HBM 應(yīng)變片用于測量離岸風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)負(fù)載

HBM 應(yīng)變片用于測量離岸風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)負(fù)載

HBM應(yīng)變片和數(shù)據(jù)采集設(shè)備用于荷蘭 Westermeerwind 風(fēng)力發(fā)電場的特殊實(shí)驗(yàn)，以研究海床對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的阻尼作用。為風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)獲得可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)。

為了使風(fēng)能比石油更具吸引力，離岸風(fēng)電場需要以更經(jīng)濟(jì)的方式運(yùn)行。西門子風(fēng)電已經(jīng)啟動了一個(gè)項(xiàng)目，以更多地了解海床和風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)之間的相互作用。

與 TU Delft 合作，荷蘭的西門子風(fēng)電負(fù)責(zé)建設(shè)新型風(fēng)力發(fā)電場的工程和項(xiàng)目管理。重點(diǎn)在于塔架和地基的計(jì)算和測量。渦輪機(jī)的開發(fā)和研究主要由丹麥分公司進(jìn)行。

競爭，創(chuàng)新和價(jià)格壓力

近幾十年來，風(fēng)電在范圍內(nèi)快速發(fā)展，過去25年來，荷蘭超過5％的電力是由風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的。預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)在荷蘭的安裝總量約4500兆瓦。

快速增長的一個(gè)缺點(diǎn)是競爭日益激烈。

越來越多的招標(biāo)正在進(jìn)行，這意味著價(jià)格正在受到壓力。幾年前，在2020年的每兆瓦平均成本價(jià)格為100歐元，現(xiàn)在已經(jīng)下降到73歐元，Vattenfall在丹麥開發(fā)了一個(gè)新的風(fēng)力發(fā)電場，成本每兆瓦50歐元，Kennis en Innovatie Wind op Zee（TKI-WZ）計(jì)算，到2020年，價(jià)格將比 2010年下降 46％。這將使風(fēng)能成為一種競爭性的能源，不再需要補(bǔ)貼。競爭和價(jià)格壓力導(dǎo)致企業(yè)需要制造能產(chǎn)生更高功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

發(fā)電量為100兆瓦的風(fēng)力發(fā)電場，由13臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為8兆瓦，自然比擁有25臺風(fēng)機(jī)每臺4兆瓦更有吸引力。

基礎(chǔ)樁

Disstinct 項(xiàng)目

西門子風(fēng)電因此對風(fēng)力發(fā)電機(jī)新技術(shù)和施工方法進(jìn)行了仔細(xì)研究。探索海床與風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)相互作用的“破壞性”項(xiàng)目始于2014年。除了西門子和 TU Delft，F(xiàn)ugro，Van Oord和DNV-GL等公司也參與了該項(xiàng)目。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)是非常重要的。轉(zhuǎn)子在塔架上施加巨大的力量。對于離岸風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說，除了風(fēng)力之外，波浪負(fù)荷也非常關(guān)鍵。風(fēng)機(jī)的固有振動頻率對于確定支撐結(jié)構(gòu)可以承受的負(fù)載是非常重要的。

這個(gè)頻率的正確預(yù)測是非常重要的，但主要不確定因素是結(jié)構(gòu)與海床之間的相互作用。

現(xiàn)有情況是土體的剛度通常被低估，結(jié)果是設(shè)計(jì)更堅(jiān)固的基礎(chǔ)，使用更多的材料。結(jié)果是，風(fēng)力渦輪機(jī)的價(jià)格上漲，在競爭激烈的市場中處于劣勢。

在 IJsselmeer 實(shí)驗(yàn)

項(xiàng)目經(jīng)理 Bongers 解釋說，我們對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的靜態(tài)和動態(tài)力量非常了解，但關(guān)于海床的阻尼效應(yīng)我們知之甚少。 “因此，我們的研究主要是海床的作用。從廣義上來說，更硬的地板比松散的地板更容易吸收載荷。

海底土壤條件是設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)的重要起點(diǎn)，我們希望在Disstinct項(xiàng)目中繪制和驗(yàn)證這種關(guān)系，而不僅僅是使用電腦模型，因此我們需要在 Westermeerwind 風(fēng)電場進(jìn)行測試和驗(yàn)證。

