中国船级社风力发电机组规范2008.pdf
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1、 中 国 船 级 社 风力发电机组规范 2008 2008年6月1日 生效 北 京 1 目 录 第第 1 章章 总总 则则1 第 1 节 一般规定1 第 2 节 认 证1 第 3 节 操作运行和维护监控2 第第 2 章章 载载 荷荷3 第 1 节 一般规定3 第 2 节 外部条件4 第 3 节 设计载荷10 第第 3 章章 设设 计计21 第 1 节 一般规定21 第 2 节 总体设计21 第 3 节 部件设计23 第第 4 章章 材料与制造材料与制造25 第 1 节 一般规定25 第 2 节 材 料26 第 3 节 制造和试验32 第第 5 章章 强度分析强度分析39 第 1 节 一般规定3
2、9 第 2 节 应力确定39 第 3 节 金属材料40 第 4 节 混凝土47 第 5 节 纤维增强塑料和粘接49 第 6 节 木 材55 第第 6 章章 结结 构构56 第 1 节 一般规定56 第 2 节 风轮叶片56 第 3 节 机械结构59 第 4 节 机舱罩和整流罩60 第 5 节 螺栓连接63 2 第 6 节 塔 架63 第 7 节 基 础71 第第 7 章章 机械部件机械部件74 第 1 节 一般规定74 第 2 节 变桨系统74 第 3 节 轴 承76 第 4 节 齿轮箱78 第 5 节 机械制动和锁定装置84 第 6 节 联轴器85 第 7 节 弹性支撑86 第 8 节 偏航
3、系统88 第 9 节 液压系统89 第第 8 章章 电气系统电气系统91 第 1 节 一般规定91 第 2 节 电气系统、设备及元器件设计的一般原则 92 第 3 节 电 机94 第 4 节 变压器96 第 5 节 电力电子变流器96 第 6 节 中压设备97 第 7 节 开关和保护装置98 第 8 节 电缆和电线99 第 9 节 并网和装置101 第 10 节 充电设备和储能蓄电池 102 第第 9 章章 控制和安全保护系统控制和安全保护系统104 第 1 节 一般规定104 第 2 节 控制和安全保护系统的一般原则106 第 3 节 控制系统108 第 4 节 安全保护系统109 第 5
4、节 监控和安全处理111 第 6 节 检 验115 第第 10 章章 防雷系统防雷系统 117 3 第 1 节 一般规定117 第 2 节 保护等级和防雷区118 第 3 节 防雷系统和装置设计的一般要求120 第 4 节 风力发电机组的防雷措施122 第 5 节 其它设施的防雷措施125 第 6 节 防雷区界面处电缆和电线的处理125 第 7 节 防雷装置的设计、检查和维护126 第第 11 章章 运输、安装、运行和维护运输、安装、运行和维护 127 第 1 节 一般规定127 第 2 节 运输、安装、运行和维护127 第第 12 章章 测测 试试 130 第 1 节 一般规定130 第 2
5、 节 安全及功能测试131 第 3 节 功率特性测试131 第 4 节 载荷测试132 第 5 节 噪声测量133 第 6 节 电能品质测试133 第 7 节 耐久性测试134 附录附录 1 坐标系坐标系 135 附录附录 2 载荷评估载荷评估 138 附录附录 3 S 级风力发电机组的设计参数级风力发电机组的设计参数 141 附录附录 4 湍流模型湍流模型 142 附录附录 5 地震载荷评估地震载荷评估 146 附录附录 6 极限强度分析的载荷统计外推法极限强度分析的载荷统计外推法 147 附录附录 7 使用麦纳准则和载荷外推法的疲劳分析使用麦纳准则和载荷外推法的疲劳分析 149 附录附录
6、8 塔架的简化屈曲应力计算塔架的简化屈曲应力计算 152 1 第 1 章 总 则 第1节 一 般 规 定 第1节 一 般 规 定 1.1.1 适用范围 1.1.1.1 本规范适用于陆上使用的风力发电机组的认证。1.1.1.2 本规范适用于风轮扫掠面积大于或等于 40m2的水平轴风力发电机组。1.1.1.3 对本章 1.1.1.2 规定以外的风力发电机组,可参照本规范进行认证。1.1.2 规范制定 1.1.2.1 本规范制定的主要依据为:(1)有关国际标准,如 IEC 61400 等;(2)有关国际标准外的其它适用标准、有关理论和科研成果及使用经验。1.1.2.2 本规范修改时,本社将及时换版或
