CN105492762A - 根据风力涡轮机或类似设备的位置确定其部件寿命的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于根据风力涡轮机或类似设备的位置确定其部件的寿命的方法，所述方法包括以下阶段：根据风力涡轮机的设计条件获得风力涡轮机的空气弹性模型；获得放置的风力涡轮机的现场的实际风力涡轮机的空气力模型；确定在风力涡轮机的现场处的特定风状态；确定在风力涡轮机的现场处的风力涡轮机的特定操作状态；依照规定风状态和操作状态确定风力涡轮机部件的设计疲劳载荷；根据特定风状态和操作状态确定风力涡轮机部件的实际疲劳载荷；以及确定在风力涡轮机的现场处的风力涡轮机的每个部件的寿命，其中，重新积分实际疲劳载荷，直到到达设计疲劳载荷。

Description

根据风力涡轮机或类似设备的位置确定其部件寿命的方法
技术领域
本发明涉及确定构成风力涡轮机的不同部件的寿命，提出一种方法，所述方法允许考虑到在风力涡轮机所设置的位置处的特定风状态以及风力涡轮机在所述位置处的特定操作状态而确定风力涡轮机的每个部件的寿命。本发明还能够应用到水轮机、水下轮机或类似设备，在这些设备中，与考虑冲击风力涡轮机的风不同的是，冲击水轮机的流体，即，在所述位置处的水流。
背景技术
在过去十年中，风电装机容量已增加，因为由风能提供的明显环保优势使得政府和私人机构资助新风电场的建设。这些有利的财务状况与增加的能源需求一起使得科技成熟并且使得风力涡轮机的装机量成倍增长。
然而，近年来，缺乏经济和商业活动已使得能源需求下降，使得对于更大装机量的需求降低；另一方面，全球金融衰退从根本上减少了风能补贴，这使得新风电场的建设停滞。所有这些使得投资风能者将他们的精力集中在维持那些已装机的风电场的安全上，并且集中在改善已到位投资的成本效益的尝试中，因此他们决定将风力涡轮机在风电场中服役的时间延长。
风力涡轮机基于规定的标准风等级并且根据诸如IEC61400(国际电工委员会)、或GL劳氏船级社、或DIBt规定设计。因此，在设计风力涡轮机时，所述风力涡轮机不以特定于每个位置的方式设计，而是依据那些一般风等级状态设计，接下来具有最佳覆盖在特定位置处的风状态的设计风等级的风力涡轮机被选择用于每个位置。
这些规定的风等级相对于在风力涡轮机所设置的位置处的实际风状态通常非常保守。依照规定，风力涡轮机设计为持续20年，在这段时间中，其必须依照用于其设计的技术规格操作，而不出现显著故障。
作为结果，风力涡轮机的所述20年设计寿命能够从一个位置到下一个位置改变，并且作为一般规则能够延长，即，风力涡轮机的实际寿命通常超过其设计寿命。这是因为在特定位置处的实际风状态通常比由规定指示出的风状态更温和，因此风力涡轮机实际承受的载荷通常处于与其设计承受的载荷相比更低的量度。
专利文献WO2012/160370公开了一种用于以大致方式确定风力涡轮机的传动系的剩余寿命的方法，其中风力涡轮机传动系轴受到的载荷借助于计算机模拟工具确定，以及其中仅考虑规定的标准风等级，用于计算所述载荷。此外，专利文献WO2012/107051公开了一种用于确定风力涡轮机的基础的剩余寿命的方法，基于来自风电场上的每个风力涡轮机的风向玫瑰图的信息识别基础的暴露于风的部分，根据由风向玫瑰图确定的风向获得来自基础的不同部分的样例，所述样例受到疲劳测试影响，以便确认其强度并且因此估算其大致寿命。
