IEC61400风力机的工程完整性的基本结构设计.docx
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IEC61400风力机的工程完整性的基本结构设计
IEC61400风力机的工程完整性的基本结构设计
Part1:
设计要求
1范围
IEC61400的这一部分详细说明了确保风力机的工程完整性的基本设计要求。
其目的是提供一个用于保护风机在整个计划有效期内不受任何危险的伤害的适当水平。
这个标准包括风力机所有的子系统例如控制和保护机制、内部电力系统、机械系统和支撑结构。
这个标准适用于所有类型的风力机。
对于小型风力机应也可以用IEC61400-2。
这个标准将和条款2中提到的适当的IEC和ISO标准一起使用。
2标准化参考文件
以下参考文件对于此文件的应用是必不可少的。
对于有日期的参考文件,只有被引用的版本才是有效的。
对于没有日期的参考文件,参考文件的最新版(包括任何修正)是有效的。
IEC60204-1:
1997,机械安全-机械的电气设备-Part1:
常规要求
IEC60204-11:
2000,机械安全一机械的电气设备一Part11:
电压在1000Va.c.或1500Vd.c和不超过36kV的HV设备的要求
IEC60364(所有部分),建筑的电器安装
IEC60721-2-1:
1982,环境条件分类-Part2:
自然的环境条件。
温度和湿度
IEC61000-6-1:
1997,电磁兼容性(EMC)-Part6:
常规标准-Section1:
对住宅、商业和发光工业环境的免疫
IEC61000-6-2:
1999,电磁兼容性(EMC)-Part6:
常规标准-Section2:
对工业环境的免疫15
IEC61000-6-4:
1997,电磁兼容性(EMC)-Part6:
常规标准-Section4:
工业环境的辐射标准
IEC61024-1:
1990,建筑的防雷保护-Part1:
常规原则
IEC61312-1:
1995,雷电电磁脉冲保护-Part1:
常规原则
IEC61400-21:
2001,风力发电机组-Part21:
并网型风力发电机组的电品质特性测试和评估
IEC61400-24:
2002,风力发电机组-Part24:
防雷保护
ISO76:
1987,旋转轴承-额定静态载荷
ISO281:
1990,旋转轴承-额定动态载荷和额定寿命
ISO2394:
1998,建筑可靠性的常规原则
ISO2533:
1975,大气标准
ISO4354:
1997,建筑的风力动作
ISO6336(所有部分),直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮的载荷能力计算
ISO9001:
2000,质量管理体系-要求
3条款和定义
对于文件的目的,以下条款和定义是适用的。
3.1年平均annualaverage设置有充分的尺寸和持续时间的标准数据的平均评估,对预期数量评估的评估。
平均时间间隔将是完整的年数达到平均数没有固定的影响例如季节性的。
3.2年平均风速annualaveragewindspeed
Vave依照年平均定义的平均风速。
3.3自动接通周期auto-reclosingcycle
事件通过一段时间,变化接近0.01s,在此期间断路器在电网故障断开之后自动地
重新接上使线路再次连上网络。
3.4锁定(风力机)blocking(windturbines)用于防止意外的放松导致运动的机械的钉销或其它装置(其它普通的机械刹车)例如风轮轴承或偏航装置。
3.5制动器(风力机)brake(windturbines)有能力减慢风轮转速或停止转动的装置。
注:
制动器可能依靠空动、机械或电气原理运行。
3.6特性评估characteristicvalue评估没有得到的指定概率(例如少于或等于指定的数量的超过次数概率)
3.7复杂地形complexterrain周围在地形学上有重大改变的地形和地形障碍可能引起气流扭曲
3.8控制功能(风力机)controlfunctions(windturbines)控制和保护系统的功能基于风力机情况和/或其环境的相关信息,为了能在它的操作极限内维修而调整涡轮。
