证中心，详细认证（定模糊的内容）柔塔技术关键点柔塔技术关键点全钢柔塔技术关键点全钢柔塔技术关键点刚塔刚、柔塔柔，重要表征量：塔架频率频率 降低频率 降低加0.35Hz0.3Hz0.250.20.150.170 80 90 100 110 120 130 塔架高度m频率降低，高度增加全钢柔塔全钢柔塔频率降低高度增加塔架共振涡激振动塔顶摆幅低空急流运输安装及维护全钢柔塔—塔架共振全钢柔塔—塔架共振频率降低，高度增加全钢柔塔全钢柔塔频率降低高度增加塔架共振涡激振动塔顶摆幅低空急流运输安装及维护塔架共振：当激振力的频率和塔架固有频率相近时，塔架发生共振3P1P3P1P激振力来源

0.80.7风轮旋转频率的3倍（3P）

0.60.4频率（Hz）0.50.4频率（Hz）风轮旋转频率（1P）

0.30.20.107 8 9 10 11 12 13 14 15 16风轮转速（rpm）Campbell图（反应激振力和系统固有频率的关系，用以共振分析）塔架共振：当激振力的频率和塔架固有频率相近时，塔架发生共振切入转速转速运行范围切入转速转速运行范围切出转速（额定转速）3P特刚塔筒频率传统刚塔频率1P柔性塔筒频率超柔塔筒频率0.80.70.6频率（Hz）0.5频率（Hz）0.40.30.20.107 8 9 10 11 12 13 14 15 16风轮转速（rpm）柔塔的风轮转速频率（1P）与塔架一阶固有频率存在交点全钢柔塔—塔架共振塔架共振：当激振力的频率和塔架固有频率相近时，塔架发生共振全钢柔塔—塔架共振切入转速切出转速切入转速切出转速（额定转速）柔性塔筒频率超柔塔筒频率共振转速11.3rpm某0.188Hz柔性塔架1P0.250.2频率（Hz）0.15频率（Hz）0.10.0507 8 9 10 11 12 13 14 15 16风轮转速（rpm）柔塔的风轮转速频率（1P）与塔架一阶固有频率存在交点，存在共振转速全钢柔塔—塔架共振规避措施全钢柔塔—塔架共振规避措施Solution1——避开共振转速：共振穿越技术共振转速11.3rpm共振转速11.3rpmSolution2——降低1P激励：不平衡补偿技术风轮不平衡是机组1P的最主要的激励源，随着风轮旋转周期性作用在机组上控制风轮装配的不平衡通过监测塔顶振动加速度的能量水平，调节机组的叶片桨距角互差，抵消部分风轮不平衡的影响，以期将不平衡的影响降到最低Solution3——增加阻尼：or软件加阻振动硬件加阻——TMD（摆锤）阻，斜拉索软件加阻——动效果（前后）形成抑制振动的扭矩效果（左右）全钢柔塔—涡激振动全钢柔塔—涡激振动全钢柔塔频率降低高度增加全钢柔塔频率降低高度增加塔架共振涡激振动塔顶摆幅低空急流运输安装及维护涡激振动：风吹塔筒形成的脱落涡频率和塔架频率相近时，塔架发生共振涡激振动：任何非流线型物体，在流体场中会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡，旋涡会对结构产生交替的横向作用力。当结构处在稳定流速中，且流体产生的旋涡的激振频率与结构固有频率接近时会在垂直于来流方向引起结构横向振动。这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的涡流脱落形态，恶化表面漩涡的脱离。这种流体-结构物相互作用的现象，被称作“涡激振动”涡激振动：风吹塔筒形成的脱落涡频率和塔架频率相近时，塔架发生共振某140米柔塔一阶振型一阶频率：0.16Hz

