CN114476943B - 一种风力发电大型构件吊点确定方法 - Google Patents

一种风力发电大型构件吊点确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种风力发电大型构件吊点确定方法，施工效率高、施工质量好、安全隐患少。本发明的风力发电大型构件吊点确定方法，包括如下步骤：(10)数学模型建立：结合设计图纸和工程现场情况，建立风力发电设备各构件模型和由各构件组合而成的设备整体模型；(20)构件模型修正：对照CAD图纸，对各构件模型进行翻模细节修正；(30)构件模型重度赋值：对修正后的风力发电设备各构件模型及设备整体模型中的材料赋予重度值；(40)吊点中心确定：采用有限元分析方法模拟构件的重力作用，根据力矩平衡原理，定位构件重心，确定吊点中心，并对吊装荷载进行安全验算。

Description

一种风力发电大型构件吊点确定方法
技术领域
本发明属于机电设备安装施工技术领域，特别是一种基于重度模型的风力发电大型构件吊点确定方法。
背景技术
风力发电项目作为有效利用清洁可再生能源的大型工程建设项目，是实现“碳达峰、碳中和”目标的代表性工程，对于国家绿色建设和行业发展具有重要的战略意义。但是，风电项目对大型构件的水平度控制和精准定位安装具有较高要求，这是由于塔筒和叶轮等构件具有自重大、造型复杂等特点，塔筒部分需要采用分段吊装安装施工，部分混凝土塔筒还需要拼接组成，导致构件精确就位、重心计算吊点位置、叶轮吊装稳定性、接缝准确等问题直接影响施工质量和施工周期。
目前，风力发电构件的吊装尚无采用数学模型对重心、吊点进行精确定位的方法，主要依据经验方法和现场调节进行构件的吊装、叶轮三吊点的确定，相似专利如下：
发明专利“一种风力发电塔的安装方法及装置”(CN101298279，公开日2008-11-05)，主要针对不适用吊车吊装条件下的风力发电塔安装，通过辅助吊具和较轮的简易吊装方法，与本专利目的特点显著不同，大型构件吊装精度明显不如。
发明专利“一种风力发电机组单叶片吊装盘车装置及其吊装方法”(CN110360057A，公开日2019-10-22)，通过盘车单元(包含减速器和转换法兰)，控制系统，根据获取的轮毂口位置信息控制动力系统开始或停止工作。以满足风力发电机组单叶片吊装需求。
发明专利“应用于风力发电的叶片组件及安装方法”(CN113719406A，公开日2021-11-30)，是一种通过第一叶片部件和第二叶片部件设置连接部，降低与安装部件连接的叶片部和连接部的直径的方法。与本专利显著不同，本方法未改变叶轮的设计和尺寸。
发明专利“一种风力发电风机塔臂筒的起吊装置及起吊方法”(CN111661750A，公开日2020-09-15)，通过吊车的吊绳吊接一个水平横梁，在水平横梁上设置两挂带，实现对塔臂筒的起吊，在水平横梁的两端侧面分别设置带有驱动电机的绕线轮，绕线轮上的连接绳通过连接卡具与被吊塔臂筒的外侧端连接，通过对两个带有驱动电机的绕线轮的控制和调节，来实现对塔臂筒起吊后的平衡调节；在每个起吊塔臂筒的吊带上设置有口字形限位框,在水平横梁下底面上固定设置的电动推杆的输出端与口字形限位框连接,通过调节两电动推杆,来改变口字形限位框的下移位置,进而实现对吊带中塔臂筒的限位和箍紧。解决了塔臂筒横向起吊过程中如何方便及时地调整塔臂筒起吊平衡度的问题。
发明专利“一种风机吊装平台及其吊装方法”(CN113321126A，公开日2021-08-31)，通过设置在吊具与被吊装设备连接位置的压力传感器和红外检测装置，以及接收数据的控制系统，检测装置检测吊装位置以及吊具上是否有损坏点，并判别安全状态。与本专利不同之处在于，没有重心分析确定的过程，监测过程没有基于重心和吊点和受力分析，仅对吊点压力和红外位移进行安全监测，与本专利的目的不同、精确度不同。
以上专利的问题在于：(1)为解决叶轮吊装平衡问题，通过设置连接横梁、绕线轮、盘车单元等方法，增大了施工成本、延长了施工周期；(2)基于人工经验的叶轮平衡和吊点确定，可能由于误差过大，而导致返工和连接质量差；(3)缺乏模型仿真计算，在吊点偏差过大的情况下存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电大型构件吊点确定方法，施工效率高、施工质量好、安全隐患少。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种风力发电大型构件吊点确定方法，包括如下步骤：
(10)数学模型建立：结合设计图纸和工程现场情况，建立风力发电设备各构件模型和由各构件组合而成的设备整体模型；
(20)构件模型修正：对照CAD图纸，对各构件模型进行翻模细节修正；
(30)构件模型重度赋值：对修正后的风力发电设备各构件模型及设备整体模型中的材料赋予重度值；
(40)吊点中心确定：采用有限元分析方法模拟构件的重力作用，根据力矩平衡原理，定位构件重心，确定吊点中心，并对吊装荷载进行安全验算。本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、施工效率高、施工质量好：本发明通过数学模拟吊装吊点确定，提升了风力发电塔分段构件的连接施工精度和连接质量，减少了现场调节的时间，降低故障可能性，提高了连接部位的强度和施工效率，总体提升了施工效率，保证了施工质量；
