海上大功率機(jī)組塔筒振動(dòng)超限問(wèn)題分析研究

【摘要】詳細(xì)介紹了某海上大功率、長(zhǎng)葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目在小風(fēng)工況下運(yùn)行時(shí)，頻繁報(bào)塔筒振動(dòng)超限故障問(wèn)題的分析研究過(guò)程和針對(duì)解決方案，包括分析機(jī)組發(fā)生故障時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，海上基礎(chǔ)和特殊工況條件下，可能造成振動(dòng)的原因、解決措施以及運(yùn)行效果驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組塔筒振動(dòng)原因的分析，為海上大功率風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題分析解決提供一種有效解決方案?！娟P(guān)鍵字】海上風(fēng)電機(jī)組大功率等級(jí)塔筒振動(dòng)導(dǎo)管架基礎(chǔ)引言海上風(fēng)電由于具有風(fēng)速高、湍流強(qiáng)度小、不占陸地面積等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)沿海地區(qū)的重要清潔能源。但是，同陸地機(jī)組相比，海上風(fēng)電機(jī)組會(huì)受到海浪、洋流、潮汐等更復(fù)雜的環(huán)境因素影響，極易產(chǎn)生機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題，影響機(jī)組正常運(yùn)行、減少了機(jī)組發(fā)電量，增大了部件疲勞載荷，針對(duì)此問(wèn)題文獻(xiàn)[1]提出了微調(diào)漿距角緩解風(fēng)浪對(duì)機(jī)組的振動(dòng)影響；研究了風(fēng)機(jī)在啟停機(jī)過(guò)程中的振動(dòng)特性；研究了海上風(fēng)電機(jī)組在氣動(dòng)不平衡的情況下的發(fā)電性能和振動(dòng)性能；分析了渦激振動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒的影響。本文針對(duì)近海海域大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在小風(fēng)工況下塔筒振動(dòng)超限問(wèn)題，進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)分析，并提出一種有效的優(yōu)化解決方案。1.概述某海上風(fēng)電項(xiàng)目為近海區(qū)域，離海岸線約三十千米，海水深度約30米。機(jī)組在2至6月份，海上小風(fēng)季工況運(yùn)行過(guò)程中，頻繁觸發(fā)塔筒前后/左右振幅超限故障，單月最多可達(dá)300余次，如表1.1振動(dòng)次數(shù)統(tǒng)計(jì)。海上風(fēng)電機(jī)組塔筒振動(dòng)故障次數(shù)過(guò)多，影響機(jī)組塔筒和基礎(chǔ)疲勞壽命，同時(shí)也會(huì)影響發(fā)電效率和機(jī)組可靠性，降低了用戶滿意度。為解決海上機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題，成立技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行多次技術(shù)分析，在控制轉(zhuǎn)速隔離、偏航、風(fēng)浪同向、尾流影響等方面進(jìn)行一系列分析和測(cè)試，針對(duì)性提出解決方案，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試驗(yàn)證，成功解決塔筒前后/左右振幅超限故障問(wèn)題。表1.1：振動(dòng)次數(shù)統(tǒng)計(jì)表2.塔筒振動(dòng)超限故障數(shù)據(jù)分析對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，所有塔筒前后/左右振動(dòng)故障均發(fā)生在小風(fēng)3-5m/s工況下，機(jī)組在正常發(fā)電運(yùn)行或停機(jī)狀態(tài)，發(fā)電運(yùn)行時(shí)，功率800-1000千瓦，轉(zhuǎn)速約在6.4-6.7rpm范圍，槳角在最小槳角，本章節(jié)選取兩個(gè)典型代表故障數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)分析。2.1某臺(tái)機(jī)組塔筒前后振動(dòng)超限數(shù)據(jù)分析選取某一臺(tái)機(jī)組塔筒前后振動(dòng)故障快照數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，故障快照如圖2.1-2.3所示：

圖2.1：風(fēng)速和功率

圖2.2：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)矩

圖2.3：塔筒振動(dòng)值/振動(dòng)頻譜2.2快照數(shù)據(jù)分析1）故障發(fā)生在小風(fēng)工況，風(fēng)速3-5m/s，功率800kw至1200kw、轉(zhuǎn)速6.7rpm左右，槳角在最小槳角-1度，機(jī)組處于正常發(fā)電狀態(tài)，功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、槳角、振動(dòng)值等運(yùn)行參數(shù)正常。2）在圖2.3可看出，塔筒振動(dòng)頻率為0.3174hz頻率。2.3機(jī)組停機(jī)下塔筒振動(dòng)快照選取某次停機(jī)工況下，機(jī)組塔筒前后振動(dòng)故障快照數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析,故障快照如圖2.4-圖2.6所示：

