甘肅民勤風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)的溫度統(tǒng)計(jì)分析

孫玉萍,汪春林,李萬(wàn)潤(rùn)

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050; 2.蘭州理工大學(xué)防震減災(zāi)研究所,甘肅 蘭州 730050)

隨著全球工業(yè)化和機(jī)械化的日益推進(jìn),能源短缺問(wèn)題逐漸凸顯,新能源的開(kāi)發(fā)和利用成為各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。風(fēng)能作為自然界中最常見(jiàn)的自然資源,應(yīng)用也更加廣泛,其主要應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電。當(dāng)前,對(duì)于風(fēng)電機(jī)組塔筒結(jié)構(gòu)的研究主要側(cè)重于結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[1-2]、結(jié)構(gòu)性能[3]、結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析[4-5]以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析[6-9]等。風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)由于日照作用會(huì)產(chǎn)生變形、溫度應(yīng)力及附加應(yīng)力,因此,溫度效應(yīng)是影響塔筒性能的重要因素之一。在風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段,為了分析結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng),需要掌握露天情況下塔筒結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布以及隨時(shí)間的變化情況。然而,相關(guān)的參考數(shù)據(jù)較為缺乏,規(guī)范中也沒(méi)有明確的計(jì)算方法。

鑒于此,以甘肅民勤風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電塔筒為研究對(duì)象,通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)塔筒的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。根據(jù)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,研究了風(fēng)電塔筒的溫度變化規(guī)律及塔筒與環(huán)境之間溫差的分布特性,并建立了風(fēng)電塔筒溫度及溫差的概率分布模型。研究成果可為深入研究風(fēng)電塔筒的溫度效應(yīng)提供依據(jù),并為我國(guó)風(fēng)電塔筒的全壽命設(shè)計(jì)提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分析方法。

1 監(jiān)測(cè)斷面與測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)塔筒位于甘肅民勤風(fēng)電場(chǎng),為2.0 MW低溫型電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組,測(cè)試塔筒為圓筒+圓錐形管狀結(jié)構(gòu),由低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345E組成,具有充足的剛強(qiáng)度,可以承擔(dān)作用在葉片、塔筒上的力以及葉片轉(zhuǎn)動(dòng)引起的振動(dòng)載荷。每段塔筒間通過(guò)法蘭連接,具有很好的安全性。塔筒高度83 m,葉輪直徑106 m,塔頂外徑2.7 m,塔底外徑4.0 m,額定風(fēng)速10 m/s,額定轉(zhuǎn)速15 r/min。為研究風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)的溫度分布特性,對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中的N18、N61、N70、N92及N108這5臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了監(jiān)測(cè),在每個(gè)塔筒內(nèi)壁及塔筒外部分別安裝了2個(gè)溫度傳感器。風(fēng)電機(jī)組塔筒結(jié)構(gòu)及溫度傳感器測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖1所示。

圖1 溫度傳感器測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Temperature sensor measuring point arrangement

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

選取監(jiān)測(cè)塔筒2015年10月—2016年10月的溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于傳感器自身的因素,監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)可能存在異常,需要選擇能夠反映塔筒日溫度變化的典型溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(將異常數(shù)據(jù)從分析數(shù)據(jù)中剔除),如圖2所示。測(cè)試中溫度傳感器所使用的采樣頻率為0.1 Hz,由于采集的數(shù)據(jù)量比較大,且在短時(shí)段內(nèi)溫度變化不明顯,以5 min為基本時(shí)距對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)取平均值,用平均值代表此時(shí)段的溫度值。監(jiān)測(cè)塔筒溫度實(shí)測(cè)曲線如圖3所示。由圖3可以看出:塔筒溫度夏季高冬季低,具有顯著的季節(jié)特征;實(shí)測(cè)塔筒最高溫度為46 ℃,最低溫度為-24 ℃;實(shí)測(cè)環(huán)境最高溫度為36 ℃,最低溫度為-17 ℃;實(shí)測(cè)晝夜溫差最大為25 ℃,月溫差最大為38 ℃,年溫差最大達(dá)到70 ℃以上。

圖2 塔筒溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的選取Fig.2 Temperature measurement data selection of wind turbine tower

圖3 塔筒溫度實(shí)測(cè)曲線Fig.3 Temperature measured curve of wind turbine tower

2.1 溫度統(tǒng)計(jì)分析

利用實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)對(duì)未知參數(shù)作最小二乘擬合,進(jìn)而建立關(guān)于塔筒溫度的概率密度統(tǒng)計(jì)分析模型。用Mi代替第i個(gè)月的溫度數(shù)據(jù),Qi代替第i個(gè)季度的溫度數(shù)據(jù),Y代替整年的實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)。選取2015年12月溫度樣本TM12、春季溫度樣本TQ1及年溫度樣本TY,檢驗(yàn)其是否服從統(tǒng)一分布。TM12與TQ1,TQ1與TY,TY與TM12的累加分布函數(shù)如圖4所示。圖4顯示:TM12、TQ1與TY具有相同的累加分布函數(shù)。對(duì)監(jiān)測(cè)塔筒的月溫度、季溫度及年溫度樣本在顯著性水平為0.05條件下進(jìn)行Kolmogarov-Smirnov檢驗(yàn),判定3個(gè)樣本是否為同一分布。結(jié)果顯示,TM12與TQ1,TQ1與TY,TY與TM12的檢驗(yàn)結(jié)果均為0,接受服從同一分布假設(shè)。

圖4 監(jiān)測(cè)塔筒溫度樣本的累加分布函數(shù)Fig.4 Cumulative distribution function of temperature samples of the measuring wind turbine tower

