0 引言风能作为一种可再生能源, 具有广阔的发展前景近年来, 风电产业发展迅速,2007 年底到 2011 年底, 世界风电总装机容量从 94GW 增长到 239GW, 其中我国的装机容量从 5.9GW 猛增到 63GW, 居世界第一预计到 2030 年, 风力发电将提供全球 20% 左右的电

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构鲍
5 years ago
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1 现有风力发电机组地震作用计算方法对 5MW 风力发电机组的适用性研究季亮 1 祝磊 1 姚小芹 2 杨洪源 2 1. 工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心, 北京建筑工程学院土木与交通工程学院, 北京 ;2. 北京鉴衡认证中心, 北京摘要 : 中国风电产业发展迅速, 每年安装大量风力发电机组, 单机容量越来越大风力发电机组作为一种特殊的高耸结构, 其抗震性能需要受到格外关注, 以确保结构的安全性目前, 对于风力发电机组在地震作用下的结构反应, 国内外规范标准给出了一些计算方法, 但这些方法多是根据单机容量不超过 2MW 的风力发电机组分析得到, 其对更大容量风力发电机组的适用性有待探讨本文基于一台 5MW 风力发电机组的实际数据, 采用中国地震反应谱, 进行了有限元反应谱分析并分别采用日本风电规范 IEC 标准以及中国计算公式进行了该 5MW 风力发电机组塔架剪力弯矩的计算, 通过与有限元计算结果对比, 分析了各公式的适用性, 为中国地震环境下的风力发电机组抗震计算提供了有益参考关键词 : 风力发电机组 ; 抗震计算方法 ; 有限元分析 ; 反应谱分析 Applicabiliy of exising seismic calculaion mehods for wind urbines on a 5MW wind urbine Ji Liang 1 Zhu Lei 1 Yao Xiaoqin 2 Yang ongyuan 2 1. Beijing igher Insiuion Engineering Research Cener of Srucural Engineering and New Maerials, School of Civil and Transporaion Engineering, Beijing Universiy of Civil Engineering and Archiecure, Beijing, , China 2. China General Cerificaion, Beijing , China Absrac: China wind power indusry is developing rapidly and more and more wind urbines wih large capaciy are assembled every year. As a kind of special high rise srucure, he seismic performance of he wind urbine should be drawn aenion especially o ensure is srucural safey. A presen, he domesic and inernaional sandards have formulaed some seismic calculaion mehods for wind urbines, and hey are generaed by analysis of wind urbines no more han 2MW capaciy, so heir applicabiliy o larger capaciy wind urbines is worh researching. In his paper, based on a 5MW wind urbine, he finie elemen response specrum analysis according o Chinese response specrum is carried ou. Japanese wind urbine specificaion, he IEC sandard and Chinese formulae are used o calculae he ower shear and momen. By comparison wih he finie elemen mehod, he applicabiliy of hese mehods is analyzed, which can provide a useful reference for he seismic calculaion of wind urbines in China. Keyword: wind urbine seismic calculaion mehods finie elemen analysis response specrum analysis 基金项目 : 国家自然科学基金青年基金资助项目 ( ); 北京建筑工程学院科学研究基金项目 ( )

