2020年10月14日-16日，2020北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)（CWP 2020）在北京新國(guó)展隆重召開(kāi)。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會(huì)之一，這場(chǎng)由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國(guó)內(nèi)外參會(huì)代表共同參與的風(fēng)能盛會(huì)，再次登陸北京，本屆大會(huì)以“引領(lǐng)綠色復(fù)蘇，構(gòu)筑更好未來(lái)”為主題，聚焦中國(guó)能源革命的未來(lái)。能見(jiàn)App全程直播本次大會(huì)。
在14日下午召開(kāi)的風(fēng)資源精細(xì)化評(píng)估分論壇上，遠(yuǎn)景能源有限公司產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理張?zhí)鸢l(fā)表《風(fēng)資源評(píng)估進(jìn)階-DES載荷評(píng)估》主題演講。
以下為發(fā)言實(shí)錄：張?zhí)穑捍蠹液茫沂沁h(yuǎn)景能源產(chǎn)品市場(chǎng)部的張?zhí)稹＝裉熘饕蠹曳窒硪幌逻h(yuǎn)景在風(fēng)資源評(píng)估，CFD仿真方面做的一些新的嘗試。在實(shí)際的案例講解之前，我先和大家一起梳理一下目前CFD的四種技術(shù)，按照其技術(shù)難度，精細(xì)化程度及應(yīng)用場(chǎng)景主要分為RANS、DES、LES和DNS。我們目前所使用評(píng)估風(fēng)資源的軟件，像遠(yuǎn)景的格林威治平臺(tái)，WT，windsim這些軟件都是基于RANS模型進(jìn)行風(fēng)資源計(jì)算。RANS仿真是一個(gè)穩(wěn)態(tài)的計(jì)算，僅能給出一個(gè)平均值。用RANS模型我們能得到是風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的平均風(fēng)速分布，隨著時(shí)間的變化的風(fēng)速信息，我們靠RANS模型是沒(méi)法掌握的，所以遠(yuǎn)景我們從DES技術(shù)的角度切入，DES有一個(gè)特點(diǎn)，它可以計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)速隨時(shí)間變化的信息，我們收集到這些信息的話，就可以做一個(gè)復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)的精細(xì)化的仿真，得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。當(dāng)我們對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)況分析更加的精細(xì)化，我們就可以針對(duì)風(fēng)機(jī)部件失效原因分析更加的清楚。這些計(jì)算的話，隨著它的技術(shù)的復(fù)雜程度，精確度，結(jié)果會(huì)更精細(xì)，但是計(jì)算量是更大的，工程應(yīng)用難度也是增加的，所以大家看到金字塔頂上，DNS，LES，目前主要應(yīng)用于科學(xué)研究，沒(méi)法展開(kāi)大規(guī)模工程應(yīng)用。
這里是一個(gè)DES和RANS的應(yīng)用場(chǎng)景的對(duì)比，我們遠(yuǎn)景在RANS模型上耗費(fèi)了很多工夫在做這個(gè)RANS模型。 我們累計(jì)獲取了很多在運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)SCADA的理論發(fā)電量來(lái)和我們的RANS模型進(jìn)行訓(xùn)練，做對(duì)比。最后的結(jié)果的話，大家可以看到，我們使用格林威治計(jì)算出來(lái)的發(fā)電量結(jié)果和理論發(fā)電量的結(jié)果差異比例是1.87%，而通常的商用軟件它的差異比例是2.41%，可以說(shuō)在RANS模型上，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)到很成熟的程度。然后為什么我們要進(jìn)入到DES，我們想使用DES去獲取它風(fēng)機(jī)在復(fù)雜地形下的表現(xiàn)，到底這個(gè)風(fēng)吹到我的葉輪表面它是怎樣的變化，然后我們能不能拿到這些變化去分析我們風(fēng)機(jī)載荷，我們?yōu)槭裁词В驗(yàn)槭裁吹匦问А?/div>
