風(fēng)機(jī)塔筒側(cè)壁開孔關(guān)鍵技術(shù)研究

趙文章 亓濤 連美娟 張克

摘 要：隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，塔架中應(yīng)用的創(chuàng)新技術(shù)層出不窮，全新理念不斷打破風(fēng)電行業(yè)對(duì)塔架及相關(guān)附件的傳統(tǒng)理解和思維定式。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電需要經(jīng)過電纜傳輸?shù)较渥?，將電纜通過埋管敷設(shè)的方式，需要考慮環(huán)境溫度校驗(yàn)系數(shù)、敷設(shè)方式校驗(yàn)系數(shù)、熱阻校驗(yàn)系數(shù)，對(duì)電纜載流量大小有較大影響，動(dòng)力電纜與傳輸光纜敷設(shè)一起會(huì)造成電纜中電勢震蕩，電纜擊穿，對(duì)地放電。同時(shí)，網(wǎng)側(cè)電纜采用電纜管埋設(shè)方式也易造成埋設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，工藝粗糙。為了節(jié)約電纜材料成本，減少征地面積，勘界限制，降低網(wǎng)側(cè)電纜選型要求，解決施工難度及后期維護(hù)問題，選擇塔筒側(cè)壁開孔作為方便線纜走線及用于其他用途的通道優(yōu)勢非常明顯。然而塔架開孔位置也是最容易出現(xiàn)破壞的位置之一，因而如何保證側(cè)壁孔洞處的塔筒強(qiáng)度、塔筒的穩(wěn)定性、孔洞支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造及安裝的經(jīng)濟(jì)性、電纜布局合理性至關(guān)重要。在目前國內(nèi)外很少有側(cè)壁開孔設(shè)計(jì)規(guī)范的背景下，本文的研究工作為側(cè)壁開孔塔架的實(shí)際設(shè)計(jì)提供了有意義的參考。

關(guān)鍵詞：全新理念;電纜擊穿;側(cè)壁開孔;穩(wěn)定性;經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào)：TH213.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）22-0067-02

1 緒論

1.1 研究背景

風(fēng)力發(fā)電作為可再生的清潔能源，被許多國家越來越多的利用和認(rèn)可，風(fēng)力發(fā)電前景廣闊。如在2015年中國新增風(fēng)電裝機(jī)容量3050萬千瓦，同比上升31.5%，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到25000萬千瓦?？梢灶A(yù)見，在環(huán)境保護(hù)日益重要的今天，中國將持續(xù)并大力推廣風(fēng)力發(fā)電這種綠色能源，并將成為世界上風(fēng)力發(fā)展最令人矚目的國家之一。同時(shí)，風(fēng)機(jī)開發(fā)階段及投入使用后，保證風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的綜合經(jīng)濟(jì)性，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減輕設(shè)備的檢修、維護(hù)和保養(yǎng)工作量至關(guān)重要。

本文主要闡述了通過塔筒側(cè)壁開洞方式，箱變低壓側(cè)電纜出塔筒后不進(jìn)行鋪設(shè)直接連接箱變，保證了電纜電勢的穩(wěn)定、降低了施工的難度，節(jié)約成本，便于維護(hù)。通過風(fēng)機(jī)的機(jī)型確定箱變低壓側(cè)電纜的型號(hào)及數(shù)量，確定電纜的走向布局及折彎半徑等數(shù)據(jù)。分析不同工況下塔架開孔處的極限強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度，確?？锥醇訌?qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性。確認(rèn)塔架開孔對(duì)載荷分布的影響，保證開孔后塔架自身強(qiáng)度滿足要求[1]。同時(shí)設(shè)計(jì)并優(yōu)化孔洞加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、電纜橋架、電氣布局等結(jié)構(gòu)參數(shù)，滿足相應(yīng)功能要求。保證孔洞加強(qiáng)結(jié)構(gòu)及其他附件結(jié)構(gòu)制造、安裝、維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性與合理性。

1.2 塔架相關(guān)組成介紹

塔架是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)。風(fēng)速隨著離地面的高度增加而增加，對(duì)不同的風(fēng)電場而言，選擇合適的的塔架高度會(huì)增加發(fā)電量。同時(shí)，塔架是進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電機(jī)的通道，能夠容納電纜及相關(guān)電氣部件。機(jī)艙內(nèi)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流通過電纜線進(jìn)入塔筒底部平臺(tái)放置的控制柜。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的位置距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，其所產(chǎn)生的電能為交流690V。要將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能輸送到較遠(yuǎn)的距離必須通過箱式變壓器進(jìn)行升壓，箱式變壓器安裝在風(fēng)機(jī)塔筒外部的底面上[2]。風(fēng)機(jī)變流柜輸出的電能通過低壓電纜，一般采用埋管敷設(shè)的方式連接箱變。