3.9切入风速cut-inwindspeed
Vin
在没有湍流的稳定的风中风力机启动发电时轮毂高度最低风速。
3.10切出风速cut-outwindspeed
Vout
在没有湍流的稳定的风中风力机设计发电时轮毂高度最大风速。
3.11设计极限designlimits
在设计中使用的最大或最小的评估
3.12隐藏故障dormantfailure在正常运行的时候未发现故障的部件或系统。
3.13顺风downwind在主要风向量的方向。
3.14电网electricalpowernetwork用于传送和分配电力的特殊的装置、变电站、电线或电缆。
注:
这个网络的不同部分的边界通过适当的标准定义,例如地理情况、所有权、电压等。
3.15紧急停车(风力机)emergencyshutdown(windturbines)通过触发保护功能或手动干涉使风力机迅速的停止。
3.16环境条件environmentalconditions可能影响风力机的性能的特有的环境(风、海拔高度、温度、湿度等)。
3.17外部条件(风力机)externalconditions(windturbines)影响风力机运转的因素,包括环境条件(温度、下雪、结冰等)和电网条件。
3.18极端风速extremewindspeed最高风速评估,平均超过ts,每年超过次数为1/N(“重复周期”:
N年)。
注:
在此标准中使用了重复周期N=50年和N=1年,平均时间间隔t=3s和t=10min。
也就是说,使用较小的精确期限生存风速。
仍而,在此标准内涡轮设计对设计载荷情况使用极限风速。
3.19失效-安全fail-safe在危急的故障中预防其故障的设计特性条款。
3.20阵风gust风速暂时的改变。
注:
一个阵风可以通过其上升时间、量级和持续时间进行描叙。
3.21水平轴风力机horizontalaxiswindturbine风轮轴完全水平的风力机。
3.22轮毂(风力机)hub(windturbines)用于缚束叶片或使叶片装配到风轮轴上的固定装置。
3.23轮毂高度(风力机)hubheight(windturbines)
zhub
地面以上的风力机风轮扫掠面中心高度(见3.51,扫掠面积)。
3.24空转(风力机)idling(windturbines)风力机缓慢旋转没有发电的情况。
3.25湍流惯性负区inertialsub-range
湍流的频率间隔,漩涡-在达到各相同性之后-经历连续的分裂带来不可忽视的能量浪费。
注:
在典型的10m/s风速下,湍流惯性负区大概是0.2到1kHz。
3.26极限状态limitstate
结构和其承担的载荷的状态,远远超过结构的设计要求
3.27对数风切变律logarithmicwindshearlaw见3.62
3.28平均风速meanwindspeed一个假定的时期统计的平均暂时风速,这个假定时期可能使几秒也可能使许多年。
3.29机舱nacelle在一个水平轴风力机的顶部包括驱动装置和其它元素的机架。
3.30电网连接点(风力机)networkconnectionpoint(windturbines)用来连接到电力总线能量收集系统的单独的风力机或风电站的电缆末端连接点。
3.31电网丢失networkloss涡轮控制系统规定的在非常时期的电网丢失。
3.32正常关机(风力机)normalshutdown(windturbines)所有的进程都在控制系统的控制之下的关机。
3.33运行极限operatinglimits风力机设计者设定控制和保护系统激活的条件。
3.34风力机待机parkedwindturbine依靠风力机的设计,风力机在涡轮停止或空转的条件下待机。
3.35电力收集系统(风力机)powercollectionsystem(windturbines)从一个或多个风力机收集电能的电力系统。
它包括所有风力机末端和电网连接点的电力设备连接。
3.36风切变幂律powerlawforwindshear见3.62
3.37电力输出poweroutput一个以特殊形式和特殊目的交付电力的装置。
3.38保护功能(风力机)protectionfunctions(windturbine)控制和保护系统确保风力机保持的设计极限内的功能。