2、安全隐患少：本发明通过模拟验算，可以提前对施工中受力不平衡等危险情况进行报警和排除，对施工设备的吨位型号和施工方式进行校准验算，避免了吊点定位误差过大，可能出现工程安全隐患的情况。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明风力发电大型构件吊点确定方法的主流程图。
图2是图1中构件模型重度赋值步骤的流程图。
图3是图1中吊点中心确定步骤的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明风力发电大型构件吊点确定方法，包括如下步骤：
(10)数学模型建立：结合设计图纸和工程现场情况，建立风力发电设备各构件模型和由各构件组合而成的设备整体模型；
风力发电设备各构件包括分段混凝土塔筒、分段钢塔筒、机电组件、叶轮。
首先将结合设计图纸和实际工程情况，建立分段混凝土塔筒、分段钢塔筒、机电、叶轮的构件模型与风电整体数学模型，可采用各种现有手段建立各构件模型和设备整体模型，如revvit、midas等。实际工程可能包含不同分段形式、数量，如混凝土塔筒段和钢塔筒段的不同个数，叶轮的不同尺寸等。
(20)构件模型修正：对照CAD图纸，对各构件模型进行翻模细节修正；
对照CAD图纸，并根据风电分段进行的分段，主要包括：混凝土塔筒、分段钢塔筒、机电组件、叶轮等，修正翻模细节。主要是针对风电构件外表有一些复杂造型和凸起，在模型里应当尽量标准化。
(30)构件模型重度赋值：对修正后的风力发电设备各构件模型及设备整体模型中的材料赋予重度值；
针对风电各个分段，构建包含混凝土材料和钢材的模型赋值，并完成模型比对重合。
如图2所示，所述(30)构件模型重度赋值步骤包括：
(31)钢构件重度赋值：对于钢构件，以钢材密度赋以重度值；
(32)构件混凝土重度赋值：对钢筋混凝土构件，对其模型中的混凝土材料，以混凝土体积密度赋以重度值；
(33)构件钢筋重度赋值：对钢筋混凝土构件，对其模型中的钢筋材料，以钢筋差值线密度赋以重度值；
所述钢筋差值线密度按下式计算得到，
ρl＝3.14*rs*rs*(ρs-ρc),
式中，ρl为钢筋差值线密度，ρc为混凝土体积密度，常取2400kg/m3，ρs为钢材体积密度，常取7800kg/m3，rs为钢筋半径。
(34)构件重合：对钢筋混凝土构件，将赋以重度值的混凝土材料模型与钢筋材料模型重合，得到构件钢筋混凝土结构模型。
不同材料的重度赋值，主要包含以下三类：钢构件、混凝土构件、混凝土内部钢筋构件。其中，钢构件采用7800kg/m3，混凝土构件采用2400kg/m3，混凝土内部钢筋采用线密度差值计算叠加计算，这是考虑到钢筋混凝土构件中混凝土体积已经计算了钢筋体积，所以应计算重度差值，差值为(7800-2400)kg/m3，例如，30mm直径钢筋的线密度差值为3.14*0.015*0.015*(7800-2400)＝3.816kg/m，将计算所得混凝土体积密度和钢筋差值线密度输入模型，完成体积模型的重度赋值。
(40)吊点中心确定：采用有限元分析方法模拟构件的重力作用，根据力矩平衡原理，定位构件重心，确定吊点中心，并对吊装荷载进行安全验算。
如图3所示，所述(40)吊装模拟计算步骤包括：
(41)构件重心定位：以竖直向下作用模拟重力，以竖直向上作用模拟吊装力，结合重度赋值，采用有限元分析方法模拟构件的重力作用，根据力矩平衡原理，定位构件重心；
(42)吊点中心确定：利用所述构件重心的坐标，不改变重心平面坐标的情况下，将高度坐标定位于构件上表面，该点即为吊点中心；
根据力矩平衡，以该点为中心起吊，构件将不会发生角度转动。
(43)吊装荷载安全验算：根据定位的构件重心，结合吊点局部极限应力，进行吊装荷载安全验算。对模型施加垂直向下作用力(模拟重力)，对吊点合力点施加垂直向上作用力(模拟吊装)，结合重度赋值，采用有限元分析方法模拟不同风电分段构件的重力作用，根据力矩平衡原理，定位重心，验算吊装方案。
当风力发电设备各构件重心准确定位并经安全验算后，就可在施工现场进行后续安装工作。
作为本发明的现场应用，风力发电设备各构件在(40)吊点中心确定步骤之后，还可以包括如下步骤：
(50)构件吊装：在施工现场，依次吊装分段构件以及机电组件和叶轮，完成风力发电设备整体安装。
具体内容如下：
分段构件的吊装。对运输吊装过程进行同步模拟，对起吊过程和构件水平等信息进行检测和对比，以上过程通过地面高速摄像机等位移传感设备的监测，根据拼装位置给出位移差值，反馈吊车指挥人员进行实时调整，验算受力危险状态。
叶轮安装与模型同步协调。叶轮的安装是工程的重难点之一，叶轮在地面组装完成后需要翻转角度后进行垂直起吊，除了两个轮片上主受力吊点的确定，第三个轮片上仍需平衡控制吊点，该过程需要两台吊车的同步协调配合，同时地面安装的部分步骤也需要吊车和叶片位移的辅助定位。
基于所建立的数学模型和实时监测摄像机，选择轮毂与轮毂安装支架台面上的标记相邻的2个叶片作为主吊支撑点，另一个叶片作辅吊，结合数学模型对吊车力学数值与位置点进行分析。通过竖向模拟重力和竖向模拟吊点合力，对两吊车进行同步协调，位移点信息通过无人机或地面的位移摄像机读取，根据模型精确位移控制，协助指挥人员和吊车操作人员完成双吊车同步协作。