尽管这些方法允许估算风力涡轮机的部件的剩余寿命，但是它们无法实现可靠的估算，因为它们不考虑所有不同变量的风状态，或在现场处的风力涡轮机的特定操作状态。
因此，对于延长服役超过20年的风力涡轮机的寿命的需求日益增长，使得必须提供一种允许可靠地预测风力涡轮机的主部件的实际设计寿命的方法，考虑到在风力涡轮机所安装的风电场上发生的特定风状态和特定操作状态。
发明内容
根据本发明，提出一种用于根据风力涡轮机或类似设备的位置确定其部件寿命的方法，从而使得考虑到风力涡轮机的部件根据在风力涡轮机的位置处发生的风状态和在所述位置处的风力涡轮机的操作状态而将会受到的实际疲劳载荷。
所述方法包括以下阶段：
阶段1：根据风力涡轮机的设计条件获得其气体弹性模型；
阶段2：获得设置在风力涡轮机的现场处的实际风力涡轮机的气体弹性模型；
阶段3：确定在风力涡轮机的现场处的特定风状态；
阶段4：确定在风力涡轮机的现场处的风力涡轮机的特定操作状态；
阶段5：根据规定的操作状态和风状态确定在阶段1中模型化的风力涡轮机的部件上的设计疲劳载荷；
阶段6：根据在阶段3和4中确定的风状态和操作状态确定在阶段2中模型化的风力涡轮机的部件上的实际疲劳载荷；以及
阶段7：确定在风力涡轮机的现场处的风力涡轮机的每个部件的寿命，其中，重新积分在阶段6中计算出的实际疲劳载荷，直到到达在阶段5中计算出的设计疲劳载荷。
因此获得这样一种方法，所述方法允许有效地估算在现场处的风力涡轮机的每个部件的在不经受显著故障的情况下将会持续的时间，使得有必要修理或替换所述部件。
附图说明
图1示出代表冲击风力涡轮机的气体弹性模型的风的三维行为的风模型。
具体实施方式
本发明提出一种用于确定风力涡轮机的不同部件将会具有的寿命的方法，考虑到所述部件在其服役寿命期间在风力涡轮机的位置处(即，在风力涡轮机封所安装的风电场中)将会受到的实际疲劳载荷。风力涡轮机的部件将会具有的寿命是风力涡轮机的每个部件根据用于设计和建造风力涡轮机的技术规格正确地操作而不发生显著故障使得有必要对其进行替换或修理的通常以年为单位估算的时间。风力涡轮机的部件应当理解为风力涡轮机的任何构成部分，诸如叶片、转子、轮毂、塔架、机舱、轴承等。
本发明的所述方法主要应用于已处于操作状态的风电场上的风力涡轮机，并且相对于所述风力涡轮机，在其现场处的实际数据可用。因此，提出根据在风力涡轮机的位置处的状态确定其部件寿命的方法，所述方法包括以下操作阶段：
阶段1：考虑到风力涡轮机最初设计并且受认证以操作的状态而获得设置在现场处的风力涡轮机的气体弹性模型，即，以风力涡轮机原始设计的参数将风力涡轮机模型化；
阶段2：获得设置在现场处的实际风力涡轮机的气体弹性模型，从而使得在用于确定风力涡轮机的部件寿命的方法中考虑到在理论上构成风力涡轮机的部件与设置在现场处的风力涡轮机的实际部件之间的重量区别或几何尺寸区别的效果；
阶段3：确定在风力涡轮机的现场处发生的特定风状态；
阶段4：确定在现场处的风力涡轮机的特定操作状态；
阶段5：依照规定(诸如IEC61400)并且根据规定的操作状态和风状态确定在阶段1中模型化的风力涡轮机的部件上的对于风力涡轮机的20年规定估计寿命而言的设计疲劳载荷；
阶段6：根据在阶段3和4中确定的风状态和操作状态确定在阶段2中模型化的风力涡轮机的部件上的对于风力涡轮机的20年规定估计寿命而言的实际疲劳载荷；以及
阶段7：确定在风力涡轮机的现场处的风力涡轮机的每个部件的寿命，其中，重新积分在阶段6中计算出的实际疲劳载荷，直到到达在阶段5中计算出的设计疲劳载荷。
