西门子风力发电机组

HBM 应变片用于测量离岸风机基础负载

HBM应变片和数据采集设备用于荷兰 Westermeerwind 风力发电场的特殊实验,以研究海床对风力发电机的阻尼作用。为风力发电机基础的标准化设计获得可靠的设计参数。

为了使风能比石油更具吸引力,离岸风电场需要以更经济的方式运行。西门子风电已经启动了一个项目,以更多地了解海床和风力发电机基础之间的相互作用。

与 TU Delft 合作,荷兰的西门子风电负责建设新型风力发电场的工程和项目管理。重点在于塔架和地基的计算和测量。涡轮机的开发和研究主要由丹麦分公司进行。

竞争,创新和价格压力

近几十年来,风电在全球范围内快速发展,过去25年来,荷兰超过5%的电力是由风力发电产生的。预计未来几年内在荷兰的安装总量约4500兆瓦。

快速增长的一个缺点是竞争日益激烈。

越来越多的招标正在进行,这意味着价格正在受到压力。几年前,在2020年的每兆瓦平均成本价格为100欧元,现在已经下降到73欧元,Vattenfall在丹麦开发了一个新的风力发电场,成本价格低于每兆瓦50欧元,Kennis en Innovatie Wind op Zee(TKI-WZ)计算,到2020年,价格将比 2010年 下降 46%。这将使风能成为一种竞争性的能源,不再需要补贴。竞争和价格压力导致企业需要制造能产生更高功率风力发电机。

发电量为100兆瓦的风力发电场,由13台风力发电机组成,每台风力发电机组为8兆瓦,自然比拥有25台风机每台4兆瓦更有吸引力。

基础桩

Disstinct 项目

西门子风电因此对风力发电机新技术和施工方法进行了仔细研究。探索海床与风力发电机基础相互作用的“破坏性”项目始于2014年。除了西门子和 TU Delft,Fugro,Van Oord和DNV-GL等公司也参与了该项目。

风力发电机的基础是非常重要的。转子在塔架上施加巨大的力量。对于离岸风力发电机来说,除了风力之外,波浪负荷也非常关键。风机的固有振动频率对于确定支撑结构可以承受的负载是非常重要的。

这个频率的正确预测是非常重要的,但主要不确定因素是结构与海床之间的相互作用。

现有情况是土体的刚度通常被低估,结果是设计更坚固的基础,使用更多的材料。结果是,风力涡轮机的价格上涨,在竞争激烈的市场中处于劣势。

在 IJsselmeer 实验

项目经理 Bongers 解释说,我们对于风力发电机的静态和动态力量非常了解,但关于海床的阻尼效应我们知之甚少。 “因此,我们的研究主要是海床的作用。从广义上来说,更硬的地板比松散的地板更容易吸收载荷。

海底土壤条件是设计风力发电机时的重要起点,我们希望在Disstinct项目中绘制和验证这种关系,而不仅仅是使用电脑模型,因此我们需要在 Westermeerwind 风电场进行测试和验证。

这个风力发电场能产生144兆瓦电力,足以满足16万户家庭的需求。 48台西门子风力发电机排列成两排,间隔约400至500米。它们高95米,转子直径为108米。水下深度是4到7米。

采用应变片对基础进行测试

整个测试检查包括地震试验等。测试用单体直径为五米,重二百多吨,深入海床约25米。其中一个基础桩配备了测量设备。并在其内侧安装了应变片,以测量钢结构体的拉伸量。

为了准确获取测量量,在结构体上7个不同高度安装了应变片,每层 4 个应变片,以防止某层应变片无法使用。

安装传感器是一项复杂的工作,基础桩直径约五米,需要在一个小型高空作业平台进行安装。并且钢桩由于是导电结构因此必须接地。

带设备的测量结构体
安装 HBM 应变片
HBM 安装工作

项目实施

根据材料,应用,温度范围和环境条件,在海水中需要采用特定类型的胶水和胶粘技术粘合,并需要使用特殊类型的覆盖层进行防水。

斯堪的纳维亚半岛的 HBM 工程师经常使用这种技术,因此整个项目是由挪威的专家团队安装完成的。

整个过程需要对结构体进行预热,使用胶水和覆盖层进行固化。连接电缆也是特殊的防水型。结构体被安装在海床上后,经过测试,百分之八十的应变片完好无损,远远超出预期。在挪威,我们也进行过类似的测量项目,自2003年以来一直运行至今。

黏贴应变片
应变片安装在结构桩中
已安装的应变片
振动筛

振动筛

在结构体进入海床后,振动筛被附着在该结构体上。这是一种液压驱动的振动锤,以引起质量不平衡,来模拟来自塔架和转子的力。 结构体重的应变片以及测斜仪和加速度计通过特殊防水电缆连接到 HBM MGC Plus 数据采集系统。系统安装在锚固在结构体旁边的工作船上。持续进行三天。

振动筛测试后,含 HBM 系统和 catman®软件的测量柜被永久放置,以便在未来几年内持续监测。机柜配有工业级PC和应急电源,使数据在断电情况下不会丢失数据。西门子并将 PC 连接到其内部网络,以便远程收集数据。

结果

带 HBM DAQ 系统的测试柜

 

结论非常符合预期,海床比预期的更僵硬,接近以前设想的4或5倍。这意味着在某些情况下,相当轻的基础就足够了,成本也会相应降低。科学家今年将调查结果撰写成论文,并提供计算数据。所有这些数据将用于开发新的设计模型,以通过DNV-GL认证,从而成为成为海上风力发电机的设计标准或参考。