圖2.4：平均風(fēng)速風(fēng)向

圖2.5：轉(zhuǎn)速、功率

圖2.6：機(jī)組槳角、振動(dòng)值2.4快照分析故障發(fā)生時(shí)，機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，槳角收槳至最大槳角狀態(tài)，功率、轉(zhuǎn)速為零，在故障前約10秒，振動(dòng)值從0.4m/s2快速上升值1m/s2，觸發(fā)振動(dòng)報(bào)警，該故障數(shù)據(jù)可以說(shuō)明，停機(jī)狀態(tài)下的振動(dòng)超限與機(jī)組控制運(yùn)行無(wú)關(guān)。由以上分析可以得出，在項(xiàng)目海域環(huán)境下，存在某些外界環(huán)境條件因素，如特定的季風(fēng)，或尾流和風(fēng)向變化影響，或洋流和潮水漲退潮影響等因素，可引起機(jī)組塔筒振動(dòng)值短時(shí)間內(nèi)突增，超過(guò)振動(dòng)安全報(bào)警閥值。2.5小結(jié)機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題發(fā)生在小風(fēng)3-5m/s工況下，機(jī)組在正常發(fā)電運(yùn)行或停機(jī)狀態(tài)，發(fā)電運(yùn)行時(shí)，功率800-1000千瓦，轉(zhuǎn)速約在6.4-6.7rpm范圍，槳角在最小槳角。在項(xiàng)目海域環(huán)境下，存在某些外界環(huán)境條件因素，導(dǎo)致機(jī)組塔筒振動(dòng)值短時(shí)間內(nèi)突增，超過(guò)報(bào)警閥值。3.振動(dòng)原因分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受外界環(huán)境影響，在特定條件下會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒振動(dòng)問(wèn)題，因環(huán)境因素導(dǎo)致的塔筒振動(dòng)可以分為以下幾個(gè)方面：1）當(dāng)遇到的風(fēng)向變化，機(jī)組會(huì)進(jìn)行偏航動(dòng)作保證吸收足夠風(fēng)能，機(jī)組在偏航過(guò)程中進(jìn)行剎車時(shí)，剎車系統(tǒng)故障容易造成機(jī)組塔筒沖擊振動(dòng)；2）特定風(fēng)向受到尾流或風(fēng)向變化影響等原因，引起的氣動(dòng)不平衡，隨著風(fēng)力機(jī)葉片的不斷擴(kuò)大，氣動(dòng)不平衡對(duì)風(fēng)機(jī)的影響也越大，造成塔筒一階共振，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)超限；3）持續(xù)性的風(fēng)力和波浪力作用在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)上，水動(dòng)頻率與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組引起共振現(xiàn)象。4）特定季風(fēng)風(fēng)況下，洋流和潮水等疊加因素引起的振動(dòng)超限海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)較為特殊，同時(shí)受季風(fēng)、洋流和潮汐的影響，在復(fù)雜環(huán)境因素下，存在某些外部環(huán)境因素的激勵(lì)源，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)超限。本節(jié)將從可能導(dǎo)致海上機(jī)組振動(dòng)的多個(gè)方面，對(duì)振動(dòng)問(wèn)題原因進(jìn)行詳細(xì)分析和排查。3.1偏航過(guò)程對(duì)振動(dòng)影響分析表3.1統(tǒng)計(jì)了部分振動(dòng)故障數(shù)據(jù)的機(jī)組偏航情況，在統(tǒng)計(jì)30次振動(dòng)超限故障中，僅一臺(tái)機(jī)組發(fā)出故障時(shí)處于偏航狀態(tài)。因此，可以排除偏航原因造成的該項(xiàng)目機(jī)組振動(dòng)超限。表3.1：偏航情況統(tǒng)計(jì)3.2尾流影響分析對(duì)項(xiàng)目部分機(jī)組進(jìn)行尾流分析，對(duì)運(yùn)行風(fēng)頻最高的6m/s、7m/s、8m/s、9m/s、10m/s風(fēng)速段尾流計(jì)算如表3.2所示表3.2：風(fēng)速段尾流計(jì)算根據(jù)尾流分析與前期風(fēng)資源數(shù)據(jù)結(jié)合，該項(xiàng)目機(jī)位處尾流效應(yīng)導(dǎo)致的平均折減率為9.49%，受尾流影響最大的機(jī)組為：F40、F41、F42、F46，最大尾流折減影響約12.1%，該項(xiàng)目機(jī)位15m/s的代表湍流強(qiáng)度均小于0.12，湍流強(qiáng)度較小。對(duì)于振動(dòng)高發(fā)機(jī)組F16尾流最大平均影響約為7.9%-9.3%，F(xiàn)21尾流最大平均影響約為3.3%-4.9%,F45尾流最大平均影響約為5.3%-7.6%，均低于風(fēng)電場(chǎng)尾流折減平均水平。