CN117291113A - 一种风力发电机组塔筒寿命预测方法、系统及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组塔筒的寿命预测方法，包括：获取风电机组的风力数据，并根据所获取的风力数据调整预设CFD模型和风机模型，修正塔筒截面寿命Nj′；计算预设采样周期T内塔筒上各焊缝点疲劳损伤及其累积，结合塔筒截面寿命Nj′，计算得到焊缝点n的剩余寿命NL；判断焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤是否超过阈值tn，预测风力发电机组塔筒的寿命。从而能够准确预测风力发电机组塔筒的寿命，提高风电机组安全性和塔筒材料性能利用率。

Description

一种风力发电机组塔筒寿命预测方法、系统及装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组塔筒寿命预测方法、系统及装置。
背景技术
塔筒是连接基础与机舱的重要支撑装置，是风力发电机组的重要组成部分，塔筒设计寿命一般为20～25年。在设计寿命内，塔筒要将风电机组从风轮转换的载荷传递到基础上。
一般地，塔筒设计只考虑一个方向的载荷来源，未考虑偏航方位角的位置对塔筒的影响。在实际风场风电机组运行过程中，风电机组需根据风向进行偏航，保证风电机组始终处于最优的对风方向，因此采用一个方向的载荷进行塔筒的疲劳累积较为保守，不能充分发挥塔筒性能。塔筒疲劳损伤是一个累计的过程，为了充分利用材料和保证塔筒在其性能范围内正常工作，我们需要对塔筒的使用寿命进行准确有效的评估和预测。另外，一般的风电机组控制系统仅考虑塔筒振动，本发明引入塔筒焊缝的疲劳寿命参数对风电机组进行扇区控制，预测塔筒的剩余使用寿命，提高风电机组安全性和塔筒材料性能利用率。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种风力发电机组塔筒寿命预测方法、系统及装置，能够准确预测风力发电机组塔筒的寿命，提高风电机组安全性和塔筒材料性能利用率。
本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种风力发电机组塔筒的寿命预测方法，包括：
获取风电机组的风力数据，并根据所获取的风力数据调整预设CFD模型和风机模型，修正塔筒截面寿命Nj′；
计算预设采样周期T内塔筒上各焊缝点疲劳损伤及其累计，结合塔筒截面寿命Nj′，计算得到焊缝点n的剩余寿命NL；
判断焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤是否超过阈值tn，预测风力发电机组塔筒的寿命。
进一步地，焊缝点n在第m个采样周期时的累计疲劳损伤为：
其中，Dmn为焊缝点n在第m个采样周期时的累计疲劳损伤值。
进一步地，焊缝点n的剩余寿命NL为：
NL＝Nj′(1-Dn，total)
进一步地，焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤的阈值tn为：
其中，year为风电机组及其塔筒的预设使用年限。
进一步地，在判断焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤是否超过阈值tn时；
若所计算的结果大于等于阈值，则风电机组塔筒的载荷过大，进行塔筒加固处理，延长塔筒的使用寿命；
若所计算的结构小于阈值，则塔筒继续使用，并根据所计算的偏差值的大小，根据预设划分的偏差值等级预测塔筒使用周期。
第二方面，本发明的一种风力发电机组塔筒的寿命预测系统，包括：
修正模块，用于获取风电机组的风力数据，并根据所获取的风力数据调整预设CFD模型和风机模型，修正塔筒截面寿命Nj′；
寿命计算模块，用于计算预设采样周期T内塔筒上各焊缝点疲劳损伤及其累计，结合塔筒截面寿命Nj′，计算得到焊缝点n的剩余寿命NL；
预测模块，用于判断焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤是否超过阈值tn，预测风力发电机组塔筒的寿命；
预测模块，所述预测模块用于接收所述测风设备和所述压力检测设备的风速数据和压力数据及获取塔筒截面处的弯矩时序，通过插值方法得到塔筒各截面的载荷，结合雨流方法和材料SN曲线得到塔筒焊缝点的疲劳损伤，从而得到焊缝的剩余寿命，预测塔筒的寿命。
第三方面，本发明还提供了一种风力发电机组塔筒的寿命预测装置，包括：
测风设备，所述测风装置固定设置于机舱上，用于测量风电机组的实时风速；
压力检测设备，所述压力检测设备固定设置于风电机组的塔筒上，用于检测机组的扇叶在转动过程中塔筒的所受到的压力。