风力涡轮机通常设计为在规定的操作状态和风状态下持续20年，所述规定的操作状态和风状态相对于实际风数据通常非常保守，从而使得风力涡轮机的部件在其服役寿命期间将会受到的估计设计疲劳载荷对于同一操作寿命时间而言通常大于风力涡轮机的所述部件在其现场实际将会受到的实际疲劳载荷，从而使得借助于将设计疲劳载荷与实际疲劳载荷进行比较，本发明的所述方法允许有效地估算风力涡轮机的每个部件还能够操作多久而不发生显著故障使得有必要对其进行替换或修理。
类似于在阶段1和2中获得的气体弹性模型是基于将风力涡轮机的每个部件的几何尺寸、空气动力、质量、弹性和功能特性进行汇总的数字数据集的风力涡轮机的虚拟形式。气体弹性模型由以下部分组成：
几何尺寸模型：代表风力涡轮机的部件的几何尺寸的数字数据集；
空气动力模型：数字数据集代表风力涡轮机的外部几何尺寸与入射风之间的相互作用类型；
质量模型：代表风力涡轮机的每个部件的质量和重心的数字数据集；
弹性模型：代表风力涡轮机的部件的刚性的考虑到冲击所述部件的风的方向的数字数据集；以及
功能模型：代表风力涡轮机的每个部件的不同操作状态的数字数据集。
风力涡轮机的气体弹性模型借助于进入数字数据集而获得，所述数字数据集在特定程序(诸如Bladed、Flex-5、FOCUS、PHATAS、FAST)中将风力涡轮机的特性汇总。借助于所述特定程序执行根据入射风模型的多个风力涡轮机性能模拟，风力涡轮机的不同部件受到的载荷的值的结果借助于不同数学方法而获得。
用于获得阶段1和2的风力涡轮机的气体弹性模型所需的将风力涡轮机的特性汇总的数字数据借助于物理访问安装在风电场上的风力涡轮机自身、借助于来自相对于风力涡轮机的部件的技术规范目录的信息、借助于能够在原材料供应者的公共数据库中访问的与材料特性有关的数据等而获得。与风力涡轮机的外部几何尺寸有关的信息借助于激光或借助于其它摄影技术通过从多个位置扫描风力涡轮机而获得。
阶段1和阶段2的风力涡轮机的气体弹性模型化是类似的，理想设计的风力涡轮机的认证部件与实际提供的风力涡轮机的部件之间仅质量、重心、几何尺寸和公差改变。认证部件相对于实际提供的部件的质量、重心、几何尺寸和公差方面的这些区别在确定部件寿命时具有显著效果。
在风力涡轮机的现场处发生的特定风状态在所述方法的阶段3中确定，所述状态用于获得风模型，所述风模型与风力涡轮机的在阶段4中获得的特定操作状态一起用于所述方法的随后的阶段6，用于确定在现场处的风力涡轮机的部件实际受到的实际疲劳载荷。
风模型是虚拟代表风的三维行为的数字数据集。如图1所示，风模型代表在固定体积(V)中的多个节点(n)，其中体积(V)的每个节点(n)以三维向量(v)识别。风模型结合以下信息：
-风模型的平均速度：作为在风模型的体积(V)内有代表性的流线的平均速度。使用经过风力涡轮机的转子的中心的流线。
-湍流强度：测量对于在湍流风中的给定流线而言的风模量的改变范围的维度量度，其中风速随机改变。
-风剪切：风廓线，类似于在表面上的空气的边界层的剪切廓线。
-流入：风的倾角。
在风力涡轮机的现场处发生的特定风状态的数据从风电场获得，风力涡轮机在所述风电场中操作，基于所述数据获得用于执行多种模拟以及计算风力涡轮机的部件上的实际疲劳载荷的各种风模型。
在风力涡轮机的现场处发生的特定风状态的所述数据借助于定位在现场处的气象桅杆的在至少一年期间取得的样例并且由从风电场自身的数据库中提取的数据而获得。所述数据还能够至少部分由微观选址分析或风资源评估分析而获得，所述微观选址分析和风资源评估分析是基于在风电场安装之前从桅杆获得的数据的已处理的报告。