根據(jù)尾流分析結(jié)果，風(fēng)機(jī)振動(dòng)與尾流影響大小沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)性，個(gè)別湍流較大和在中間的部分機(jī)位可能會(huì)受到湍流影響，大部分機(jī)位選址間距和機(jī)位排布時(shí)已考慮排除尾流影響。因此，集中批量性的振動(dòng)超限不是由尾流單一影響引起。3.3風(fēng)浪同向?qū)φ駝?dòng)影響分析為分析風(fēng)浪同向?qū)C(jī)組振動(dòng)進(jìn)行，選擇一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行塔底振動(dòng)分析，將振動(dòng)采集設(shè)備測(cè)點(diǎn)布置到機(jī)組塔筒底部，在塔筒底部分別布置前后方向和左右方向的測(cè)點(diǎn)，塔頂數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)錄波。測(cè)試結(jié)果如圖3.1所示，整個(gè)測(cè)試期間，塔基的振動(dòng)加速度比較穩(wěn)定，其有效值基本均在0.05m/s2以下，并且塔筒左右方向的振動(dòng)加速度要大于前后方向的振動(dòng)加速度。選擇另外一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行基礎(chǔ)振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試包括機(jī)組停機(jī)與運(yùn)行，下圖為測(cè)試過(guò)程中，機(jī)組基礎(chǔ)平臺(tái)的振動(dòng)加速度有效值趨勢(shì)圖。從圖3.2可以看出，機(jī)組在停機(jī)工況下，僅受海浪作用下時(shí)，基礎(chǔ)振動(dòng)值在0.005m/s2以下，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，基礎(chǔ)振動(dòng)值在0.05m/s2以下，此機(jī)組基礎(chǔ)整體振動(dòng)水平與上一臺(tái)機(jī)組塔筒底部振動(dòng)水平接近。圖3.1：塔底振動(dòng)測(cè)試圖3.2：基礎(chǔ)振動(dòng)測(cè)試由此可見(jiàn)，在機(jī)組的振動(dòng)測(cè)試過(guò)程中，海浪方向與風(fēng)向基本一致，并且測(cè)試機(jī)組的塔筒基礎(chǔ)振動(dòng)水平與正常機(jī)組接近，因此可以排除風(fēng)浪同向?qū)е聶C(jī)組振動(dòng)的原因。4.塔筒建模與振動(dòng)頻率分析4.1Bladed模型坎貝爾圖計(jì)算對(duì)機(jī)組模型進(jìn)行其坎貝爾圖分析，塔筒一階前后模態(tài)頻率為0.293hz，與現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)量得到的0.293Hz和0.3174Hz塔筒固有頻率非常接近，說(shuō)明機(jī)組塔筒和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)頻率和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行頻率一致。圖4.1：坎貝爾圖0.293Hz和0.3174Hz對(duì)應(yīng)的塔筒共振轉(zhuǎn)速范圍為5.86-6.348rpm，針對(duì)此問(wèn)題，控制上提出塔筒共振穿越策略振動(dòng)抑制解決辦法，最大隔離轉(zhuǎn)速范圍達(dá)15%，2022年2月設(shè)置共振隔離區(qū)之前，機(jī)組在5.8rpm報(bào)塔筒左右振動(dòng)超限較多，2022年3至12月，設(shè)置共振隔離區(qū)后，全場(chǎng)機(jī)組基本不再報(bào)出塔筒左右振動(dòng)超限，說(shuō)明15%隔離轉(zhuǎn)速，對(duì)塔筒與葉輪面內(nèi)一階共振有非常好的抑制效果。4.2塔筒和基礎(chǔ)特殊性和氣動(dòng)不平衡原因分析該項(xiàng)目全場(chǎng)機(jī)組在小風(fēng)季節(jié)，偶發(fā)性集中批量報(bào)出塔筒前后振動(dòng)超限故障，從理論上分析，塔筒前后振動(dòng)超限，不是葉輪轉(zhuǎn)頻與塔筒一階形成面內(nèi)共振的原因，屬于海上塔筒基礎(chǔ)特殊性或是葉輪平面氣動(dòng)不平衡導(dǎo)致，結(jié)合該故障呈現(xiàn)出較強(qiáng)的季節(jié)性特征，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)海平面洋流漲落潮觀察，以及大量的故障數(shù)據(jù)特征統(tǒng)計(jì)分析，判斷認(rèn)為集中批量塔筒前后振動(dòng)超限故障原因，為特定季節(jié)的季風(fēng)工況下容易造成葉輪平面氣動(dòng)不平衡，疊加洋流漲退潮的影響，導(dǎo)致海上導(dǎo)管架塔筒基礎(chǔ)振動(dòng)瞬時(shí)超限。