GB 18451.1-2001 风力发电机组 安全要求.pdf
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1、GB 18451.1一2001前言本标准的第5章、第8章、第9章、第10章为强制性的,其他为推荐性的。本标准等同采用IEC61400-1: 1999U l 切出风速V , 额定风速V ,. 10 min平均参考风速V(y ,.,tl 用于描述瞬时水平风切变的纵向风速分量V (z .o 用于描述极限阵风掘时变化和风切变状况的纵向风速分量x ,y ,z 用于描述风场的坐标系,分别为纵向风,横向风和垂向风Zhub 风力机轮锻高度Z, 离地面参考高度Z。对数风廓线的粗糙长度 风切变指数卢最大风向变化模型参数占变化系数F 伽马函数, 载荷安全系数几材料安全系数几损伤安全系数mJ mJ 一-J aJ 一-
2、 J J mJ V (Z) = O. 75v,(Z) 式中:Zhub 轮毅高2。假定与平均风向短期偏离为士15。. ( 10 ) ( 11 ) 1 )在t算载荷时除了表2内容外,还可以近似地使用不同的百分位数这些百分位数的附加值,确定如下z.a1 = (X - 1)(2 m/s)It5 式中X由正常慨率分布函数确定。如95%时,X1.64。2)现场设计准则可以这样描述.即风速和气功压力随高度而变化,但由上述关系式得到的结果同规tt值差异甚少。281 GB 18451.1 2001 6. 3- 2.2 极端i作阵风(EOG)标准级WTGSN年一遇轮级高阵风值VglltN由下面的关系式给出:一ll
3、Vgu入二llO112). ( 12 ) 式中1标准偏差,由公式(7)计算;11,一一淌流尺度参数,由公式(的选取;D 风轮直径g卢二4.8N二1; 卢=6.4N=500 周期为N年一遇的风速.由下式确定:v(z) -O.37vNsin(3町/1)0-c08(2t /1) ) 0 ,;: tT v(Z ,t) = r ,-. . .,.川(13 ) v(Z) tT式中V(Z)由公式(6)进行计算T=10.58 N=I; T=14. 0 s N=500 如一年一遇,淌流种类为A类,风轮直径42m,轮毅高30m,叫b=25m/s的极端工作阵风.见阁2040 / T、/ 与|飞V 505 332 4
4、E-gah制回2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 时间t., 图2极端工作阵风范例(N=l.A类,D=42m , Zhub=30 m,叫b=25m/s) 一年一遇和50年一遇二者均选取同一升降参数6.3.2.3 极端风向变化(EDC)N年一遇极端风向变化值。由,用下面公式进行计算:1 8,(t) =土arctanVhub 1十O.1 ( ) . ( 14 ) 式中:O_. 限定在士180范围内;11, 揣流尺度参数,由(的式计算pD一一风轮直径;=4.8 N=l; =6.4 N=50。N年一遇风向瞬时极端变化。N(t),由下式给出:o t T 此处,瞬时风向极端变化持续时间T=6
5、80最大瞬时载荷发生时.应有信号发出。风向瞬时变化结束后,认为风向保持不变。并假定风速遵从6.3. 1. 2正常风廓线模型(NWP)。如50年4遇,漏流类型为A,风轮直径42m,轮载高30ffi ,Vhttb=25 m/s的极限风向变化见罔3232 18451. 1. 2001 GB / L m . 哥20-lii: Il E 50 40 200 100 10 100 (工44酬叫E。10 5 。时间t s 。40 30 20 风遮hub,m/s10 200 0 图4极端风向变化范例(N=50.A类,D=42m ,Zhub=30 m ,vhub=25 m/s) 极端风向幅值变化范例(N=50.