3.39额定功率ratedpower电力分配的量,一般通过制造商,一个部件、装置或设备的特殊运行条件。
注(风力机):
风力机设计达到正常运行和外部条件的最大的持续电能输出。
3.40额定风速ratedwindspeed
Vr轮毂高度最小风速,在风力机达到额定功率的情况下没有尾流的稳定风速。
3.41瑞利分布Rayleighdistribution
PR可能的分布函数,见3.63。
3.42参考风速referencewindspeed
Vref
用于定义风力机分类的风速基本参数。
其它设计相关的气候参数来源于相关风速和其它基本风力机分类参数(见条款6)。
注:
一个风力机的涡轮设计使用的参考风速Vref,设计抵挡涡轮轮毂高度50年一遇的极端10min平均风速气候小于或等于Vref。
3.43旋转采样风矢量rotationallysampledwindvelocity旋转的风力机风轮的一个固定点的经验风矢量。
注:
一个转动的采样风矢量的湍流频谱和常规的湍流频谱是明显不同的。
在转动时,叶片切过风流暂时改变。
因此,湍流频谱包括在旋转和和声学频率上的大量的变化。
3.44转速(风力机)rotorspeed(windturbines)风力机风轮围绕其轴转动的速度。
3.45粗糙长度roughnesslength
z0如果垂直风廓线与高度被假定有一个对数变化,推断的平均风速变成0的高度。
3.46预期维护scheduledmaintenance按照一个确定的时间表执行的预防性的维护。
3.47场地数据sitedata风力机场地的环境、地震、土壤和电网数据。
除非有另外的规定,风力数据通过统计10min样本获得。
3.48停止standstill
风力机停止的情况。
3.49支撑结构(风力机)supportstructure(windturbines)
风力机的塔架和基础部分。
3.50安全风速survivalwindspeed
建筑设计能抵抗的最大风速的通俗名称。
注:
在此标准内,没有使用表达式。
设计条件代替相关的极端风速(见3.18)。
3.51扫掠面积sweptarea
风轮完成一个完整的旋转周期的垂直风向的设计面积。
3.52湍流强度turbuleneeintensity
I
风速标准偏差与平均风速的比率,决定于相同设定的风速标准数据样本,和接收一个特殊的时期。
3.53湍流比例参数turbuleneescaleparameter
非空间的波长,纵向能量光谱密度等于0.05。
“2
注:
波长定义如A=Vhub/f0,在此f0S1f0/”-■;0.05
3.54湍流标准偏差turbuleneestandarddeviation
轮毂高度狂风矢量纵向成分的标准偏差。
3.55最终极限状态ultimatelimitstate通常符合最大载荷运输容量的极限状态。
[ISO2394,修正版]
3.56不定期的维护unscheduledmaintenance
没有依照制定的时间表,在接到关于正式的条款指示后执行维护
3.57逆风upwind
与主风向量方向相反的风。
3.58垂直轴风力机verticalaxiswindturbine
风轮轴是垂直的风力机。
3.59威布尔分布Weibulldistribution
PW
可能的分布函数,见3.63
3.60风场windfarm
见3.61
3.61风电站windpowerstation风电机组,通常称为风场。
3.62风廓线一风切变律windprofile-windshearlaw假定的风速变化与地面高度之间的数学表达式。
注:
通常使用的廓线是对数廓线(等式1)或幂廓线(等式2)
(1)
…iin(z/z0)
在此
VZ
高度z的风速;
Z
地面以上的高度;
Zr
使用合适廓线的参考高度;
Zo
粗糙长度;
a
分切面(或幂)指数。
3.63风速分布windspeeddistribution
可能的分布函数,使用描述风速超过范围的时期的分布
注:
经常使用的分布函数是瑞利分布,Prv0,和威布尔分布,PWV0,函数。
PrVo=1-eXpL二V°/2Vare"
PwVo=1-expLVo/CT
(4)
CF丨+丄I