根據(jù)海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的特殊性和復(fù)雜性，為了分析機(jī)組振動(dòng)特性與葉輪轉(zhuǎn)速范圍的關(guān)系，對(duì)海上導(dǎo)管架基礎(chǔ)塔筒進(jìn)行建模如圖4.2。圖4.2：導(dǎo)管架基礎(chǔ)塔筒建模根據(jù)理論仿真計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，導(dǎo)管架基礎(chǔ)塔筒頻率在0.293Hz-0.3174Hz之間，對(duì)應(yīng)葉片轉(zhuǎn)速范圍為5.86-6.34rpm。圖4.3：導(dǎo)管架和單樁基礎(chǔ)葉輪轉(zhuǎn)速與機(jī)艙加速度關(guān)系海上導(dǎo)管架基礎(chǔ)和單樁基礎(chǔ)對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與機(jī)艙加速度的關(guān)系進(jìn)行仿真計(jì)算如上圖，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速為6.25rpm時(shí)，導(dǎo)管架基礎(chǔ)塔筒頂部加速度達(dá)到峰值4.5m/s2，超過(guò)機(jī)組報(bào)警閥值，會(huì)觸發(fā)塔筒振動(dòng)超限。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速大于等于7.2rpm，塔筒頂部瞬時(shí)加速度最大值小于1m/s2，機(jī)組振動(dòng)值處于安全范圍。單樁基礎(chǔ)的機(jī)組，葉輪轉(zhuǎn)速大于等于5.5rpm時(shí)，機(jī)組塔筒頂部加速度大幅降低，小于1m/s2，在安全范圍內(nèi)。由圖4.3可以看出，當(dāng)單樁機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速范圍設(shè)置大于等于5.5rpm，導(dǎo)管架基礎(chǔ)機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為大于等于7.2rpm，可將機(jī)組瞬時(shí)加速度控制在1m/s2以下安全范圍內(nèi)，不會(huì)觸發(fā)振動(dòng)超限。4.3振動(dòng)原因分析總結(jié)經(jīng)過(guò)大量的振動(dòng)故障數(shù)據(jù)技術(shù)分析，對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行仿真分析和模擬計(jì)算，多方面的測(cè)試分析和排查論證，結(jié)合該故障呈現(xiàn)出較強(qiáng)的偶發(fā)性、季節(jié)性特征，分析結(jié)果認(rèn)為，該項(xiàng)目偶發(fā)性集中批量報(bào)塔筒前后振動(dòng)超限的原因，是基于海上導(dǎo)管架基礎(chǔ)的特殊性，以及陽(yáng)江海域風(fēng)況和海況的復(fù)雜性，特定季節(jié)的季風(fēng)工況，疊加洋流漲退潮的影響，造成海上塔筒和基礎(chǔ)振動(dòng)瞬時(shí)超限。5.振動(dòng)抑制措施和效果驗(yàn)證5.1振動(dòng)抑制措施根據(jù)前述章節(jié)分析，為解決該項(xiàng)目海上機(jī)組多因素耦合條件下產(chǎn)生的塔筒和基礎(chǔ)瞬時(shí)振動(dòng)超限問(wèn)題，將機(jī)組瞬時(shí)加速度控制在1m/s2以下，單樁機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)設(shè)置大于等于5.5rpm，導(dǎo)管架基礎(chǔ)機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速應(yīng)設(shè)置為大于等于7.2rpm。5.2效果驗(yàn)證振動(dòng)抑制措施實(shí)施后，經(jīng)過(guò)2023年1至6月小風(fēng)季運(yùn)行驗(yàn)證，全場(chǎng)機(jī)組單月振動(dòng)超限次數(shù)降至個(gè)位數(shù)，與2022年1-6月對(duì)比，振動(dòng)次數(shù)故障率下降99%，振動(dòng)抑制效果明顯。表5.1：振動(dòng)統(tǒng)計(jì)5.3小結(jié)針對(duì)近海海域風(fēng)況和海況的復(fù)雜性，特定季節(jié)的季風(fēng)工況，疊加洋流漲退潮的影響，造成海上塔筒和基礎(chǔ)振動(dòng)瞬時(shí)超限問(wèn)題。當(dāng)前提出的振動(dòng)抑制措施，經(jīng)過(guò)2023年1-6月份海上小風(fēng)季節(jié)的運(yùn)行驗(yàn)證，對(duì)于塔筒前后/左右振動(dòng)抑制效果非常好，在典型容易觸發(fā)振動(dòng)的小風(fēng)季節(jié)，單月全場(chǎng)振動(dòng)次數(shù)下降幅度非常大，到個(gè)位數(shù)以內(nèi)，集中批量振動(dòng)問(wèn)題得到很好的控制。6.總結(jié)隨著海上風(fēng)電機(jī)組的不斷