进一步地，所述测风设备为风速风向仪或测风雷达中的任意一种。
进一步地，所述压力检测设备为压力传感器。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的风力发电机组塔筒的寿命预测方法，通过获取风电机组的风力数据，并根据所获取的风力数据调整预设CFD模型和风机模型，修正塔筒截面寿命Nj′；计算预设采样周期T内塔筒上各焊缝点疲劳损伤及其累积，结合塔筒截面寿命Nj′，计算得到焊缝点n的剩余寿命NL；判断焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤是否超过阈值tn，预测风力发电机组塔筒的寿命，从而能够准确预测风力发电机组塔筒的寿命，提高风电机组安全性和塔筒材料性能利用率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种风力发电机组塔筒的寿命预测方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的风力发电机组塔筒的寿命预测装置的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的风力发电机组塔筒的寿命预测装置中塔筒焊缝截面焊缝点的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的风力发电机组塔筒的寿命预测方法中材料SN曲线示意图；
图5为本发明一实施例提供的风力发电机组塔筒的寿命预测方法流程示意图。
图6为本发明一实施例提供的另一风力发电机组塔筒的寿命预测装置的结构示意图。
附图标记说明：
A、扇区；B、扇区主方向；n、焊缝点；
1、塔筒；2、机舱；3、风电机组；4、压力检测设备；5、测风设备；6、截面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
如附图1-6所示，本发明实施例提供了一种风力发电机组塔筒的寿命预测方法，该方法包括：
获取风电机组3的风力数据，并根据所获取的风力数据调整预设CFD模型和风机模型，修正塔筒1截面寿命Nj′；
计算预设采样周期T内塔筒1上各焊缝点C疲劳损伤及其累计，结合塔筒1截面寿命Nj′，计算得到焊缝点n的剩余寿命NL；
判断焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤是否超过阈值tn，预测风力发电机组塔筒1的寿命。
具体地，上述焊缝点n在第m个采样周期时的累计疲劳损伤为：
其中，Dmn为焊缝点n在第m个采样周期时的累计疲劳损伤值。
具体地，上述焊缝点n的剩余寿命NL为：
NL＝Nj′(1-Dn，total)，其中，Nj′为修正塔筒截面寿命；
Dn，total为焊缝点n在第m个采样周期时的累计疲劳损伤。
具体地，上述焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤的阈值tn为：
其中，year为风电机组3及其塔筒1的预设使用年限，
Dmn为焊缝点n在第m个采样周期时的累计疲劳损伤值，T为采样周期。
具体地，在判断焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤是否超过阈值tn时；若所计算的结果大于等于阈值，则风电机组塔筒的载荷过大，进行塔筒1加固处理，延长塔筒1的使用寿命；若所计算的结构小于阈值，则塔筒1继续使用，并根据所计算的偏差值的大小，根据预设划分的偏差值等级预测塔筒1使用周期。
进一步具体地，在采用上述方法进行塔筒1寿命预测时，具体包括如下步骤，如图4-图5所示：
(1)根据现有设备测得的风电机组3的风力数据及历史测风数据，风场风资源情况及风电机组3的场址安全性复核结果，确定机位塔筒1预设载荷，结合材料SN曲线计算机位塔筒1截面6寿命的寿命Nj，随后建立风电机组3的风场模型，待风电机组3的风场建设完毕后，从风速风向仪或测风雷达获取风资源实测风参，根据机位实测风参调整风场的CFD模型和风机模型，订正塔筒1截面6寿命寿命Nj′。
需要说明的是：初步计算的塔筒寿命Nj是通过过去几年的测风塔数据计算而来，为计算值，待风机立起后，可通过风速风向仪或测风塔雷达等装置获取当下机位的真实的风参数据，通过准确的实测数据对塔筒寿命进行订正。
(2)对机舱2偏航位置进行扇区A记录。
需要说明的是，上述的扇区A记录为对塔筒1截面6寿命进行等距划分，将塔筒1的截面6寿命等分为若干个扇形区域，使得所划分的若干扇形区域中均包括扇区A、扇区主方向B和焊缝点C，且在塔筒1横截面6寿命的划分过程中，划分的数量优选为16个，所划分的扇区A截面6寿命如图3所示。
