基于CFD的半削平基礎(chǔ)平臺(tái)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響研究*

文 | 付炳瑞，王海斌，胡威

在風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)建設(shè)過程中，為了節(jié)省成本，減少挖平臺(tái)的土方量，經(jīng)常將山頭挖至可以澆筑風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)時(shí)就停止施工，在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)旁留下10m－20m高未削去的半個(gè)山頭，機(jī)位微地形的改變對(duì)前期風(fēng)資源評(píng)估會(huì)有一定的偏差，從而對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全造成隱患。本文將以山西某風(fēng)電場(chǎng)為例，利用機(jī)組SCADA實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和CFD流體仿真手段，研究上述微地形的改變對(duì)輪轂高度處湍流和機(jī)組振動(dòng)的影響。

山西某風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目背景

山西某風(fēng)電場(chǎng)共吊裝29臺(tái)機(jī)組，2014年年底完成調(diào)試并網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行過程中部分機(jī)組出現(xiàn)機(jī)艙加速度超限故障，其中大部分機(jī)組存在基礎(chǔ)平臺(tái)半削平的情況。

SCADA數(shù)據(jù)分析

本文選用機(jī)組運(yùn)行的SCADA數(shù)據(jù)，時(shí)間長度為2015年1月1日到2015年12月31日，選取場(chǎng)區(qū)內(nèi)A、B兩臺(tái)典型故障機(jī)組和C、D兩臺(tái)正常機(jī)組，四臺(tái)機(jī)組所處的地形情況如圖1所示。故障機(jī)組與正常機(jī)組所處的地形相似，A機(jī)組和C機(jī)組與B機(jī)組和D機(jī)組各位于一道山梁，大地形下環(huán)境大體相同，因此對(duì)于研究微地形的影響具有較好的參考性。

通過處理機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)，本文將從湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差、陣風(fēng)因子、機(jī)艙加速度有效值和功率曲線四個(gè)方面討論機(jī)組局地風(fēng)資源情況和運(yùn)行狀態(tài)。

一、湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差分析

通過分析問題機(jī)組的故障文件可知，該項(xiàng)目機(jī)組發(fā)生機(jī)艙加速度超限故障的時(shí)間段主要集中在四月和十二月，即春冬季節(jié)，一年中風(fēng)速最大的月份也恰好在四月和十二月。

圖1 四臺(tái)機(jī)組所處的地形情況

在北方春冬季節(jié)，植被稀疏，影響機(jī)位處湍流的因素以地形為主。湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差是衡量10min樣本內(nèi)數(shù)據(jù)強(qiáng)弱的量度，反映數(shù)據(jù)的脈動(dòng)程度，用公式（1）表示：

其中ui為瞬時(shí)風(fēng)速，u為樣本平均風(fēng)速，n為樣本內(nèi)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

在正常湍流模型中，湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差代表值σ1應(yīng)為輪轂高度處風(fēng)速的90%，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)等級(jí)，這個(gè)值由式（2）給出：

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差值與代表值曲線進(jìn)行對(duì)比，來驗(yàn)證實(shí)際湍流特征與IEC標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性。以2015年4月為例，A和B機(jī)組湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差隨時(shí)間的變化如圖3（a）和（b）所示。從圖中可知機(jī)位湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差在大于10m/s的風(fēng)速段內(nèi)有較多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，超出IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正常湍流模型中A類湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線，且這些數(shù)據(jù)點(diǎn)在風(fēng)速維度上分布較為分散。反觀C和D正常運(yùn)行的機(jī)組，其湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差隨時(shí)間的變化如圖3（c）和（d）所示，機(jī)位湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差在大于10m/s的風(fēng)速段內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)超出在IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正常范圍。模型中超出A類湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，且這些數(shù)據(jù)點(diǎn)在風(fēng)速維度上相對(duì)集中，均在風(fēng)速18m/s左右分布。四臺(tái)機(jī)組湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差與IEC標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比見表1，從表中可知，四臺(tái)機(jī)組實(shí)測(cè)湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差在IEC湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差A(yù)類代表值曲線以下的涵蓋比均超過90%，但A和B兩臺(tái)故障機(jī)組實(shí)測(cè)湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差在IEC湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差B類代表值曲線以下的占比卻低于90%。

圖2 正常湍流模型（NTM）的湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差

表1 2015年4月四臺(tái)風(fēng)電機(jī)組湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差與IEC標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比

圖3 2015年4月四臺(tái)機(jī)組湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差與風(fēng)速關(guān)系圖