因此，在风力涡轮机的现场处发生的风速值在所述方法的所述阶段3中确定，所述风速值从0m/s到在现场处可能发生的最大风速值(Vref)。风速值包括在韦伯分布中，风在全年中发生的可能性在所述韦伯分布中分布，从而使得当在阶段6中计算实际疲劳载荷时每个风速必须具有的具体权重借助于所述可能性分布而确定。
此外，冲击风力涡轮机的主风向还考虑到风电场的结构而确定。因此，确定的主风向是由风力涡轮机所定位的风电场的风向玫瑰图确定的主导风向、使得风力涡轮机相对于风电场上的另一风力涡轮机或其它风力涡轮机处于尾迹位置的风向、以及由风力涡轮机现场地形影响的风向。湍流强度、风剪切和倾角(流入)针对每个所述主风向确定。
此外，鉴于风的动能取决于空气密度，因此在现场处的空气密度也在所述阶段3中确定，采样年度分割为两个时段，适逢夏季的低空气密度时段，与适逢冬季的高空气密度时段。因此获得空气密度的可能性分布，考虑到所述可能性分布用于计算在现场处的实际疲劳载荷，假定空气密度成正比地作用在风力涡轮机的部件寿命上。
因此，针对每个风速值、每个主风向以及每个空气密度(高空气密度或低空气密度)而获得相应的风模型，每个所述风模型以其风湍流强度、风剪切和风倾角(流入)分别地识别。风速值通常以2m/s间隔取得，即，2m/s、4m/s、6m/s，…，直至高达最大风速值(Vref)。
为了计算风力涡轮机的部件实际地受到的实际疲劳载荷，除了在阶段3中确定的特定风状态之外(风模型基于所述特定风状态而获得)还考虑到风力涡轮机的特定操作状态。
在阶段4的现场处的风力涡轮机的特定操作状态的数据也借助于在定位在风力涡轮机的现场处的气象桅杆中在至少一年期间取得的样例并且由从风电场自身的数据库中提取的数据而获得。这些特定操作状态随后在所述方法的阶段6中使用，用于确定风力涡轮机的部件的实际疲劳载荷。
因此，风力涡轮机的发生在全年中的相对于入射风的偏转度在所述方法的所述阶段4中确定，为此目的确定风力涡轮机相对于入射风的偏转度的统计学群体和可能性分布。
风力涡轮机通过旋转机舱而定向，从而使得转子相对于入射风正交放置。由于风的可变形和风力涡轮机的传感器系统的公差，这种对准总不会是完美的。当计算在规定的操作状态中的设计疲劳载荷时，载荷通常在假定相对于入射风的+/-10°、或+/-8°的偏转的基础上模拟。由本发明提出的所述方法考虑到风力涡轮机的实际偏转度，以便计算实际疲劳载荷，鉴于偏转对于风力涡轮机的部件寿命会造成负面影响。
能够影响风力涡轮机的部件寿命的短暂瞬间也在所述阶段4中确定；因此确定风力涡轮机的启动、正常停机和紧急停机的次数。紧急停机是尤其重要的，因为所述紧急停机与风力涡轮机的正常停机相比更具破坏性，因为风力涡轮机以快得多的方式停机，并且其部件必须在更短时间内承受更大载荷并且消散能量，这极大地影响风力涡轮机的部件寿命。
此外，风力涡轮机全年停机时间所占的百分比也可确定，所述百分比正比于风力涡轮机的现场并且主要由于以下事实，即对于风力涡轮机产生能量而言必要的风状态因为风速不足或因为风速过快而不存在。这个信息是重要的，因为风力涡轮机的部件寿命由非操作时间段影响。通常，寿命由于在低风速下的非运行时间而增加，以及寿命能够在长时间处于高风速下而缩短。