(3)在本实施例一些可选的实现方式中，在塔筒1指定至少3处截面6寿命设置弯矩传感器。读取机舱2偏航方位角度和机舱2所在的扇区A，记录风电机组3在该扇区主方向B的弯矩时序Mij，其中i表示扇区A编号，j为截面6寿命编号，时序采样周期为T。结合图6所示，截面6自下而上依次为1，2，3，直至6，图6中右侧实线所表示的为实测弯矩Mij，虚线所表示的为差值弯矩。
具体地，时序采样周期为T为600s；截面6寿命为截面6寿命塔筒1环焊缝位置；传感器布置及截面6寿命编号如图2所示。
(4)采用线性插值方法计算风电机组3在该扇区A的塔筒1各截面6寿命的弯矩时序。
需要说明的是：采用线性插值方法计算时，将获取的弯矩时序转换为应力时序，同时考虑时序采样周期T，计算该时序对塔筒的损伤。弯矩时序通过传感器1，2，3，获取截面时序以后插值得到各截面的弯矩时序。
需要说明的是，插值得到的塔筒1各截面6寿命处弯矩的准确性与传感器在塔筒1布置的数量呈正相关，因此，为了保证所得到的差插值的准确性可有效性，在塔筒1上布置传感器时，布置的数量为多个，且多个传感器之间均匀分布。
(5)对采样周期内各截面6寿命处的弯矩时序进行雨流统计，结合材料SN曲线计算焊缝在采样周期内各焊缝点C疲劳损伤，累计各焊缝点C的损伤，预测焊缝点C的剩余寿命NL。
第j个截面6寿命处各焊缝点C疲劳损伤计算结果统计见表1：
表1第j截面6寿命的焊缝点C采样周期内疲劳损伤统计
周期 焊缝点1 焊缝点2 焊缝点3 …… 焊缝点n ……
T1 D11 D12 D13 …… D1j ……
T2 D21 D22 D23 …… D2j ……
T3 D31 D32 D33 …… D3j ……
…… …… …… …… …… …… ……
Tm Dm1 Dm2 Dm3 …… Dmn ……
…… …… …… …… …… …… ……
焊缝点n在第m个采样周期时的累计疲劳损伤为：
其中，Dmn表示：焊缝点n在第m个采样周期时的累计疲劳损伤值。
焊缝点n的剩余寿命NL为：
NL＝Nj′(1-Dn,total)，其中Nj′为修正塔筒截面寿命；
Dn，total为焊缝点n在第m个采样周期时的累计疲劳损伤。
(6)判断焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤是否超过阈值tn，若所计算的结果大于等于阈值，则风电机组塔筒的载荷过大，进行塔筒1加固处理，延长塔筒1的使用寿命；若所计算的结构小于阈值，则塔筒1继续使用，并根据所计算的偏差值的大小，根据预设划分的偏差值等级预测塔筒1使用周期。
焊缝点n疲劳在第m个采样周期阈值可通过下式求得：
式中year为风电机组3的设计年限；
Dmn为焊缝点n在第m个采样周期时的累计疲劳损伤值，T为采样周期。
实施例2
本发明提供了一种风力发电机组塔筒的寿命预测系统，包括：
修正模块，用于获取风电机组3的风力数据，并根据所获取的风力数据调整预设CFD模型和风机模型，修正塔筒截面寿命寿命Nj′；
寿命计算模块，用于计算预设采样周期T内塔筒1上各焊缝点n疲劳损伤及其累计，结合塔筒截面寿命寿命Nj′，计算得到焊缝点n的剩余寿命NL；
预测模块，用于判断焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤是否超过阈值tn，预测风力发电机组塔筒1的寿命。
实施例3
本发明还提供了一种风力发电机组塔筒的寿命预测装置，包括：
测风设备5，测风装置固定设置于机舱2上，用于测量风电机组3的实时风速；
压力检测设备4，压力检测设备4固定设置于风电机组3的塔筒1上，用于检测机组的扇叶在转动过程中塔筒1的所受到的压力；
预测模块，预测模块用于接收测风设备5和压力检测设备4的风速数据和压力数据及获取塔筒截面寿命处的弯矩时序，通过插值方法得到塔筒1各截面6寿命的载荷，结合雨流方法和材料SN曲线得到塔筒焊缝点的疲劳损伤，从而得到焊缝的剩余寿命，预测塔筒1的寿命。
在本实施例的一些可选的实现方式中，测风设备5为风速风向仪或测风雷达中的任意一种。
在本实施例的一些可选的实现方式中，压力检测设备4为压力传感器。
需要说明的是，压力检测设备4的数量包括但不限于一个或多个，一个或多个压力检测设备4在塔筒1上自下而上或自上而下均匀分布，且一个或多个压力检测设备4均设置于塔筒1的一侧，具体地，在塔筒1的顶部设置有机舱2和扇叶，一个或多个压力检测设备4设置于在扇叶转动过程中塔筒1受到压力的一侧。
在本实施例的一些可选的实现方式中，压力检测设备4也可设置于塔筒1的四周或设置于扇叶在转动过程中塔筒1受到拉力的一侧。