二、機(jī)艙加速度有效值分析

2015年4月1日，A和B機(jī)組因發(fā)生機(jī)艙加速度超限故障，兩臺(tái)故障機(jī)組當(dāng)天的機(jī)艙加速度有效值如圖4（a）和（b）所示。由圖可知兩臺(tái)機(jī)組在部分時(shí)段內(nèi)機(jī)艙加速度有效值超過0.1g，甚至達(dá)到0.16g，觸發(fā)機(jī)艙加速度超限故障的最低條件。然而同一時(shí)段內(nèi)這兩臺(tái)故障機(jī)組附近的C和D機(jī)組運(yùn)行正常，其機(jī)艙加速度有效值見圖4（c）和（d），C和D機(jī)組機(jī)艙加速度有效值均未超過0.1g。

三、陣風(fēng)因子分析

通常定義陣風(fēng)因子為陣風(fēng)持續(xù)期tg內(nèi)平均脈動(dòng)風(fēng)速的最大值與基本時(shí)段內(nèi)的平均風(fēng)速之比，即：

2015年4月1日四臺(tái)機(jī)組陣風(fēng)因子隨時(shí)間變化的散點(diǎn)圖如圖5所示，從圖中可知A和B故障機(jī)組的陣風(fēng)因子存在超過2的時(shí)段，而且這一時(shí)段恰好與故障發(fā)生時(shí)間相吻合；而在同一時(shí)間段內(nèi)，C和D機(jī)組陣風(fēng)因子均未超過2。經(jīng)統(tǒng)計(jì)風(fēng)電機(jī)組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本中陣風(fēng)因子超過1.4的頻率見表2，由表可知，A和B故障機(jī)組陣風(fēng)因子超過1.4的頻率占比均超過10%，且日平均陣風(fēng)因子偏大。

表2 風(fēng)電機(jī)組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本中陣風(fēng)因子超過1.4的頻率統(tǒng)計(jì)

圖4 2015年4月1日四臺(tái)機(jī)組機(jī)艙加速度有效值隨時(shí)間變化圖

圖5 2014年4日1日四臺(tái)機(jī)組陣風(fēng)因子隨時(shí)間變化散點(diǎn)圖

四、故障機(jī)組對(duì)功率曲線的影響

故障機(jī)組不僅在湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差、機(jī)艙加速度、陣風(fēng)因子等方面存在異常，而且對(duì)功率輸出方面也有較大的影響，其功率曲線如圖6所示，2015年4月A和B機(jī)組的功率曲線在額定風(fēng)速段內(nèi)出現(xiàn)較大幅度的下降。

五、故障機(jī)組地形分析

從現(xiàn)場(chǎng)地形分析，距離A機(jī)位的東側(cè)約22m處有一高約10m的半削平山包，同樣在距離B機(jī)位的東部約20m也有一高約11m的半削平山包，兩臺(tái)機(jī)組所處的地形相似。另外，兩臺(tái)機(jī)組與測(cè)風(fēng)塔的相關(guān)性較好（見圖7），說明測(cè)風(fēng)塔對(duì)這兩臺(tái)機(jī)組有一定的代表性，因此用測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是可行的。

經(jīng)分析2015年4月1日測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)向?yàn)闁|偏東南，由此可知兩臺(tái)機(jī)組旁邊的半削平山頭恰好位于機(jī)組的主風(fēng)向。機(jī)組葉片最底端距離地面約30m，其與附近的半削平山頭在垂直高度上有不足20m的高差，當(dāng)風(fēng)從山頭一側(cè)吹向風(fēng)電機(jī)組時(shí)，氣流受到阻擋而發(fā)生畸變分離，不僅產(chǎn)生較大的湍流，而且導(dǎo)致風(fēng)速沿塔筒高度方向變化很大。

借助機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)，只能監(jiān)測(cè)輪轂高度處來流變化情況，而無法獲知其他高度層的風(fēng)參數(shù)以及流場(chǎng)變化。為了更好地解釋半削平山頭對(duì)下風(fēng)向風(fēng)電機(jī)組的影響作用，下文將采用CFD流體模擬仿真技術(shù)對(duì)場(chǎng)區(qū)地形進(jìn)行流場(chǎng)模擬。

圖6 2015年4月A和B機(jī)組網(wǎng)側(cè)有功功率與標(biāo)準(zhǔn)功率曲線的對(duì)比

圖7 測(cè)風(fēng)塔與A和B機(jī)組風(fēng)速同期相關(guān)性驗(yàn)證

CFD模擬仿真

CFD模擬仿真技術(shù)可較好地應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)復(fù)雜地形的流動(dòng)模擬, 再現(xiàn)復(fù)雜地形的大氣邊界層內(nèi)的流動(dòng)。為了更加直觀地描述氣流流經(jīng)半削平山頭后的流場(chǎng)變化情況，本文首先對(duì)半削平山頭實(shí)現(xiàn)3D建模，然后采用流場(chǎng)仿真模型對(duì)半削平山頭的流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，最后從機(jī)組平臺(tái)的垂直剖面和水平剖面分析半削平平臺(tái)對(duì)機(jī)組的影響。