7、颁布修改通报。1.1.2.3 本规范采用的标准/规范均为现行有效的版本,本规范的用户应注意使用这些标准/规范的最新版本。1.1.3 定义 本规范所涉及的名词定义和术语与 IEC 415 同。本规范各章所涉及的定义,均在各章中规定。除另有规定外,本规范适用如下定义:1.1.3.1 本社系指中国船级社。1.1.3.2 CCS 系为 China Classification Society(中国船级社)的缩写。1.1.3.3 规范系指中国船级社有关船舶、海上设施和集装箱以及风力发电机组等现行有效的规范。1.1.3.4 风力发电机组系指将风能转换为电能的系统(即 Wind Turbine Genera
8、tor SystemWTGS)。1.1.4 等效与免除 1.1.4.1 除另有规定外,凡等效于或替代本规范要求的内容,如计算方法、评定标准、制造程序、材料、检验和试验方法等,只要能提供必需的试验、理论依据或使用经验、或有效公认的标准等,经本社总部同意后,均可被接受。1.1.4.2 除另有规定外,如能提供必需的试验、理论依据或使用经验,经本社总部特殊考虑后,可免除本规范的相应要求。1.1.5 规范解释 1.1.5.1 本规范的解释权属本社总部。第2节 认 证 第2节 认 证 1.2.1 风力发电机组认证 1.2.1.1 需进行认证的风力发电机组及其零部件应满足本规范适用的技术要求。1.2.1.2
9、 风力发电机组认证的管理和操作程序应按本社有关的产品认证要求执行。1.2.1.3 经本社认证的风力发电机组和风电场,需满足规定的操作运行和维护监控要求。2 第3节 操作运行和维护监控 第3节 操作运行和维护监控 1.3.1 一般要求 1.3.1.1 操作和维护监控的目的是保证特定场地的一台或一组风力发电机组的操作和维护能满足设计文件中相关操作手册的要求。1.3.1.2 监控应包括对操作维护记录的检查及对风力发电机组的抽查。操作和维护监控应按商定的规定定期进行。1.3.2 操作和维护监控要求 1.3.2.1 应至少确认下列方面:(1)风力发电机组的维护是由授权的且有资格的人员按照维护手册要求和规
10、定的期限进行。(2)检查控制参数的设置是否满足设计文件中的限制值。3 第2章 载 荷 第1节 一般规定 第1节 一般规定 2.1.1 适用范围 2.1.1.1 本章适用于风力发电机组载荷的确定。2.1.2 技术文件 2.1.2.1 应向本社提交下列技术文件:(1)风力发电机组运行和控制系统的说明书;(2)控制系统和安全系统限制值的说明(如功率曲线、风能利用系数、切入和切出风速、转速和偏航系统的数据);(3)对具有变桨距控制、变速或其它有关系统的控制流程和控制参数;(4)标有基本尺寸的简图,及质量、惯性矩和重心数据的文件。对于风轮叶片,包括叶片几何数据(扭角、弦长、相对厚度、翼型)、质量和刚度分
11、布资料等;(5)不同雷诺数下不同相对厚度和迎角的翼型气动特性数据(升力系数,阻力系数和力矩系数);(6)选用的坐标轴系(见本规范附录 1);(7)载荷计算与评估报告(见本规范附录 2);(8)制定载荷时,计算分析所采用的刚度、固有频率和阻尼系数等;(9)叶片共振转速图(如 campbell 图),其中应考虑风轮叶片、传动链和塔架的固有频率和相应的激励;(10)机械刹车的转矩曲线;(11)计算中所使用的风速表;(12)运输、吊装和安装程序文件,包括安装和维护时最大允许的平均风速及制动要求。2.1.3 载荷制定的原则 2.1.3.1 载荷制定是为了进行静强度和疲劳强度分析。2.1.3.2 载荷制定
12、应按本章第 2 节确定的外部条件和风力发电机组的运行状态相结合进行计算分析。2.1.3.3 疲劳强度分析应采用适用的方法,并考虑确定的影响因素(垂直风速梯度、塔影)和随机的影响因素(局部阵风、风湍流)对风轮扫掠面积上风速不均匀分布的影响。2.1.3.4 建立用于疲劳强度分析的载荷谱时,应包括适当的理论分析及计算,且应考虑所有外部条件(尤其是风湍流)的影响。2.1.3.5 应按外部条件和运行状态发生的概率对载荷情况予以细分。一般不考虑极端的外部条件和极端的机组故障状态的组合。2.1.4 安全等级 2.1.4.1 风力发电机组可按下列两种安全等级之一进行设计:(1)如结构失效,会导致人身伤害,或造