6、A类.D=42m.Z,b=30 m) 6.3.2.4 极端相干阵风CECG)标准级WTGS的设计需假定极端相干阵风具有v,=15 m/s的帽值。风速由下式确定zv(Z) t T v忙,t)= 50 40 30 20 10 45自乞,NV凶谓国。14 时间t , 图5极端相干阵风(v,=25m/s)(ECG) 6. 3. 2.5 方向变化的极端相干阵风(ECD)在这种情况下,假定风速的上升(由ECG阐述的,见图5)与风向的变化良a是同步进行的。8,.11.由下面的关系式确定:12 10 8 6 4 2 。2 . ( 17 ) V,b T 士。此处上升时间T=10s 。应用公式(6)规定的正常风廓
7、线。风向的变化。与风速叫巾的关系,风向的变化与时间的关系Cv,=25m/s时).分别见图6和图10231 18451.1一2001GB / 才V / 4 30 25 20 10 8 15 (L士)龟垣嗣岳阳 卜、200 00 60 (-vess哈制甚KH50 10 0 2 。12 8 6 时间t, , 4 2 。40 30 风矗.山,m/s20 10 。Vh,b= 25 m/s时风向变化时间历程。t二T图6ECD风向变化6. 3. 2.6 极端风速切变(EWS)50年一遇极端风速切变应用于下列两种瞬时风速来计算:瞬时垂直切变IZ 俨i Z -Z.川I/D11I4i iZ盯川Vhub l Zhu
8、b J十D)2.5十队阶11,)1 叫T11 图7t 7 h zz h v(z ,t) = . ( 19 ) 瞬时水平切变。,;t ,; T Vhub(元)+ (主)( 2. 5 + 0叫到(.)( 1一叫芋) t T 叫王;fv(y,z ,t) . ( 20 ) 式中:=0.2;卢=6.4汀=12 s; A , 淌流尺度参数,由公式(9)计算g一一风轮直径。/ 卜 可., 、. . 40 35 25 20 5 10 15 30 4巨-t.二A制dAT 长/1. 8 0.8 0.4 1. 6 1. 4 1. 2 31O N 、问0.6 。0.2 0.0 0 14 12 10 8 时间t, ,
9、6 4 2 。2 40 30 20 风速(z,叶.m/s10 风轮上部风轮下部风轮上部和下部风速切变时间历程(假定以图8为存在前提)图9t=Otr/2 图8极端垂直风速切变开始前风廓线(t=(),虚线)最大切变。=6s,实线)(,=50.揣流A类,Zhub=30m山h,b=25m/s .D=42 m) 134 GB 18451.1- 2001 要挑选水平风速切变信号,以使最严重的瞬时载荷出现。两种极端风切变是分别考虑的,所以不能同时应用。作为例.50年)!Il极端垂直风速切变在图8中予以说明.图中示出开始前的风速切变(to s)和最大切变(t6s)。图9则表示出风轮上部和下部风速切变的时间历程
10、。两图中均假定揣流类型为A,t!l,ob=2jm/s,Z!响30m.风轮直径D42mo 6.4 其他环境条件除了风速外,其他环境(气候)条件通过热、光、化学、腐蚀、机械、电的或其他物理作用都会影响WTGS的完整性和安全性。而且综合的气候因素更会加剧这种影响。至少应考虑下列其他环境条件,并将它们的作用在设计文件中阎明.温度g一湿度;一空气密度$-太阳辐射g丽、冰雹、冰雪$化学作用物质,一机械作用颗粒sp雷电;一地震g盐雾。近海环境,需要考虑附加特殊条件。设计中的气候条件可依照惯用值或气候条件变化范围来确定。选择设计值时,诸多气象条件同时出现的可能性也应予以考虑。对应一年周期里正常范围内气候变化不
11、应影响WTGS正常运行。除了相关存在因素外,6.4. 2中的极端环境条件应和6.3. 1中正常风况结合起来考虑。6. 4. 1 其他正常环境条件应考虑的其他正常环境条件一一设备正常工作环境温度范围一IOC40C,-一最高相对湿度小子或等于95%,一一大气成分相当于无污染的内陆大气(见IEC60721-2-1) , 太阳辐射强度1000W/m,空气密度1.225kg/m飞由设计者规定附加外部环境条件参数肘,这些参数的值应在设计文件中说明,并应符合IEC 60721-2-1的要求。6.4.2 其他极端环境条件WTGS设计中应考虑的其他极端环境条件是温度、雷电、冰和地震。6.4.2.1 温度标准级W
12、TGS极端温度范围设计值至少应是一20C+50C。6.4.2.2雷电第10.6条防雷措施适于标准级风力发电机组。6.4.2.3冰应给出标准级WTGS结冰时的最低要求。6.4.2.4 地震应给th标准级WTGS地震时的最低要求。6. 5 电网条件下面列出设计中要考虑的WTGS终端正常条件。23:; GB 18451.1-2001 当下列参数在下述范围内时,采用正常电网条件。电压,额定值土10%频率,额定值土2%电压不稳定,电压的负量与正量的比值不超过2%断电,假定年内断电20次,风力机设计的最长断电持续时间为星期以上来设计。7 结构设计7. 1 概述风力机结构设计应以承载件结构完整性的验证为基础