這里講的呢，是DES模型的一個(gè)主要特點(diǎn)，它這個(gè)模型可以模擬來(lái)流風(fēng)的風(fēng)況，捕捉它秒級(jí)的變化。實(shí)際上來(lái)流風(fēng)不斷的在發(fā)生變化，這些變化并不是像我們RANS反映的那么均勻的。我們DES模型這里設(shè)定的仿真模擬的時(shí)間是3600秒。我們根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)和大量的實(shí)例驗(yàn)證，3600秒的這個(gè)時(shí)間足夠我們把風(fēng)機(jī)周圍的地形信息給獲取完全。通過(guò)捕捉到流場(chǎng)內(nèi)精細(xì)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，我們知道風(fēng)是怎樣分布的，看到PPT的下半部分，如果按照我們之前風(fēng)機(jī)的排布策略，我們一般會(huì)傾向于把風(fēng)機(jī)放到前排的部分，這兩個(gè)風(fēng)機(jī)。因?yàn)槟抢锏娘L(fēng)速大概在14米每秒左右，一號(hào)風(fēng)機(jī)放在最前面。這里我們看呢，一號(hào)風(fēng)機(jī)放到最前面一點(diǎn)問(wèn)題都沒(méi)有，可以獲得很高的發(fā)電量。但是第二號(hào)風(fēng)機(jī)，排除尾流影響，把間距拉大，我們可以看到2號(hào)風(fēng)機(jī)葉輪的上半部分它的這個(gè)風(fēng)速是很高的，同樣是在14米每秒左右，到了下半部分葉輪表面受到風(fēng)況風(fēng)速大約是四五米每秒左右，這樣的情況會(huì)造成上半葉輪和下半葉輪區(qū)域的載荷不平衡，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)產(chǎn)生波動(dòng)，部件容易失效。類似這樣的回流區(qū)，會(huì)導(dǎo)致，雖然我這個(gè)地方風(fēng)速很好，因?yàn)檫@個(gè)波動(dòng)，我的大部件，失效的概率會(huì)大大增加。需要運(yùn)維人員不斷停機(jī)不斷修理它，其實(shí)實(shí)際上如果我們把風(fēng)機(jī)插到中排，后排，回流間歇性的恢復(fù)，風(fēng)機(jī)在這里接收到的來(lái)留風(fēng)風(fēng)速是很均勻的，當(dāng)我風(fēng)機(jī)接收到穩(wěn)定的風(fēng)速輸入，安全可靠的運(yùn)行，我們獲得收益是比較可觀的，是遠(yuǎn)優(yōu)于2號(hào)機(jī)位的。
這個(gè)是我們基于某個(gè)風(fēng)場(chǎng)2兆瓦樣機(jī)做的模型驗(yàn)證，大家可以和我一起看一下，這個(gè)風(fēng)機(jī)周邊的大概環(huán)境情況，在330度扇區(qū)方向有一個(gè)高坡，風(fēng)機(jī)機(jī)位點(diǎn)的海拔大概是2120米，高坡的海拔是2150米，這個(gè)高坡有一部分把風(fēng)機(jī)的葉輪面擋住，導(dǎo)致330度扇區(qū)的來(lái)流風(fēng)是無(wú)法全部直接到達(dá)葉輪面上的。經(jīng)過(guò)我們的計(jì)算，11號(hào)扇區(qū)，也就是300度扇區(qū)，12號(hào)，也就是330度扇區(qū)，基于這兩個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)對(duì)比，拿RANS進(jìn)行仿真，我們可以看到11號(hào)扇區(qū)的載荷模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是相近的，但是12號(hào)扇區(qū)的模擬結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，我們這里載荷比實(shí)測(cè)低50%以上。這也就證明用我們RANS模型模擬的載荷疲勞是帶有錯(cuò)誤信息的，所以我們?yōu)槭裁匆褂肈ES技術(shù)做載荷評(píng)估，因?yàn)槲覀兪褂肦ANS計(jì)算的葉輪面風(fēng)況，是只考慮垂直風(fēng)切變的情況，葉輪上到下由低到高，它水平切變是為零的。