13、成经济损失和产生社会影响时,采用正常安全等级;(2)如安全等级由当地规范和/或制造商与用户协商决定时,应采用特殊安全等级。对正常安全等级风力发电机组的安全系数,本章 2.3.5 给出了详细说明。特殊安全等级风力发电机组的安全系数应由制造商与用户协商。根据特殊安全等级设计的风力发电机组即为本章 2.2.2 定义的 4 S 级风力发电机组。第2节 外部条件 第2节 外部条件 2.2.1 一般要求 2.2.1.1 在风力发电机组的设计中,至少应考虑本节所述的外部条件。2.2.1.2 风力发电机组承受环境和电网的影响,其主要体现在载荷、使用寿命和正常运行等方面。为保证安全和可靠性,在设计中应考虑到环境
14、、电网和土壤参数,并在设计文件中明确规定。环境条件可划分为风况和其它外部条件。土壤特性关系到风力发电机组的基础设计。2.2.1.3 各类外部条件可分为正常外部条件和极端外部条件。正常外部条件通常涉及结构长期承载和运行状态。极端外部条件是潜在的临界外部设计条件。设计载荷系由这些外部条件和风力发电机组的运行状态组合而成。2.2.1.4 对结构整体而言,风况是最基本的外部条件。其它环境条件对设计特性,诸如控制系统功能、耐久性、锈蚀等均有影响。2.2.1.5 根据风力发电机组安全等级的要求,设计中要考虑本节所述的正常外部条件和极端外部条件。2.2.2 风力发电机组分级 2.2.2.1 风力发电机组的设
15、计中,外部条件应由其安装场地和场地类型决定。风力发电机组的安全等级及相应的风速和风湍流参数应符合表 2.2.2.1 的规定。2.2.2.2 对需要特殊设计(如特殊风况或其它特殊外部条件)的风力发电机组,规定了特殊安全等级S 级。S 级风力发电机组的设计值由设计者确定,并应在设计文件中详细说明。对这样的特殊设计,选取的设计值所反映的外部条件比预期使用的外部条件更为恶劣。近海安装为特殊外部条件,要求风力发电机组按 S 级设计。各等级风力发电机组的基本参数 表 2.2.2.1 风力发电机组等级 I II III S 参考风速Vrefm/s 50 42.5 37.5 A I 15 0.16 B I 1
16、5 0.14 C I 15 0.12 由设计者确定各参数 注:表中数据为轮毂高度处值,其中:A 表示较高湍流特性级;参考风速Vref为 10min 平均风速;B 表示中等湍流特性级;I 15 风速为 15m/s 时的湍流强度特性值。C 表示较低湍流特性级;2.2.2.3 除表 2.2.2.1 的基本参数外,在风力发电机组设计中,还需要某些更重要的参数来规定外部条件。对风力发电机组 IAIIIC 级,统称为风力发电机组的标准等级,在本节 2.2.3、2.2.4、2.2.5 中规定了这些等级的补充参数值。2.2.2.4 一般风力发电机组的设计寿命应为 20 年。2.2.2.5 对 S 级风力发电机
17、组,制造商应在设计文件中阐述所采用的模型及主要设计参数值。采用本章模型时,对其参数值应作充分的说明。S 级风力发电机组的设计文件应包含本规范附录 3 所列内容。年平均风速没有出现在表 2.2.2.1 中作为风力发电机组等级的基本参数。对于按该表设计的标准等级的风力发电机组,年平均风速 Vave=0.2Vref。5 2.2.3 风况 2.2.3.1 风况的设计值须在设计文件中明确规定,风力发电机组应能承受所确定安全等级的风况。2.2.3.2 从载荷和安全角度考虑,风况可分为风力发电机组正常工作期间频繁出现的正常风况和 1年或 50 年一遇的极端风况。2.2.3.3 在许多情况下,风况可视为定常流
18、与变化的阵风廓线或湍流的结合,在所有情况下,应考虑平均气流相对水平面成 8角时的影响。假定此倾斜角不随高度改变而变化。2.2.3.4 正常风况(1)风速分布 场地的风速分布对风力发电机组的设计至关重要。对于正常设计状态,其决定各载荷情况出现的频率。应采用 10min 时间周期内的平均风速,来得到轮毂高度处平均风速 Vhub的瑞利分布 PR(Vhub),并由下式给出:P R(Vhub)1 exp(Vhub2Vave)2 式中:Vave0.2 Vref,对标准等级的风力发电机组。(2)正常风廓线模型(NWP)风廓线 V(z)可表示成平均风速随离地高度 z 的变化函数,对标准等级的风力发电机组,正常
19、风廓线由下列幂定律公式给出:V(z)V hub(zz hub)a 式中:zhub轮毂高度,幂指数假定为 0.2。风廓线用于确定穿过风轮扫掠面的平均垂直风切变。(3)正常湍流模型(NTM)风湍流是指 10min 内平均风速的随机变化。风湍流模型应包括风速变化,风向变化和旋转采样的影响。湍流风速的三个矢量分量分别定义如下:纵向分量:沿着平均风速方向;横向分量:在水平面内,垂直于纵向分量:竖向分量:垂直于纵向分量和横向分量。对于正常湍流模型,湍流标准偏差特性值1,在给定轮毂高度的风速应按概率分布为 90%分位点值给出。对标准等级的风力发电机组,随机风湍流模型速度场应满足下列要求:a)纵向风速分量的标