這個(gè)風(fēng)力發(fā)電場能產(chǎn)生144兆瓦電力，足以滿足16萬戶家庭的需求。 48臺西門子風(fēng)力發(fā)電機(jī)排列成兩排，間隔約400至500米。它們高95米，轉(zhuǎn)子直徑為108米。水下深度是4到7米。

采用應(yīng)變片對基礎(chǔ)進(jìn)行測試

整個(gè)測試檢查包括地震試驗(yàn)等。測試用單體直徑為五米，重二百多噸，深入海床約25米。其中一個(gè)基礎(chǔ)樁配備了測量設(shè)備。并在其內(nèi)側(cè)安裝了應(yīng)變片，以測量鋼結(jié)構(gòu)體的拉伸量。

為了準(zhǔn)確獲取測量量，在結(jié)構(gòu)體上7個(gè)不同高度安裝了應(yīng)變片，每層 4 個(gè)應(yīng)變片，以防止某層應(yīng)變片無法使用。

安裝傳感器是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，基礎(chǔ)樁直徑約五米，需要在一個(gè)小型高空作業(yè)平臺進(jìn)行安裝。并且鋼樁由于是導(dǎo)電結(jié)構(gòu)因此必須接地。

帶設(shè)備的測量結(jié)構(gòu)體

安裝 HBM 應(yīng)變片

HBM 安裝工作

項(xiàng)目實(shí)施

根據(jù)材料，應(yīng)用，溫度范圍和環(huán)境條件，在海水中需要采用特定類型的膠水和膠粘技術(shù)粘合，并需要使用特殊類型的覆蓋層進(jìn)行防水。

斯堪的納維亞半島的 HBM 工程師經(jīng)常使用這種技術(shù)，因此整個(gè)項(xiàng)目是由挪威的專家團(tuán)隊(duì)安裝完成的。

整個(gè)過程需要對結(jié)構(gòu)體進(jìn)行預(yù)熱，使用膠水和覆蓋層進(jìn)行固化。連接電纜也是特殊的防水型。結(jié)構(gòu)體被安裝在海床上后，經(jīng)過測試，百分之八十的應(yīng)變片完好無損，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期。在挪威，我們也進(jìn)行過類似的測量項(xiàng)目，自2003年以來一直運(yùn)行至今。

黏貼應(yīng)變片

應(yīng)變片安裝在結(jié)構(gòu)樁中

已安裝的應(yīng)變片

振動篩

振動篩

在結(jié)構(gòu)體進(jìn)入海床后，振動篩被附著在該結(jié)構(gòu)體上。這是一種液壓驅(qū)動的振動錘，以引起質(zhì)量不平衡，來模擬來自塔架和轉(zhuǎn)子的力。結(jié)構(gòu)體重的應(yīng)變片以及測斜儀和加速度計(jì)通過特殊防水電纜連接到 HBM MGC Plus 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)安裝在錨固在結(jié)構(gòu)體旁邊的工作船上。持續(xù)進(jìn)行三天。

振動篩測試后，含 HBM 系統(tǒng)和 catman®軟件的測量柜被放置，以便在未來幾年內(nèi)持續(xù)監(jiān)測。機(jī)柜配有工業(yè)級PC和應(yīng)急電源，使數(shù)據(jù)在斷電情況下不會丟失數(shù)據(jù)。西門子并將 PC 連接到其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，以便遠(yuǎn)程收集數(shù)據(jù)。

結(jié)果

帶 HBM DAQ 系統(tǒng)的測試柜

結(jié)論非常符合預(yù)期，海床比預(yù)期的更僵硬，接近以前設(shè)想的4或5倍。這意味著在某些情況下，相當(dāng)輕的基礎(chǔ)就足夠了，成本也會相應(yīng)降低。科學(xué)家今年將調(diào)查結(jié)果撰寫成論文，并提供計(jì)算數(shù)據(jù)。所有這些數(shù)據(jù)將用于開發(fā)新的設(shè)計(jì)模型，以通過DNV-GL認(rèn)證，從而成為成為海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或參考。