而復(fù)雜山地的風(fēng)電場(chǎng)，它的水平切變是不可能為零的，因?yàn)樗鼤?huì)受到一個(gè)地形的一個(gè)影響，水平方向的風(fēng)速會(huì)發(fā)生變化，它的湍流也是。一般來(lái)說(shuō)我們?cè)谠O(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的時(shí)候我們的風(fēng)種子和我們實(shí)際模擬的都是在平地上發(fā)生的，但是這里有個(gè)問(wèn)題是什么呢？我們的湍流是均勻分布的，這個(gè)湍流均勻分布，在海面，在平地地形的話，這個(gè)誤差是可以忽略的。不過(guò)同樣的情況，發(fā)生在復(fù)雜山地的話，我們的風(fēng)速湍流實(shí)際上是在不斷的變化的，隨著時(shí)間的變化，它的風(fēng)速和湍流在葉輪表面上是會(huì)不斷的波動(dòng)，并不均勻發(fā)生。這里概括出兩個(gè)結(jié)論，第一，在復(fù)雜地形上，我們?cè)O(shè)計(jì)使用的風(fēng)種子是不能代表實(shí)際的風(fēng)況，關(guān)于地形對(duì)風(fēng)況的影響是有遺漏的。第二，我們?nèi)~輪面越大，接收到的來(lái)流風(fēng)就越多。設(shè)計(jì)使用的風(fēng)種子，考慮的信息比較單一，它會(huì)得到載荷誤差比較大，就像之前用RANS得到的結(jié)果一樣。
這里還是對(duì)剛才展示樣機(jī)的分析，從270度方向，沒(méi)有遮擋的方向，這個(gè)葉輪面大家可以看到風(fēng)速的分布是非常均勻的，這是RANS的結(jié)果和DES做的對(duì)比。270度方向，DES和RANS的結(jié)果基本上相近的，但是如果有了遮擋之后大家就可以看到，DES能看到更多的信息，我們實(shí)際上在330度這個(gè)方向，我們?nèi)~輪受到來(lái)流風(fēng)，左下葉輪面風(fēng)速低，右下葉輪面風(fēng)速較高，受力不平衡，載荷在不停的波動(dòng)，葉輪會(huì)受到一個(gè)較大的彎矩，就會(huì)導(dǎo)致葉片、主軸承等關(guān)鍵大部件失效的概率大大增加。但是如果我們通過(guò)DES提前能預(yù)知到把風(fēng)機(jī)豎立在這里會(huì)有這些風(fēng)險(xiǎn)，換一個(gè)避免高坡遮擋的機(jī)位點(diǎn)，就可以減少這種地形因素導(dǎo)致的載荷偏差，大部件也就不會(huì)失效。
左下角線性圖是我們做的對(duì)比，黑點(diǎn)對(duì)二號(hào)風(fēng)機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，黃線是RANS得到的結(jié)果。我們可以看到，在270度扇區(qū)，由于沒(méi)有地形遮擋，RANS和DES還有實(shí)測(cè)的結(jié)果是十分相近的。但是在330度扇區(qū)，我們可以明顯看到只有DES和實(shí)測(cè)的結(jié)果時(shí)間相近，RANS已經(jīng)無(wú)法仿真出準(zhǔn)確的受載結(jié)果。
下面是一個(gè)真實(shí)的案例分析，風(fēng)場(chǎng)位于我們西南地區(qū)，這個(gè)49號(hào)風(fēng)機(jī)，我們接收到的現(xiàn)場(chǎng)反饋，49號(hào)風(fēng)機(jī)的機(jī)位震動(dòng)明顯，部件發(fā)生失效次數(shù)較多。于是我們的后臺(tái)載荷團(tuán)隊(duì)，就去研究這個(gè)案例，采集了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，后來(lái)發(fā)現(xiàn)失效風(fēng)向是60度，60度大家可以順著紅線看過(guò)去有一個(gè)高坡遮擋。同時(shí)高坡本身旁邊豎立著一臺(tái)50號(hào)風(fēng)機(jī)。所以情況就是，這兩臺(tái)風(fēng)機(jī)一個(gè)有地形的干擾，一個(gè)沒(méi)有。