最终，还确定风力涡轮机在全年中受到积冰影响和/或受到由于悬挂在空气中的材料而在风力涡轮机的气动表面上形成的堆积状态影响的时间所占的百分比；因此，确定风力涡轮机的旋转转子的元件(主要是叶片由于冰而)受到的多余重量，并且确定叶片由于悬挂在空气中的材料(诸如沉积在风力涡轮机的叶片的表面上的尘土、昆虫或其它材料)而产生的改变空气动力廓线的特性和/或几何尺寸的表面粗糙状态。
在现场处的风力涡轮机的特定操作状态针对1年时间范围确定，并且通过在风力涡轮机性能模拟中将可能性权重分配给所述特定操作状态而考虑到所述特定操作状态，根据在阶段3中获得的入射风模型执行所述风力涡轮机性能模拟以计算在阶段6中的实际疲劳载荷。
风力涡轮机的部件在整个20年的预期寿命中受到的疲劳载荷在所述方法的阶段5和6中确定，具体地在阶段5中根据规定的风状态和操作状态而确定风力涡轮机的每个部件的设计疲劳载荷，以及在阶段6中根据在阶段3和4中确定风状态和操作状态而确定在风力涡轮机的每个部件上的实际疲劳载荷。
疲劳载荷的计算是执行的一系列计算以模拟风力涡轮机相对于入射风的性能，为此目的在特定载荷计算程序(诸如Bladed、Flex-5、FOCUS、PHATAS、FAST)中输入待分析的风力涡轮机的气体弹性模型、模拟吹过风力涡轮机的风的行为的风模型、以及根据风况的风力涡轮机的自我控制参数。
图1示意性地示出一种模拟，执行所述模拟以分析风力涡轮机相对于入射风受到的疲劳载荷，因此使得风模型(WM)冲击风力涡轮机的气体弹性模型(AM)，所述风力涡轮机在其表面上具有多个节点(p)，从而使得对于风模型(WM)冲击风力涡轮机的气体弹性模型(AM)的模拟的每个时刻而言，由三个力向量和三个动量向量限定的相应的载荷向量记录在风力涡轮机的气体弹性模型(AM)的每个节点(p)中。
对于执行的每个模拟而言，存在风力涡轮机的气体弹性模型(AM)的节点(p)的每个载荷向量的量度(三个力向量和三个动量向量)的时间历程。借助于雨流计数算法处理每个载荷向量的量度的时间历程，以及模拟的结果在通常称作马尔科夫矩阵的矩阵中汇总。最终，将从代表风力涡轮机在全年中受到的疲劳载荷的所有模拟中获得的马尔科夫矩阵在加权马尔科夫矩阵中汇总，在所述加权马尔科夫矩阵中将可能性权重分配给每个模拟。加权马尔科夫矩阵将风力涡轮机的每个部件的全年的疲劳载荷系谱汇总，从所述加权马尔科夫矩阵中获得风力涡轮机的每个部件上的疲劳载荷。用于计算载荷的方法论是常规的并且并未进一步详细描述，因为其并非本发明的目的。
因此，根据规定的操作状态和风状态而在阶段1中模型化的风力涡轮机的部件在全年中受到的设计疲劳载荷的值在所述方法的阶段中确定。根据风力涡轮机的预期规定寿命将这些全年设计疲劳载荷的结果积分至20年。这构成设计风力涡轮机的部件所需的一组疲劳载荷。设计疲劳载荷能够通过加权马尔科夫矩阵自身或通过从加权马尔科夫矩阵中推导出的任何数学副产品获得。
此外，根据在阶段3和4中确定的风状态和操作状态而在阶段2中模型化的风力涡轮机的部件在全年中受到的实际疲劳载荷的值在所述方法的阶段6中确定。
因此，提供多个风模型，所述多个风模型是在阶段3中确定的风力涡轮机的现场处的特定风状态的函数，其中对于每个风速、每个主风向和每个空气密度值而言存在风模型。借助于这些风模型执行多个模拟，其中在风力涡轮机的气体弹性模型(AM)的节点(p)中的每个载荷向量的量度(三个力向量和三个动量向量)的时间历程在每个模拟中获得，以及将每个模拟的结果在马尔科夫矩阵中汇总。