Claims (5)

1.一种基于重度模型的风力发电大型构件吊点确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(10)数学模型建立：结合设计图纸和工程现场情况，建立风力发电设备各构件模型和由各构件组合而成的设备整体模型；
(20)构件模型修正：对照CAD图纸，对各构件模型进行翻模细节修正；
(30)构件模型重度赋值：对修正后的风力发电设备各构件模型及设备整体模型中的材料赋予重度值，具体为：
(31)钢构件重度赋值：对于钢构件，以钢材密度赋以重度值；
(32)构件混凝土重度赋值：对钢筋混凝土构件，对其模型中的混凝土材料，以混凝土体积密度赋以重度值；
(33)构件钢筋重度赋值：对钢筋混凝土构件，对其模型中的钢筋材料，以钢筋差值线密度赋以重度值；
(34)构件重合：对钢筋混凝土构件，将赋以重度值的混凝土材料模型与钢筋材料模型重合，得到构件钢筋混凝土结构模型
(40)吊点中心确定：采用有限元分析方法模拟构件的重力作用，根据力矩平衡原理，定位构件重心，确定吊点中心，并对吊装荷载进行安全验算。
2.根据权利要求1所述的吊点确定方法，其特征在于，所述钢筋差值线密度按下式计算得到：
ρl＝3.14*rs*rs*(ρs-ρc),
式中，ρl为钢筋差值线密度，ρc为混凝土体积密度，常取2400kg/m3，ρs为钢材体积密度，常取7800kg/m3，rs为钢筋半径。
3.根据权利要求1所述的吊点确定方法，其特征在于，所述(40)吊点中心确定步骤包括：
(41)构件定位重心：以竖直向下作用模拟重力，以竖直向上作用模拟吊装力，结合重度赋值，采用有限元分析方法模拟构件的重力作用，根据力矩平衡原理，定位构件重心；
(42)吊点中心确定：利用所述构件重心的坐标，不改变重心平面坐标的情况下，将高度坐标定位于构件上表面，所述将高度坐标定位于构件上表面的坐标即为吊点中心坐标；
(43)吊装荷载安全验算：根据定位的构件重心，结合吊点局部极限应力，进行吊装荷载安全验算。
4.根据权利要求3所述的吊点确定方法，其特征在于，所述(43)吊装荷载安全验算步骤具体为：
对模型施加垂直向下作用力以模拟重力，对吊点合力点施加垂直向上作用力以模拟吊装，结合重度赋值，采用有限元分析方法模拟不同风电分段构件的重力作用，根据力矩平衡原理，定位重心，验算吊装方案。
5.根据权利要求1至4之一所述的吊点确定方法，其特征在于，在所述(40)吊点中心确定步骤之后，还可以包括如下步骤：
(50)构件吊装：在施工现场，依次吊装分段构件以及机电组件和叶轮，完成风力发电设备整体安装。
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