某140米柔塔二阶振型二阶频率：0.93Hz

当脱落涡频率和塔架的一阶频率相近时，塔架发生一阶涡激振动当脱落涡频率和塔架的二阶频率相近时，塔架发生二阶涡激振动刚塔也会发生涡激振动吊装时一阶涡激振动

风速（m/s）涡激EN1991-1-42005无机头塔架风速（m/s）涡激EN1991-1-42005无机头塔架脱落频率（0.18St）（Hz）10.04720.09530.14240.18950.23760.28470.33280.37990.426100.474110.521120.568130.616某柔塔不带机头的塔架的一阶频率在0.314-0.4Hz速在5-9m/s，需进行避涡激振动措施经过测算，该现象作用天，消耗机组1年的寿命吊装时一阶涡激振动在吊装阶段给上段的塔架附加扰流条工装，破涡止振运营时一阶涡激振动风速（m/s）EN1991-1-42005有机头塔架的涡激脱落频率（Hz）10.04720.0953风速（m/s）EN1991-1-42005有机头塔架的涡激脱落频率（Hz）10.04720.09530.14240.18950.23760.28470.33280.37990.426100.474110.521120.568130.616某140m塔架的一阶涡激振动最大单边位移0.16m组安全性影响可接受，某140米柔塔疲劳损伤在E-4的量级，涡限载荷的9.5%风速（m/s风速（m/s）EN1991-1-42005涡激脱落频率（0.18St（Hz）130.616140.663150.711160.758170.805180.853190.900200.947210.995221.042231.089241.137251.184261.232271.279281.326291.374

、偏航不对准、切出风速附近时易发生涡激振动引起的段阶塔架振动（体现在相对频繁、较高的塔顶振动加速度上），并耗塔架疲劳寿命某140m塔架的二阶涡激振动最大单边位移0.11m经过测算，对于140m塔架，该现象每作用分钟，相当于消耗机组年积涡激振动约小时就会发生疲劳破坏运营期二阶涡激振动针对性的处理方案，如：增加空转时的气动阻尼、塔架中部加阻尼（如水箱）涡激振动由于标准规定相对模糊，部分厂家设计中未予以考虑目前鉴衡认证，要求所有认证的厂商进行二阶涡激振动的考虑二阶涡激振动阻尼比与柔塔涡激振动疲劳损伤计算相关的参数中：尺寸、质量、频率和空气密度等可以快速准确获得，振型通过有限元分析软件获得只有结构阻尼比目前都通过测试得到根据某140柔塔，分析了不同阻尼比下涡激振动的损伤值，阻尼比降低60%，损伤增加32倍塔架损伤对阻尼比的变化非常敏感阻尼比𝜉阻尼比𝜉损伤D1%0.0331.5%0.00972.0%0.00322.5%0.0010.0350.030.0250.020.0150.010.005 0柔塔二阶涡激振动在设计阶段应考虑合适的二阶结构阻尼参数，应通过测试来获得塔架真实的阻尼参数柔塔二阶涡激振动在设计阶段应考虑合适的二阶结构阻尼参数，应通过测试来获得塔架真实的阻尼参数全钢柔塔—塔顶摆幅全钢柔塔—塔顶摆幅规避措施和避共振措施相似：塔架加阻全钢柔塔频率降低全钢柔塔频率降低高度增加塔架共振涡激振动塔顶摆幅低空急流运输安装及维护全钢柔塔—低空急流全钢柔塔—低空急流全钢柔塔频率降低高度增加全钢柔塔频率降低高度增加塔架共振涡激振动塔顶摆幅低空急流运输安装及维护低空急流：某些高度层的风速急速上升发生在距地表100米到200米常规测风塔的观测高度无法有效观测

现阶段规避措施：增加柔塔风剪切的要求 参考文献：北京夏季夜间低空急流特征观测分析，李炬，舒文军全钢柔塔—运输安装及维护全钢柔塔—运输安装及维护全钢柔塔频率降低高度增加全钢柔塔频率降低高度增加塔架共振涡激振动塔顶摆幅低空急流运输安装及维护整体难度，相对加大安装：需要更大型的吊装设备。大型的设备，对场址道路要求更高。维护：爬升困难，安装助爬器、电梯等因塔架变形更大带来更高的要求。全钢柔塔技术风险点全钢柔塔技术风险点整体来看，柔塔的主要技术难点不在塔架本身，而在其整机的控制设计上。通过认证的机组，就能在特定场址放心大胆的用吗？特定场址下，厂商是否确保机组的安全运行？？？数信息与认证机组一致或覆盖，以确保机组运行的安全运行！！！案例案例总结总结增加塔架高度这么简单，