每个模拟的马尔科夫矩阵在加权马尔科夫矩阵中分组，其中在加权马尔科夫矩阵中将每个模拟分配特定的可能性权重，以使得模拟尽可能接近在风力涡轮机的现场处发生的实际风状态和操作状态。因此，每个模拟在加权马尔科夫矩阵中必须具有的特定权重根据韦伯分布而确定，所述韦伯分布包括风速的可能性在全年中的发生。类似地，每个模拟必须具有的特定权重根据在阶段4中确定的风力涡轮机的操作状态而确定，从而使得风力涡轮机相对于入射风的偏转度，风力涡轮机的启动、停机和紧急停机次数，风力涡轮机停机时间所占的百分比，以及风力涡轮机受到堆积影响时间所占的百分比。
因此，风力涡轮机的每个部件在全年中的实际疲劳载荷从加权马尔科夫矩阵中获得。实际疲劳载荷能够通过加权马尔科夫矩阵自身或通过从加权马尔科夫矩阵中推导出的任何数学副产品而获得。与在阶段5中类似，根据风力涡轮机的预期规定寿命而将这些实际全年疲劳载荷的结果积分至20年。
实际疲劳载荷的值通常低于设计疲劳载荷的值，从而使得实际疲劳载荷的值会积分至21年、22年、23年等，直到到达用于每个部件的设计疲劳载荷的值。因此考虑到在风力涡轮机所安装的特定位置处的风状态和操作状态而确定风力涡轮机的每个部件到达其设计寿命预期条件实际消耗的时间。
尽管描述本发明用于确定风力涡轮机的部件寿命，但其还能够应用以确定水轮机、水下轮机或类似设备的部件寿命，对于所述水轮机而言，已考虑到冲击水轮机的流体，即，在水轮机所设置的位置处的水流。

Claims (5)

1.一种用于根据风力涡轮机或类似设备的位置确定所述风力涡轮机或类似设备的部件的寿命的方法，其特征在于，所述方法包括以下阶段：
阶段1：根据风力涡轮机的设计条件获得风力涡轮机的气体弹性模型；
阶段2：获得设置在风力涡轮机的现场处的实际风力涡轮机的气体弹性模型；
阶段3：确定在风力涡轮机的现场处的特定风状态；
阶段4：确定在风力涡轮机的现场处的风力涡轮机的特定操作状态；
阶段5：根据规定的操作状态和风状态确定在阶段1中模型化的风力涡轮机的部件上的设计疲劳载荷；
阶段6：根据在阶段3和4中确定的风状态和操作状态确定在阶段2中模型化的风力涡轮机的部件上的实际疲劳载荷；以及
阶段7：确定在风力涡轮机的现场处的风力涡轮机的每个部件的寿命，其中，重新积分在阶段6中计算出的实际疲劳载荷，直到到达在阶段5中计算出的设计疲劳载荷。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在阶段3中确定在风力涡轮机的现场处的风速值、冲击风力涡轮机的主风向、以及在现场处的空气密度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中冲击风力涡轮机的主风向是由风向玫瑰图确定的主导风向、使得风力涡轮机相对于另一风力涡轮机处于尾迹位置的风向、以及由现场的地形影响的风向。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中对于在阶段3中确定的每个风速值、每个主风向、以及每个空气密度而言，获得结合与风湍流强度、风剪切和风倾角有关的信息的相应的风模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在阶段4中确定风力涡轮机相对于入射风的偏转度，风力涡轮机的启动、正常停机和紧急停机的次数，风力涡轮机停机的时间段所占百分比，以及风力涡轮机受到积冰影响和/或受到由于悬挂在空气中的材料而在风力涡轮机的气动表面上构成的堆积状态影响的时间段所占百分比。
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