所以我們把這兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的數(shù)據(jù)收集回來(lái)做了一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果大家可以看到，這兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，大部件更換記錄的對(duì)比是十分明顯的，49號(hào)風(fēng)機(jī)在2019年四月份以后，每個(gè)月都會(huì)發(fā)生一次部件的更換或者運(yùn)維。50號(hào)風(fēng)機(jī)呢，由于山坡上沒(méi)有遮擋，地形很平緩，運(yùn)行狀況一直良好，沒(méi)有部件更換的記錄。上面兩幅彩圖，左邊是DES的模擬，右邊是RANS模擬，大家可以看到，50號(hào)風(fēng)機(jī)這里因?yàn)榈匦纹骄彛~輪面風(fēng)速?zèng)]有什么變化，較為均勻。49號(hào)風(fēng)機(jī)的葉輪面，它下葉輪的風(fēng)速6米每秒，輪轂到上葉尖，風(fēng)速基本上是十米每秒以上。所以就是剛剛提到的，風(fēng)機(jī)的葉輪受到了一個(gè)不平衡載荷，部件失效的概率會(huì)大大增加，影響發(fā)電效率。這頁(yè)呢講的是從集中式風(fēng)場(chǎng)對(duì)復(fù)雜地形的研究到分布式。分布式大家可能有一個(gè)疑問(wèn)，我們一般是放在城市里，或者說(shuō)郊區(qū)，它是一個(gè)平地的地形，為什么分布式風(fēng)場(chǎng)還會(huì)產(chǎn)生這樣的問(wèn)題，確實(shí)我們分布式風(fēng)機(jī)在平地，但是在平地我們風(fēng)機(jī)周圍的環(huán)境也是有一些建筑物的，這些建筑物對(duì)風(fēng)況的影響也是不容忽略的。
大家可以看到這個(gè)右下角的這幅圖，我們這里白色的是一個(gè)球形的建筑物，下面有個(gè)廠房，旁邊這個(gè)白色的球形建筑物高度大概是70米，廠房長(zhǎng)360米，寬135米，高25米，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我們認(rèn)為這兩個(gè)建筑物是一個(gè)主要的干擾因素，如果風(fēng)機(jī)插在這里的，大家可以看到每個(gè)圖在120度方向和220度方向都是有來(lái)流風(fēng)的，有這樣一個(gè)風(fēng)頻分布。而我們風(fēng)機(jī)T2和T3風(fēng)機(jī)在這兩個(gè)方向上就會(huì)收到建筑物的影響。
一個(gè)廠區(qū)里面建筑物雜多，不能全部都考慮，有一些建筑物，對(duì)風(fēng)機(jī)的影響是可以忽略不記的，我們這里主要把球形的建筑物，和廠房的影響拿出來(lái)分析。經(jīng)過(guò)DES的一個(gè)仿真計(jì)算，大家可以看到，T3風(fēng)機(jī)的220度方向，來(lái)流風(fēng)在30米高的地方，風(fēng)速變化是十分的明顯的，大家可以看到葉輪面風(fēng)速變化，黑色的是30米的風(fēng)速變化，風(fēng)速是非常的大的，隨著高度的增加，到了90米，它的風(fēng)速又慢慢恢復(fù)，雖然還是波動(dòng)，影響已經(jīng)變?nèi)酢Ｔ俚礁叩牡胤?50米，風(fēng)速趨于平緩，建筑物遮擋的影響在這個(gè)高度已經(jīng)消失。
這里是120度風(fēng)向建筑物對(duì)T2風(fēng)機(jī)的影響，左下角這個(gè)地面30度高的葉輪底部的風(fēng)速變化模擬出來(lái)，我們發(fā)現(xiàn)，建筑物對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)況影響，這兩個(gè)結(jié)論都是很類似的，葉輪表面的下半步區(qū)域受到的風(fēng)況是非常復(fù)雜的。如果我們的風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)排布方案環(huán)節(jié)，沒(méi)有應(yīng)用DES模型來(lái)排除這些風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，后期出現(xiàn)失效的概率是非常大的。為了讓我們風(fēng)機(jī)更可靠的運(yùn)行，更有效率的發(fā)電，使用DES模型來(lái)做一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的把控，提前預(yù)知風(fēng)險(xiǎn)是很有必要的。
（根據(jù)速記整理，未經(jīng)本人審核）