13、。零部件的极限强度和疲劳强度须通过计算或试验来验证,以表明相应安全等级的WTGS结构的完整性。应以ISO2394为基础进行结构分析。确定一个能够接受的安全等级,并通过计算或试验来验证,以示载荷未超过设计值。采用适当的方法进行计算。设计文件中需提供计算方法的说明。说明应包括计算方法有效性的证据或相应研究验证的参考文献。试验中的载荷水平应能反映相应计算中的安全系数。7.2 设计方法应验证风力机极端状态未超出设计范围。模型试验和样机试验可以代替计算来验证结构设计的合理性,如ISO2394的规定3?3 载荷设计计算中应考虑7.3.17.3.4阐述的载荷。7. 3. 1 惯性力和重力载荷惯性力和重力载荷
14、是作用于WTGS的静态和动态载荷,它们是由振动、旋转、地球引力以及地震的作用产生的。7.3.2 空气动力载荷空气动力载荷也是静态的和动态的载荷,它们是由气流与WTGS的固定件或运动件相互作用引起的。空气动力视风轮转速,穿过风轮平面的风速、漏流、空气密度和风力机零部件气动类型和它们之间相互作用(包括气动弹性)而定。7.3.3 运行载荷运行载荷由WTGS的操作和控制而产生。与其他载荷是一样的e均与风轮转速的控制有关,如通过叶片变浆或其他气动装置进行扭矩控制,从而控制转速。这些载荷包括由风轮起动和停止而引起的传动机构制动瞬时载荷,发电机接通和分离引起的载荷和偏航引起的载荷。7.3.4 其他载荷其他载
15、荷,如波动载荷,尾流载荷,冲出载荷,冰载荷都可能发生。这些载荷可适当计入总载荷考虑,见第11章。3) 150 2394定义极限状态和使用状态如下2结构和作用于其上的力的一种状态.一旦超过这种状态.结构不再满足设计要求。设计计算的目的是要使所研究的结构处在规定极限值以下.例如2最大极限状态相当于,视为同l体的结构或其一部分失去平衡(如倾覆); 自由超过极限强度(或由于交变载荷强度减少)或材料最大变形,造成结构危险剖面的断裂3机构机理破坏.失去稳定(弯曲等)。例如,使用效能和影响结构件或非结构件外表的变形$造成不舒适,影响非结构件或设备的超标振动(尤其是发生共振h减少结构耐久性的和影响使用功能或影
16、响结构件非结构件外袤的局部损伤。为了在设计中控制使用极限状态,通常使用一个或多个约束,如规定最大变形、最大加速度、最大裂纹等。236 GB 18451.1-2001 7.4 设计L况和载荷状态本条阎明了WTGS结构载荷状态,并规定了设计中需考虑的最低数量。为了达到设计目的,WTGS的寿命以机组将要承受的,包含各重要条件的设计上况来体现。载荷状态取决于装配、吊装、维护、运行状态、设计工况与外部条件的组合方式。将具有合理发生概率的各相关载荷状态与控制和保护系统动作,放在一起考虑。通常用于确定WTGS结构完整性的载荷状态,用下面的组合形式进行计算正常设计工况和正常外部条件,正常设计工况和极端外部条件
17、;故障设计工况和相应的外部条件$运输、安装和维护设计工况与相应的外部条件。如果极端外部条件和故障工况二者相关存在,可以考虑将它们组合在一起,作为一种载荷状态。在每种设计工况中,为使WTGS结构设计的完整,要考虑儿种载荷状态。表2所列是考虑的最少载荷情况。表中,每种设计工况通过对风、电和其他外部条件的说明都规定了设计载荷状态。在特殊的WTGS的设计中,如需要,也可以考虑其他有关安全设计载荷状态。表2中.对各设计工况用F和U注明相应的分析方法。F表示疲劳载荷分析,用于评定疲劳强度。u表示极限载荷分析,如超越材料最大强度极限的分析、叶尖挠度分析、稳定分析等。标有.U的设计工况,又分为正常(N),非正
18、常(A),运输和安装(T)等类.在风力机正常寿命期内电il:常设计工况是要频繁出现的。此时风力机经常处于正常状态或仅出现短时的异常或轻微的故障。非正常设计工况出现的可能性较小.它的出现往往对应产生严重故障,例如保护系统的故障。设计工况的形式:-./,A或T决定极限载荷使用的安全系数Yf。这些系数在7.6条的表3和表4中给出。表2列出了风速范围,应考虑到风速对WTGS产生的最严重影响。将风速范围分成若干个区段,并对每一段给出WTGS适当的寿命百分比。确定载荷状态时,应参考第6章阐述的风况。表2载荷情况设计工况DLC 风况其他情况分析方法局部安全系数1. 1 NTM Vhuh =v,或V.U N
19、1. 2 NTM Vm Vhu vu F 4晤1. 3 ECD Vhub = V, U N 1. 4 N飞I/PVhuh=Vr或Vou外部电故障U N 1)发电1. 5 EOG, Vbub = v. !X. VQU, 电线损伤U N 1. 6 EOGso Vhub=VT Vu U N 1. 7 E飞I/SVhub = V, VQU ! U N 1. 8 EDCSQ Vhub=V.或Vo时U N 1. 9 ECG Vhub =v, U N 2. 1 N飞I/PVhub=Vr Vou 控制系统故障U N 引发电兼有故NWP Vhub =U9.i v四保li矗统或取部电气故障U A 2. 2 障2.