2 0 引言风能作为一种可再生能源, 具有广阔的发展前景近年来, 风电产业发展迅速,2007 年底到 2011 年底, 世界风电总装机容量从 94GW 增长到 239GW, 其中我国的装机容量从 5.9GW 猛增到 63GW, 居世界第一预计到 2030 年, 风力发电将提供全球 20% 左右的电力需求, 而我国的风电装机容量预计达到 513GW[1,2] 中国是风力资源丰富而地震活动频繁的地区, 由于各种原因, 许多风电场建设在地震带附近, 甚至高烈度设防的地区, 如北京内蒙古新疆南澳海南等近年来随着单机大容量风力发电机组的不断涌现, 机舱风轮上部质量越来越大, 塔体高度随之增大, 以致风力发电机组整体柔度较大, 在地震作用下结构反应强烈风力发电机组属于头重脚轻的特殊高耸结构, 塔架是十分关键的组成部分, 在设计过程中, 考虑其抗震性能十分重要, 以保证塔架具有足够的强度支撑上部重量以及抵抗地震作用的能力, 确保整机的稳定性安全性针对风力发电机组抗震设计的计算方法, 各种国内外规范提出了一些依据 2MW 以下风力发电机组的分析结果得出的理论和公式, 但鉴于目前单机容量越来越大的发展趋势, 现有的理论和公式是否仍然适用需要进行研究分析本文基于一台 5MW 的风力发电机组的详细数据, 建立一体化有限元模型, 按照中国标准设计地震反应谱进行了反应谱分析, 然后分别采用日本风电规范风力发电设备支持物构造设计指针同解说 [3] 国际电工委员会标准 IEC [4] 和文献 [5] 中选用中国反应谱分析得出的计算公式进行塔架剪力和弯矩的计算, 得出剪力和弯矩沿塔架的分布对比图, 并分析用以上方法计算 5MW 风力发电机组的适用性对于提出和完善针对我国实际情况的抗震计算理论具有很好的参考价值, 有益于我国风电产业的蓬勃发展 1 有限元计算结果根据文献 [6] 提供的 5MW 风力发电机组详细参数, 运用 ANSYS 模拟有限元一体化模型筒形 Q235 钢塔体高 87.6m, 质量 , 采用 beam189 单元模拟变截面 ; 机舱质量 240, 质心相对塔顶高度 1.75m, 轮毂质量 56.78, 机舱和轮毂以集中质量的方式采用 mass21 质量单元模拟 ; 叶片长度 61.5m, 叶轮倾角 5 度, 质量 17.74, 采用 beam4 单元模拟 ; 叶轮悬臂长度 5m; 用刚性杆连接各个组成部分, 建立塔架 - 机舱 - 叶片整体模型进行模态分析得到结构基本自振周期为 3.135s 按照建筑抗震设计规范 (GB )[7] 规定的标准设计反应谱, 取抗震设防烈度 8 度, 罕遇地震, 场地类别 IV, 设计地震分组三, 结构阻尼比按照烟囱设计规范 (GB )[8] 中钢烟囱的规定取 0.01 相应的标准设计反应谱如图 1 所示对叶片处于竖直位置时的风力发电机组进行振型分解反应谱分析, 反应谱从正面输入, 得到应力分布情况如图 2 所示, 最大应力发生在塔架底部, 应力值为 161MPa, 小于钢材 Q235 强度设计值 215MPa; 最大基底弯矩为 kNm; 最大基底剪力为 2074kN 为验证有限元结果的准确性, 用 SAP2000 建立该 5MW 风力发电机组模型, 进行地震反应谱分析, 得到最大基底弯矩为 kNm, 与 ANSYS 相比误差 0.6%,; 最大基底剪

3 力为 2064kN, 误差 -0.5%, 以上数据表明有限元分析结果是可靠的周期 /s 图 1 标准设计反应谱 [7] 图 2 应力分布 2 日本规范日本是地震灾害频发的国家, 进行了大量风力发电机组抗震方面的研究, 编制完成了日本唯一的风力发电机组支持结构设计的规范风力发电设备支持物构造设计指针同解说, 该规范研究了极端罕见的地震工况, 全面地阐述了风力发电机组结构设计的流程, 是日本对风力发电机组结构设计研究成果的总结 [3,9] 由于地震可能在风力发电机组运行时发生, 规范规定发电时的荷载作用 ( 风和地震的组合 ) 为风力发电机组停机时的地震作用效应与发电时的风荷载之和该规范选用了 6 台 2MW 以下的实际风力发电机组原型进行数值分析, 对风力发电机组在静止状态下, 结合建筑抗震规范中的振型分解反应谱法和地震剪力分布概念, 提出了修正后的底部剪力和剪力分布计算公式 [9] 目前, 该规范包括 2007 版和 2010 版, 对于高度超过 60m 的风力发电机组结构设计, 要求使用 2010 版规范中规定的时程分析方法计算地震作用 ; 高度小于 60m 的风力发电机组, 采用 2007 版规定的以静力等效原则为基础推导出的计算公式这里选用 2007 版的理论公式计算塔架高度为 87.6m 的 5MW 风力发电机组, 检验该理论公式是否可用于高度在 60m 以上的大容量风力发电机组选用中国标准设计地震反应谱计算所需参数, 代入公式 (1) 和公式 (2) 得到塔架底部最大剪力 1708kN, 最大弯矩 kNm 风力发电机组停机时的水平地震作用计算公式如下所示[3]: (1) Q si =k 0 ZC b A qi W (2) M si = k 0 ZC b A mi Wh g Q si :Z i 处的剪力,M si :Z i 处的弯矩 C b : 无量纲基底剪力系数,C g : 高阶模态修正系数 A qi : 剪力沿竖直方向分布系数,A mi : 弯矩沿竖直方向分布系数 h g : 塔架重心高度, : 塔架高度 W: 风力发电机组总重量 (N), k 0 : 设计水平地震动 k 0 =a 0 /g T: 风力发电机组固有周期,Z: 地震区域系数 ( 对于中国的地震计算可取 1)