2 項(xiàng)目研究詳情

由于河北大名、河北臨西、河北肥鄉(xiāng)、河南獲嘉四個(gè)風(fēng)電場項(xiàng)目機(jī)位點(diǎn)布局情況復(fù)雜，征地面積、土地指標(biāo)及勘界限制，同時(shí)為了解決電纜埋設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，工藝粗糙的問題，節(jié)約電纜材料成本，降低網(wǎng)側(cè)電纜選型要求，解決施工難度及后期維護(hù)問題，該項(xiàng)目采用塔筒側(cè)壁開洞，出塔筒后不進(jìn)行埋地鋪設(shè)直接連接箱變方案。通過塔筒側(cè)壁開洞的方式，改變傳統(tǒng)埋管敷設(shè)方式，原則上新的塔筒電纜路徑選擇應(yīng)使電纜不易受到機(jī)械性外力，過熱，腐蝕等危害，要便于維護(hù)，在滿足安全條件下，使電纜路徑最短。同時(shí)，電纜采用側(cè)壁開洞的方式走線，在其全部路徑條件的上下左右改變部位，均應(yīng)滿足電纜允許的彎曲半徑要求。電纜的最小允許彎曲半徑數(shù)值參照GB 50217-2007電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)要求執(zhí)行。

2.1 確定低壓側(cè)電纜型號(hào)及數(shù)量

該項(xiàng)目采用的風(fēng)機(jī)機(jī)型為：GW131-2200和GW131-2300機(jī)型混排。低壓側(cè)電纜采用8根ZR-YJY23-0.6/1-3*240mm2+1*120mm2型銅芯電纜。低壓側(cè)電纜的最小彎曲半徑為1.2米。

2.2 初步確定側(cè)壁開洞尺寸規(guī)格

根據(jù)風(fēng)機(jī)機(jī)型確定之后的低壓側(cè)電纜型號(hào)、數(shù)量，電纜的最小彎曲半徑確定塔筒側(cè)壁開洞位置及尺寸規(guī)格。

2.3 開洞后塔筒強(qiáng)度分析

2.3.1 靜強(qiáng)度分析

塔筒的結(jié)構(gòu)靜力設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)承力構(gòu)件的截面或連接件，使其能具有抵抗極端破壞的能力，主要包含結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和剛度兩項(xiàng)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)，是其它設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)。利用第四強(qiáng)度理論，通過輸入塔筒每段的極限彎矩、極限軸力和附加彎矩計(jì)算出對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力，然后通過輸入每段的極限扭矩和極限剪力，計(jì)算對(duì)應(yīng)的切應(yīng)力，最后得到等效應(yīng)力設(shè)計(jì)值[3]。

2.3.2 塔筒屈曲分析

塔架發(fā)生屈曲是指當(dāng)塔架承受的載荷超過某一臨界值（又稱為失穩(wěn)載荷），塔架突然失去原有平衡或幾何形狀的現(xiàn)象。理想的失穩(wěn)荷載是塔架結(jié)構(gòu)在理想條件下基于線彈性理論確定的最小分叉荷載，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為理想失穩(wěn)臨界應(yīng)力。但是實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)受到幾何缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷以及材料非彈性行為等影響，實(shí)際情況與理想情況不完全一致，需要通過修正理想失穩(wěn)臨界應(yīng)力而獲得實(shí)際的失穩(wěn)臨界應(yīng)力[4]。計(jì)算屈曲之前判斷是否需要軸向屈曲，針對(duì)塔筒中的錐段需要計(jì)算其等效長度和等效半徑。

2.3.3 塔筒疲勞分析

塔架的材料、零件和構(gòu)件的抗疲勞能力，是指在變載荷作用下，抵抗疲勞斷裂破壞的能力。持續(xù)作用在塔架上的疲勞載荷，由眾多載荷循環(huán)構(gòu)成，每一循環(huán)都會(huì)給塔架造成一定的損傷，損傷量隨著循環(huán)次數(shù)的增加而累積。塔架疲勞壽命設(shè)計(jì)針對(duì)筒壁焊縫、孔洞等進(jìn)行。目前通用的塔架疲勞設(shè)計(jì)方法，采用Miner損傷理論，再考慮焊縫特征（焊接型式、焊接質(zhì)量等）、結(jié)構(gòu)特征和生產(chǎn)工藝等因素，設(shè)計(jì)出在設(shè)計(jì)年限內(nèi)、累積損傷滿足要求的塔架。焊縫疲勞計(jì)算步驟包括（線性累積損傷理論）：得到載荷的Markov矩陣，計(jì)算S-N曲線，計(jì)算疲勞損傷。塔筒法蘭螺栓疲勞計(jì)算包括計(jì)算螺栓拉力，得到載荷的Markov矩陣，計(jì)算S-N曲線，計(jì)算疲勞損傷[5]。