20、3 NTM 叫n Vhuh Vout 控制(保护罩统故障F 4陪3. 1 NWP 它;n叫0节。oF 引起动3. 2 EOG, Vhub=V;n V,或VooU N 3. 3 EDC, Vhub=Vin V.或Vn,U N L一-一-237 GB 18451.1-2001 表Z(完)设计工况IlLC 风况4. 1 N飞IIPVin Vhub Vout 的正常关机4.2 EOG , Vhu=V,或Voti一s )紧急关机5. 1 NWP Vhub = v ,iX; V Otit 的停机(静止或5. 1 EWM Vhub =v.so 空转)6. 2 NTM VhubO.7vrd 7)停机兼故障7.
21、 1 EWM Vhub =Vel 8)运输、细装、8. 1 由制造厂加以说明维护、修理缩写见下面。赞如果未确定切出风速Vout则用V,cf代替。L DLC 设计载荷状态ECD 方向变化的极端相干阵风(见6.3. 2. 5) ECG 极端相干阵风(见6.3. 2. 4) EDC 极端风向变化(见6.3.2.3)EOG 极端工作阵风(6.3.2.2)EWM 极端风速模型(6.3.2.1)EWS 极端风速切变(6.3.2.6)Subscript 以年计发生一次的机会NTM 正常揣流模型(见6.3.1.3)NWP 正常风廓线模型(见6.3.1.2)F 疲劳U 最大N 正常的和极端的A 非正常的T 运输
22、和安装势疲劳安全系数(见7.6.3)7.4.1 发电DLC1.1-1. 9) 其他情况可能电网损坏分析方法局部安全系数F 将U N U N U N F 4峰U A T 这种设计工况,WTGS处在运行状态,并被接有电力负载。WTGS总布局应考虑风轮不平衡的影响。设计汁算中应考虑制造中规定的最大不平衡重量的气动不平衡(如叶片浆距和偏航角)。另外,理论最佳运行状态偏差,如偏航角偏差,控制系统轨迹误差等,在分析运行载荷时应予考虑。计算中应假设各种情况最不利的组合,例如风向变化与偏航角偏差的组合DLC1.8)或阵风与电负|荷损失DLC1.5)的组合。设计载荷情况DLC1.1和1.2包含了由大气浦流造成的
23、载荷要求。DLC1.3和1.6-1.9规定了WTGS使用寿命期间可能出现的临界事件的瞬态情况。DLC1.4和1.5考虑的则是外部故障和电负荷损失的瞬态情况。7.4.2 发电兼有故障DLC2.1-2. 3) 控制系统或保护系统故障,电气系统内部故障(如发电机短路),WTGS大的负荷都有可能在发电过程中发生。对DLC2.1控制系统产生的故障(认为是正常现象)应进行分析。对DLC2.2保护系统或内部电气系统出现的故障(认为是罕见的现象)应进行分析。如果发生故障后未能引起立刻关机.由此产238 GB 18451.1一2001生的载荷可导致严重疲劳破坏,这种情况可能持续的时间.应在DLC2.3中估计到。
24、7.4.3 起动DLC3.1 3. 3) 这种设计工况包括WTGS从静止或空转状态到发电状态的瞬间作用于其上的所有载荷。7.4.4 正常关机DLC4.1 4. 2) 这种设计工况包括WTGS从正常发电到静止或空转状态的瞬间作用于其上的所有载荷。7.4.5 紧急关机CDLC5.1)由紧急关机造成的载荷增长应予考虑。7- 4. 6 停机(静止或空转)CDLC6. 1 6. 2) 风力机停机时,风轮停止不动或空转,此时应考虑极限风况。如果某些零件产生严重疲劳破坏(例如由空转叶片重力造成疲劳破坏),应考虑对应各种风速的空转时数即不发电时数。电网损坏对停机后的风力机的影响也应加以考虑。7- 4. 7 停
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