4 Z i : 计算截面到塔架底部的高度 S 0 ( 0.7 ) a ( T, ) T s Cb 0.641(1 Cg )( ) Cg 0.7 T a (1 e ) ( T 0.7 s) A h qi g 3 IEC 方法 zi zi Ami C 1 C g g 国际电工委员会标准 IEC 的宗旨是加强电气和电子领域有关标准化问题的国际间合作, 促进国际间的统一该标准规定了风力发电机组结构设计中需考虑的设计工况荷载状态荷载计算最大极限状态分析等, 概述了风力发电机组最低的设计要求 [4,10] 针对地震作用的计算, 需依据静力等效原则, 将风轮机舱的总质量和塔架质量的 50% 以集中质量的方式加载到塔架的顶部, 建立单自由度简化模型, 然后进行地震作用计算, 简化模型如图 3 所示这里选用地震工程中常用的底部剪力法进行塔架剪力和弯矩的计算, 剪力 1956kN, 从上到下均匀分布, 底部弯矩 kNm, 顶部值为 0 4 中国公式计算图 3 简化模型文献 [5] 根据中国建筑抗震设计规范 (GB )[7] 规定的标准设计反应谱, 采用振型分解反应谱法计算了 7 台风力发电机组, 依据分析结果推导出塔架底部的剪力和弯矩计算公式以及剪力和弯矩沿塔架线性分布的计算公式, 并分别给出了计算所需要的剪力系数和弯矩系数表文献 [5] 所分析的风力发电机组功率范围 :100kW-2MW, 自振周期范围 : s, 对于超出此范围的风力发电机组地震作用计算, 可按照表 1 和表 2 已给出的数值, 采用线性插值的方法求出相应的剪力系数和弯矩系数, 然后按照计算公式 (3) 和公式 (4) 求出塔架底部的剪力和弯矩, 按照公式 (5)

5 和公式 (6) 计算塔架不同高度处的剪力和弯矩基本自振周期 (s) T g (s) 基本自振周期 (s) T g (s) 表 1 基底剪力系数 V 表 2 基底弯矩系数 M 基底剪力和弯矩计算公式 : (3) V G (4) M G b V 1 b M 1 V b : 基底剪力,M b : 基底弯矩 ; V : 基底剪力系数, M : 基底弯矩系数 : 塔架高度,G: 风力发电机组自重, 1 : 基本自振周期对应的地震反应谱影响系数剪力弯矩沿塔架的线性分布系数计算公式 : zi zi (5) AVi (6) AMi A Vi : 剪力沿竖直方向分布系数,A Mi : 弯矩沿竖直方向分布系数 Z i : 计算截面到塔架底部的高度 5MW 风力发电机组基本自振周期 3.135s, 根据表 1 和表 2 的数值, 按照线性外插计算得到的基底剪力系数 V 为 1.329, 基底弯矩系数 M 为适用性分析对比建立完整的 5MW 风力发电机组有限元模型, 采用振型分解反应谱法进行地震作用计算, 较为真实地模拟整个结构在地震作用下的反应这里以 ANSYS 计算出的剪力和弯矩为标准, 比较各规范地震作用的计算结果按照日本规范风力发电设备支持物构造设计指针同解说规定的公式 (1) 和公式 (2) 计算塔架高度 87.6m 的 5MW 风力发电机组, 剪力平均误差 -14%, 弯矩平均误差 -5%; 塔架顶部剪力占底部剪力的 80%, 顶部弯矩占底部弯矩的 3%; 可见, 公式 (1) 和公式 (2) 计算结果稍偏小, 基本适用于 5MW 的风力发电机组地震作用计算