由此，本发明提供的一种风力发电机组塔筒1寿命预测方法及装置，通过风电机组3风速风向仪或测风雷达获取机位真实风参数据，结合风场风资源和机组安全性复核结果，订正风场的CFD模型，重新计算风电机组3载荷，求得塔筒1的真实设计寿命(如采用EN1993-1-6或DNVGL-RP-C203计算)；塔筒1传感器可获取塔筒截面寿命处的弯矩时序，通过插值方法得到塔筒各截面寿命的载荷，结合雨流方法和材料SN曲线得到塔筒焊缝点的疲劳损伤，从而得到焊缝的剩余寿命，同时判断焊缝点n疲劳损伤是否超过阈值tn，并反馈控制系统是否降低扇区A疲劳载荷。
需要说明的是：材料SN曲线是指一定循环特征下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线。疲劳损伤计算时，将载荷时序转换为应力时序，通过雨流方法得到应力幅值与该应力幅值下的循环次数，通过SN曲线可得到该应力幅值下的理论循环次数，根据Miner准则，可求得该应力幅值对塔筒造成的损伤。该SN曲线，纵坐标表示应力幅值，横坐标表示循环次数。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种风力发电机组塔筒的寿命预测方法，其特征在于，包括：
获取风电机组的风力数据，并根据所获取的风力数据调整预设CFD模型和风机模型，修正塔筒截面寿命Nj′；
计算预设采样周期T内塔筒上各焊缝点疲劳损伤及其累积，结合塔筒截面寿命Nj′，计算得到焊缝点n的剩余寿命NL；
判断焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤是否超过阈值tn，预测风力发电机组塔筒的寿命。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组塔筒的寿命预测方法，其特征在于，焊缝点n在第m个采样周期时的累计疲劳损伤为：
其中，Dmn为焊缝点n在第m个采样周期时的累计疲劳损伤值。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组塔筒的寿命预测方法，其特征在于，焊缝点n的剩余寿命NL为：
NL＝Nj′(1-Dn，total)，其中Nj′为修正塔筒截面寿命，Dn，total为焊缝点n在第m个采样周期时的累计疲劳损伤。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电机组塔筒的寿命预测方法，其特征在于，焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤的阈值tn为：
其中，year为风电机组及其塔筒的预设使用年限，Dmn为焊缝点n在第m个采样周期时的累计疲劳损伤值，T为采样周期。
5.根据权利要求1所述的一种风力发电机组塔筒的寿命预测方法，其特征在于，在判断焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤是否超过阈值tn时；
若所计算的结果大于等于阈值，则风电机组塔筒的载荷过大，进行塔筒加固处理，延长塔筒的使用寿命；
若所计算的结构小于阈值，则塔筒继续使用，并根据所计算的偏差值的大小，根据预设划分的偏差值等级预测塔筒使用周期。
6.一种风力发电机组塔筒的寿命预测系统，其特征在于，包括：
修正模块，用于获取风电机组的风力数据，并根据所获取的风力数据调整预设CFD模型和风机模型，修正塔筒截面寿命Nj′；
寿命计算模块，用于计算预设采样周期T内塔筒上各焊缝点疲劳损伤及其累计，结合塔筒截面寿命Nj′，计算得到焊缝点n的剩余寿命NL；
预测模块，用于判断焊缝点n在第m采样周期T内疲劳损伤是否超过阈值tn，预测风力发电机组塔筒的寿命。
7.一种风力发电机组塔筒的寿命预测装置，其特征在于，包括：
测风设备，所述测风装置固定设置于机舱上，用于测量风电机组的实时风速；
压力检测设备，所述压力检测设备固定设置于风电机组的塔筒上，用于检测机组的扇叶在转动过程中塔筒的所受到的压力及塔筒截面处的弯矩时序；
预测模块，所述预测模块用于接收所述测风设备和所述压力检测设备的风速数据和压力数据及获取塔筒截面处的弯矩时序，通过插值方法得到塔筒各截面的载荷，结合雨流方法和材料SN曲线得到塔筒焊缝点的疲劳损伤，从而得到焊缝的剩余寿命，预测塔筒的寿命。
8.根据权利要求7所述的一种风力发电机组塔筒的寿命预测装置，其特征在于，所述测风设备为风速风向仪或测风雷达中的任意一种。
9.根据权利要求7所述的一种风力发电机组塔筒的寿命预测装置，其特征在于，所述压力检测设备为压力传感器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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