2.4 孔洞處強(qiáng)度分析

計(jì)算塔架孔洞處的極限強(qiáng)度，分析塔架開孔對(duì)載荷分布的影響。對(duì)孔洞加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估，包括全工況下極限強(qiáng)度的分析及損傷評(píng)估。根據(jù)第四強(qiáng)度理論結(jié)果，應(yīng)力為367MPa，位移為2.28mm，依據(jù)工程規(guī)范，采用線性插值的方法對(duì)此值修正后滿足要求。

2.4.1 相關(guān)接口參數(shù)信息輸入

（1）初步確定低壓側(cè)電纜型號(hào)及數(shù)量及側(cè)壁開洞位置、尺寸規(guī)格。（2）箱變需求。箱變需求包括廠家、規(guī)格型號(hào)、詳細(xì)圖紙及三維模型，能反映出箱變的外形尺寸，安裝尺寸，最大檢修部件，吊裝高度要求，進(jìn)出線位置，接口，電氣原理圖，物料清單，冷卻系統(tǒng)管路連接方式，接口等詳細(xì)信息。（3）高壓柜需求。高壓柜需求包括廠家、規(guī)格型號(hào)、詳細(xì)圖紙及三維模型，能反映出高壓柜的外形尺寸，安裝尺寸，檢修距離，安全通道要求，進(jìn)出線位置，接口，電氣原理圖，物料清單等信息。（4）箱變散熱方式。確定箱變采用的散熱方式如水冷或風(fēng)冷。箱變散熱器的外形尺寸，安裝尺寸，進(jìn)出線，水管，水泵，管路的連接關(guān)系，電氣原理圖，物料清單等信息。（5）確定視頻監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)消防系統(tǒng)等參數(shù)。

2.4.2 側(cè)壁開孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)確定后的電氣輸入?yún)?shù)及強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行塔筒側(cè)壁開孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，側(cè)壁開孔結(jié)構(gòu)中心面與塔筒門正中心平面呈90度，根據(jù)已確定的箱變位置確定。側(cè)壁開孔結(jié)構(gòu)中心距離塔筒底法蘭距離為1140mm，考慮到低壓側(cè)電纜的折彎半徑，方便低壓側(cè)電纜的布線。

側(cè)壁開孔結(jié)構(gòu)是由線纜孔加強(qiáng)板、出孔加強(qiáng)筋隔板及孔圍邊構(gòu)成，其中線纜孔加強(qiáng)板的厚度、尺寸及伸出筒壁的尺寸依據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果、出孔加強(qiáng)筋隔板中電纜孔的分布依據(jù)電氣輸入?yún)?shù)、孔圍邊的尺寸大小依據(jù)電纜的直徑。

側(cè)壁開孔相關(guān)其他附件的設(shè)計(jì)也將作為一個(gè)整體獨(dú)立系統(tǒng)，進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)，保證總體規(guī)劃，綜合考慮系統(tǒng)布局、布線，提高附件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度、集成化、規(guī)范化及穩(wěn)固性。

3 結(jié)語

本文主要闡述了風(fēng)機(jī)塔筒側(cè)壁開孔的方案的設(shè)計(jì)過程，根據(jù)項(xiàng)目具體的機(jī)型確定低壓側(cè)電纜型號(hào)及數(shù)量、確定側(cè)壁開洞尺寸規(guī)格，同時(shí)設(shè)計(jì)過程中綜合考慮接口參數(shù)信息輸入，如箱變需求、高壓柜需求、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)消防系統(tǒng)等參數(shù)。在強(qiáng)度分析方面，要分析塔筒開孔后的極限強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度的校核，孔洞加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。側(cè)壁開孔結(jié)構(gòu)及相關(guān)附件設(shè)計(jì)作為一個(gè)整體的系統(tǒng)，綜合考慮系統(tǒng)布局、布線，塔筒及相應(yīng)加強(qiáng)板、隔板、橋架等附件的制造及安裝，提高附件設(shè)計(jì)的規(guī)范化、精確度及經(jīng)濟(jì)性。

風(fēng)機(jī)塔筒側(cè)壁開孔結(jié)構(gòu)和電氣布局實(shí)現(xiàn)塔筒側(cè)壁開洞線纜走線直接連接箱變，節(jié)約電纜材料成本，降低網(wǎng)側(cè)電纜選型要求，解決施工難度及后期維護(hù)問題;同時(shí)，側(cè)壁開孔結(jié)構(gòu)能夠保證塔架運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。對(duì)于相同兆瓦級(jí)機(jī)組網(wǎng)側(cè)電纜塔壁側(cè)壁出線，直接進(jìn)入箱變，降低電纜的選型要求，可以選用非鎧裝電纜，減少了豎直埋地電纜長度，節(jié)約成本，減少征地面積，勘界限制，便于后期維護(hù)，為后續(xù)側(cè)壁開孔的塔架的實(shí)際設(shè)計(jì)提供了有意義的參考。

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