6 IEC 的计算方法较为简洁, 简化模型可看作单自由度悬臂结构, 用底部剪力法计算得到塔架剪力平均误差 11%, 弯矩平均误差 1%, 剪力沿塔架上下均匀分布, 塔架弯矩呈线性分布虽然采用该方法进行 5MW 风力发电机组的地震作用计算, 误差不是很大, 但计算过程未考虑风轮机舱塔架的质量刚度分布对结构的影响, 其结果可作为地震作用下塔架剪力和弯矩的估算, 用于结构设计过于粗略采用文献 [5] 给出的地震作用计算公式 (3) 和公式 (4), 塔架剪力平均误差 82%, 弯矩平均误差 117%, 误差较大, 因此不适于计算 5MW 风力发电机组的地震作用该文献给出计算剪力和弯矩协调系数对应的最大自振周期为 2.425s, 最大功率为 2MW, 而 5MW 风力发电机组自振周期为 3.135s, 已远超出给定的最大值, 直接采用线性插值的方法计算出的剪力和弯矩系数可能不够准确计算结果表明, 对于不超过 2MW 的风力发电机组可以按线性插值的方法求得剪力和弯矩系数, 采用公式 (3) 和公式 (4) 进行计算, 但 2MW 以上的系数不能直接按线性插值的方法计算, 其数值分布应根据更多台 2MW 以上的风力发电机组地震作用的研究情况推导得到, 需要进行更深入的研究以有限元的分析结果为标准, 对比采用以上方法计算出的塔架剪力和弯矩, 并计算误差, 如表 3 表 4 所示剪力和弯矩沿塔架的分布对比见图 4 和图 5 日本规范和 IEC 的计算方法得出的剪力和弯矩沿塔架均呈线性分布, 有限元计算的剪力和弯矩呈曲线分布, 但三者的分布趋势相似, 塔架底部的剪力和弯矩最大, 顶部最小, 基本符合悬臂结构在地震作用下的理论分析 ; 采用文献 [5] 所得的剪力和弯矩沿塔架线性分布, 但数值上偏差较大 Z i ANSYS 日本规范误差 IEC 误差中国算法误差 m kn kn % kn % kn % 表 3 各规范计算的塔架剪力以及误差 Z i ANSYS 日本规范误差 IEC 误差中国算法误差 m kn kn % kn % kn %

7 /m /m 表 4 各规范计算的塔架弯矩以及误差图 4 塔架剪力分布对比 ANSYS SAP2000 日本规范 IEC 中国规范 Q/kN ANSYS SAP2000 日本规范 IEC 中国规范 M/10^4kNm 图 5 塔架弯矩分布对比 6 结论通过现有风力发电机组地震作用计算方法与有限元计算结果的对比, 研究了其对 5MW 风力发电机组的适用性, 得出以下结论 : (1) 日本规范风力发电设备支持物构造设计指针同解说 (2007) 中规定的抗震计算公式虽然是根据 2MW 以下风力发电机组为原型归纳总结所得, 但对 5MW 风力发电机组也有较高精度, 但计算结果稍偏小, 基本适用于 5MW 风力发电机组的计算 (2)IEC 标准给出的计算方法对 5MW 风力发电机组的设计具有一定的适用性, 可以作为塔架剪力和弯矩计算的参考, 但不适宜作为设计依据 (3) 文献 [5] 给出的地震作用计算公式结果误差较大, 不适用于计算 5MW 风力发电机组, 需要进行更多的推导和验算 (4) 研究现有风力发电机组地震作用计算方法对 5MW 风力发电机组的适用性, 对改进和完善中国地震环境下的大容量风力发电机组抗震设计方法具有一定的参考价值

8 参考文献 : [1] World wind energy associaion. hp:// [2]Global wind energy council. Global wind energy oulook 2010[R] [3] 石原孟. 风力发电设备支持物构造设计指针同解说 [S],2007. 日本土木学会,2010. [4]IEC Wind Turbines,Par 1: Design requiremens [S]. Inernaional Elecroechnical Commission,2003. [5]Zhu Lei,Wang Yuanqing,Shi Yongjiu.Seismic load analysis of wind urbines by response specrum approach [C]The 2nd Inernaional Conference on Energy and Environmen Technology (ICEET2010),Changsha,China, : [6]Jonkman J,Buerfield S,Musial W. Definiion of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore Sysem Developmen[R]. U.S. Deparmen of Energy Office of Scienific and Technical Informaion,2009,1. [7] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑抗震设计规范 (GB ) [S]. 中国建筑工业出版社,2010. [8] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 烟囱设计规范 (GB ) [S]. 中国计划出版社,2003. [9] 祝磊, 石原孟. 日本风力发电设备支持物构造设计指针及解说 (2010) 简介 [J]. 特种结构, : [10] 祝磊. 风电机组结构抗震研究现状 [J]. 风能,2010.4:

Fig. 1 Frame calculation model 1 mm Table 1 Joints displacement mm

Fig. 1 Frame calculation model 1 mm Table 1 Joints displacement mm 33 2 2011 4 ol. 33 No. 2 Apr. 2011 1002-8412 2011 02-0104-08 1 1 1 2 361003 3. 361009 3 1. 361005 2. GB50023-2009 TU746. 3 A Study on Single-span RC Frame Reinforced with Steel Truss System Yuan Xing-ren