圖8展示了模擬方案設(shè)置及數(shù)據(jù)傳遞流程。半削平處的小山包與機(jī)位點(diǎn)平臺(tái)的海拔相差10m，模擬區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格分辨率為1m×1m×1m，提取測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度數(shù)據(jù)生成邊界廓線作為模擬區(qū)域的初始條件，對(duì)半削平風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)處的流場(chǎng)進(jìn)行模擬。

一、垂直剖面模擬分析

假設(shè)平臺(tái)處高度為0m，根據(jù)前述方法模擬半削平風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)垂直方向上0m－80m各高度處的環(huán)境湍流變化情況，具體模擬結(jié)果見圖9和表3。

根據(jù)CFD流體模擬仿真結(jié)果，風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)處的湍流強(qiáng)度在半削平小山包的10m高度附近達(dá)到最大，隨著高度的上升，環(huán)境湍流值逐漸減小，且環(huán)境湍流值在30m高度處有較大的變化，該結(jié)論與障礙物對(duì)湍流的影響結(jié)論一致，即受障礙物的影響，渦流擾動(dòng)區(qū)的影響高度范圍約為障礙物高度的3倍。風(fēng)電機(jī)組葉片掃風(fēng)最低點(diǎn)所處的高度一般距地約為20m－30m，若氣流從半削平風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)處的小山包流經(jīng)下風(fēng)向的風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)會(huì)發(fā)生氣流分離，山包與平臺(tái)間的海拔差越大，則氣流分離就越嚴(yán)重，影響的葉片掃風(fēng)面的面積越大，進(jìn)而給葉片的受力、機(jī)組的載荷帶來一定影響，最終影響機(jī)組正常發(fā)電。

二、水平剖面模擬分析

假設(shè)半削平的小山包與機(jī)位點(diǎn)平臺(tái)處海拔相差10m，如圖10所示，在水平剖面上（其高度與平臺(tái)高度一致），由于受半削平平臺(tái)的影響，半削平的小山包對(duì)風(fēng)有阻擋作用，在小山包前后均形成回流區(qū)，對(duì)機(jī)組的發(fā)電量和載荷安全產(chǎn)生影響。

三、半削平風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)對(duì)環(huán)境湍流的影響分析

原山頭處垂直剖面上環(huán)境湍流見圖11，半削平風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)垂直剖面上環(huán)境湍流見表4。

由表4可知，從原山頭與半削平風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)環(huán)境湍流值變化情況來看，環(huán)境湍流值突變的高度層發(fā)生在風(fēng)與地表接觸的那一層高度，即山地地形中貼近地表處的湍流值最大，貼近地表處的湍流對(duì)機(jī)組有一定的影響，從而增加機(jī)組振動(dòng)的可能性。

圖8 地形模擬仿真流程

圖9 半削平風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)垂直剖面上環(huán)境湍流

表3 半削平風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)垂直方向上0m-80m處的環(huán)境湍流變化情況

圖10 半削平風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)水平剖面上環(huán)境湍流情況（風(fēng)流場(chǎng)平面高度與平臺(tái)高度一致）

圖11 原來山頭處垂直剖面上環(huán)境湍流

結(jié)論與建議

通過對(duì)機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)和CFD仿真模擬的分析，位于機(jī)組上風(fēng)向的半削平山頭前后形成較大湍流的回流區(qū)，特別容易對(duì)機(jī)組下旋葉片的氣流造成擾動(dòng)。從發(fā)電量角度來看，氣流擾動(dòng)會(huì)影響葉片正常變槳，使其無法達(dá)到理論最優(yōu)Cp值，最終導(dǎo)致機(jī)組出力較差，發(fā)電量降低；從機(jī)組載荷適應(yīng)性角度來看，氣流擾動(dòng)會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)、葉片壽命減少等問題。風(fēng)速越大，氣流流經(jīng)半削平山頭產(chǎn)生的脫流效應(yīng)會(huì)更加強(qiáng)烈，最終會(huì)導(dǎo)致機(jī)組機(jī)艙加速度超限故障。

表4 半削平山頭與原山頭處環(huán)境湍流對(duì)比

建議在今后的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中，盡量保證機(jī)組平臺(tái)周邊平整，避免半削平山頭情況出現(xiàn)，雖然在前期投入成本增加，但在后期風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維和發(fā)電量收益中，可以減少不必要的損失。

攝影：黃斌