20、准偏差特性值1由下式给出:1I 15(0.75Vhub+b)式中:b=5.6 m/s;I15由表 2.2.2.1 给出。假定标准偏差不随离地面高度变化。平均风速方向的垂直分量应具有以下最小标准偏差:横向分量:20.71 竖向分量:30.51 b)在惯性子区间,三个正交分量的功率谱密度 S1(f),S2(f)和 S3(f),作为频率 f 的函数应逼近下列渐近线形式:S1(f)0.05(1)2(1/Vhub)-2/3 f-5/3 S2(f)=S3(f)=4/3 S1(f)在轮毂高度,纵向湍流尺度参数1由下式确定:如希望其它分为点的风速用于附加的可选载荷计算,对于标准等级的风力发电机组可采用对数正态
21、分布和下列公式近似:()()()1210.75;3.8/1.4/hubrefhubhubrefEVIVccmsVarVIms=+=实际值可取决于湍流模型的选择和 2.2.3.4(3)b)中的要求。6 10.7604260hubhubhubzzmmzm=当当 c)应使用公认的模型,且模型的相关性定义为互谱的大小除以与纵向垂直的平面内空间离散点的纵向速度分量的自谱。建议使用满足上述要求的湍流模型:曼恩均匀剪切模型,见本规范附录 4。在附录 4 中,也给出了另一个满足上述要求的经常使用的模型。其它模型应慎重使用,因为模型的选择会对载荷产生重大影响。2.2.3.5 极端风况 极端风况用于确定风力发电机
22、组的极端风载荷。极端风况包括由暴风造成的风速峰值、风向和风速的迅速变化。(1)极端风速模型(EWM)EWM 可以是稳态风速模型或湍流风速模型。这个风模型基于参考风速 Vref和一个确定的湍流标准偏差1。对于稳态极端风速模型,50 年一遇(N=50)和 1 年一遇(N=1)极端风速(3s 的平均值)Ve50和 Vel应作为高度 z 的函数用下式计算:Ve50(z)1.4Vref(zzhub)0.11 Vel(z)0.8 Ve50(z)式中:zhub 轮毂高,假定与平均风向短期偏离为15。参考风速 Vref按表 2.2.2.1 选取。对于湍流极端风速模型,50 年一遇(N=50)和 1 年一遇(N
23、=1)的风速 10min 的平均值作为高度 z 的函数用下式给出:Ve50(z)Vref(zzhub)0.11 Vel(z)0.8 Ve50(z)纵向湍流标准偏差1至少等于 0.11 Vhub。(2)极端运行阵风(EOG)对标准等级的风力发电机组,轮毂高度处的阵风幅值Vgust由下列关系式给出:()1111.35;3.31 0.1gustehubVMinVVD=+式中:1 标准偏差,按本节 2.2.3.4(3)a)中的公式计算;1 湍流尺度参数,按本节 2.2.3.4(3)b)中的公式选取;D 风轮直径;风速由下列方程式确定:()()()()()0.37sin 3/1 cos 2/0.()0g
24、ustV zVt Tt TtTV ztV zttT=或 式中:V(z)按本节 2.2.3.4(2)中的公式计算;T10.5 s。(3)极端风向变化(EDC)湍流极端风速模型的湍流标准偏差与正常湍流模型(NTM)或极端湍流模型(ETM)均无关。稳态极端风速模型与湍流极端风速模型大约有 3.5 的峰值因子关系。阵风幅值被运行事件如起动和停止的概率校准来给出 50 年的重现周期。7 极端风向变化幅值eN按下列关系式计算:11()4arctan1 0.1eNhubtDV=+式中:1 标准偏差,按本节 2.2.3.4(3)a)中的计算;eN 限定在180范围内;1 湍流尺度参数,按本节 2.2.3.4(
25、3)b)中的公式选取;D 风轮直径;极端风向瞬间变化N(t),由下式给出:()()00()0.51 cos/0NeNeNttt TtTtT 其中:T6s 为极端风向瞬时变化的持续时间。通过选择N(t)的取值情况来确定产生最严重瞬时加载。在风向瞬时变化结束时,假定风向保持不变,并按本节 2.2.3.4(2)中的公式确定风速。(4)极端湍流模型(ETM)极端湍流模型应使用本节 2.2.3.4(2)的正常风廓线模型。湍流纵向分量标准偏差按下式计算:1c I ref 0.072(Vave/c+3)(Vhub/c-4)+10 式中:c=2 m/s (5)方向变化的极端持续阵风(ECD)方向变化的极端持续
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