對(duì)監(jiān)測(cè)塔筒的月溫度、季溫度及年溫度樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)采用各種概率分布模型做擬合優(yōu)度比較發(fā)現(xiàn),監(jiān)測(cè)塔筒的月溫度、季溫度及年溫度的概率統(tǒng)計(jì)特性均可以選用2個(gè)高斯分布的加權(quán)來(lái)表達(dá),其概率密度表達(dá)式為

(1)

其中:fN(T,μi,σi)為變量為T(mén)、均值為μi、標(biāo)準(zhǔn)差為σi的正態(tài)分布函數(shù);αi為第i個(gè)正態(tài)分布函數(shù)的權(quán)重;μi、σi和αi(i=1,2,…,n)為待估計(jì)參數(shù),此處n=2。

塔筒月溫度數(shù)據(jù)、季溫度數(shù)據(jù)及年溫度數(shù)據(jù)的概率密度柱狀圖及非線性回歸曲線如圖5所示。由圖5可知,擬合曲線可以精確地描述塔筒溫度的概率統(tǒng)計(jì)特性。對(duì)計(jì)算得到的溫度概率密度曲線參數(shù)估計(jì)值進(jìn)行K-S檢驗(yàn),結(jié)果均能通過(guò)顯著性水平為0.05的K-S檢驗(yàn)。

圖5 塔筒月溫度數(shù)據(jù)、季溫度數(shù)據(jù)及年溫度數(shù)據(jù)的概率密度柱狀圖及非線性回歸曲線Fig.5 Histogram of probability density and nonlinear regression curve of monthly,quarterly, yearly temperature data of the wind turbine tower

2.2 溫度標(biāo)準(zhǔn)值

我國(guó)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架》、《風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》及《風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)通用要求》等規(guī)范對(duì)溫度作用并沒(méi)有相應(yīng)的要求,溫度標(biāo)準(zhǔn)值的確定參考了歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,即

(2)

其中:f(T)為溫差T的概率密度函數(shù);N為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量;T為實(shí)際溫度;T0為給定溫差標(biāo)準(zhǔn)值;P為超越概率(T>T0的概率)。

將超越概率值P代入式(2),可以求出塔筒溫度的標(biāo)準(zhǔn)值。利用估計(jì)的年溫度概率密度函數(shù)可以解出溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值的最大值與最小值。通過(guò)求解得到其最大值為65.41 ℃,最小值為-30.03 ℃,溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值的最大值與最小值之差為95.44 ℃。塔筒結(jié)構(gòu)材料為鋼結(jié)構(gòu),溫度對(duì)其作用明顯,故在塔筒設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮溫度作用。

3 塔筒溫差監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

選取風(fēng)場(chǎng)5臺(tái)風(fēng)電機(jī)組塔筒溫度數(shù)據(jù),計(jì)算塔筒溫度與環(huán)境溫度之間的溫差,取其正溫差樣本進(jìn)行分析。塔筒溫度與環(huán)境溫度正溫差的實(shí)測(cè)曲線如圖6所示。通過(guò)對(duì)各種擬合模型的比較,可用1個(gè)Weibull分布來(lái)表達(dá)塔筒正溫差的概率統(tǒng)計(jì),概率密度方程為

圖6 塔筒溫度與環(huán)境溫度正溫差的實(shí)測(cè)曲線Fig.6 The measured curve of the temperature difference between tower temperature and ambient temperature

(3)

其中:T為溫差;α、β、μ為待估參數(shù)。

塔筒溫度與環(huán)境溫度正溫差的概率密度柱狀圖、擬合曲線以及概率密度曲線參數(shù)估計(jì)值如圖7所示。圖7中擬合曲線可以精確地反映塔筒正溫差的概率統(tǒng)計(jì)和參數(shù)α、β、μ的數(shù)值,并通過(guò)式(2)得到塔筒50年一遇的塔筒與環(huán)境溫差的最大值為32.53 ℃。

圖7 塔筒溫度與環(huán)境溫度正溫差的概率密度柱狀圖、擬合曲線及概率密度曲線參數(shù)α、β、μFig.7 Probability density histogram and fitted curve of positive temperature difference between tower temperature and ambient temperature,and the parametersα、β、μ of probability density

4 結(jié)論

基于民勤風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)塔的溫度長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究了塔筒結(jié)構(gòu)的溫度變化規(guī)律。利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析法得到塔筒溫度的變化特征,塔筒溫度與環(huán)境溫度之間的溫差模型。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示:風(fēng)電塔筒溫度存在明顯的晝夜起伏現(xiàn)象;塔筒溫度夏季高冬季低,具有顯著的季節(jié)特征。風(fēng)電塔筒的月溫度、季溫度以及年溫度均可以通過(guò)2個(gè)正態(tài)分布函數(shù)的加權(quán)和來(lái)描述其概率分布。通過(guò)極值分析得到塔筒50年一遇的溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值的最大值為65.41 ℃,最小值為-30.03 ℃,年最大溫差達(dá)到90 ℃以上。風(fēng)電塔筒的塔筒溫度與環(huán)境溫度之間的正溫差可以通過(guò)一個(gè)Weibull分布函數(shù)來(lái)描述其概率分布。通過(guò)極值分析得到塔筒50年一遇的塔筒與環(huán)境溫差的正溫差標(biāo)準(zhǔn)值的最大值為32.53 ℃。

研究結(jié)論只是針對(duì)甘肅民勤風(fēng)電場(chǎng)的溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出的,僅對(duì)其他不同太陽(yáng)輻射地區(qū)的風(fēng)電塔筒溫度分布特征提供一個(gè)參考,具體還有待大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和分析積累,這也是今后努力的方向。