WithVare= CVT/2,ifk=2 J, 在此 PV0累积概率函数,例如V: : : V0的概率; V0风速(极限); VareV的平均估计值; C威布尔函数的比例参数; k威布尔函数的形式参数; gamma函数。 C和k能从真实数据中估计。 当k=2且C和Vave满足(公式4)的规定条件时瑞利函数和威布尔函数一样。 分布函数表示风速低于V0时累积的概率。 因此PVi-PV2,如果评估V1和V2之间的详细界限,将显示关于在这个极限内时间公式。 依照相应的概率密度函数区分分布函数。 3.64风切变windshear 垂直于风的方向的交叉平面的风速变化。 3.65风切变指数windshearexponent a 通常被称作幕指数,见3.62。 3.66风速windspeed V 在空间中一个特殊点周围的空气在一分钟内运动的速度。 注: 它也是当地风矢量(向量)的大小。 (见3.69) 3.67风力发电机组(风力机)windturbinegeneratorsystem(windturbine) 把风的动能转变成电能的系统。 3.68风力机场地windturbinesite 单独的或在一个风场内的单个风力机的位置。 3.69风矢量windvelocity 矢量指向特定点周围空气一分钟运动的方向,(例如当地风速)。 矢量的大小等于这些空气运动的速度 注: 通过任何一点的矢量是这些空气通过这一点时的位置向量。 3.70风力机电力系统windturbineelectricalsystem 风力机内部的所有的电气设备,包括风力机的终端,包括接地、焊接和通信设备。 也包括控制当地风力机,有意于提供风力机特定的地面终止网络。 3.71风力机终端windturbineterminals 有风力机供应者定义的点,由此风力机可以连接到电力收集系统。 它包括用于转移能量和通信的连接。 3.72偏航yawing 围绕垂直轴旋转风轮轴(只用于水平轴风力机) 3.73偏航错位yawmisalignment风力机风轮轴水平偏离风向。 4符号和缩写 4.1符号和单位 C威布尔分布函数的比例参数 CcT湍流结构修正参数 [m/s] Ct插入系数 Coh一致函数 D风轮直径 f频率 fd原料强度设计评估 原料强度特性评估 Fd载荷设计评估 Fk载荷特性评估 [m] [s「] [-] [-] [-] [-] Iref在10min内平均风速15m/s时轮毂高度湍流强度预期评估[-] Ieff有效湍流强度[-] k威布尔分布函数形式参数[-] K修正的贝赛尔函数[-] L等方性湍流积分比例参数[m] Le一致比例参数[m] Lk向量成分积分比例参数[m] mW? hler曲线指数[-] ni载荷bini疲劳周期计数[-] N.论据(例如S-N特性曲线)显示的压力(或疲劳)功能故障循环数[-] N极端情况的重复周期[年] p生存概率[-] PrV。 瑞利概率分布,例如V: : Vo的概率[-] PwVo威布尔概率分布[-] r离散发射向量数量[m] S关于在bini内的循环计数的压力(或疲劳)水平[-] Sf纵向风向量成分的日照能量密度函数[m2/s] Sk单边矢量成分频谱[m2/s] T阵风特性时间[s] t时间[s] V风速[m/s] Vzz高度的风速[m/s] Vave轮毂高度年平均风速[m/s] Veg越过整个风轮扫掠面的极端连续阵风大小[m/s] VeN预计极端风速(平均超过3秒),重复时间间隔N年。 Vei和Ve5o分别代表1年和50年。 [m/s] Vgust50年一遇的最大阵风大小[m/s] Vhub轮毂高度风速[m/s] Vin切入风速[m/s] V。 风速分类模型的极限风速[m/s] Vout切出风速[m/s] Vr额定风速[m/s] Vref参考风速[m/s] [m] [m] [m] [m] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [deg] [deg] Vz,t描述极端阵风和切变条件暂时变化的纵向风向量成分[m/s] x,y,z用于风场描述的坐标系; 分别代表顺风(纵向),交叉风(横向)和高度 Zhub风力机轮毂高度 Zr地面以上的参考高度 zg对数风廓线的粗糙长度 a风切变幕指数 0极端方向改变模型参数 6变化系数 rgamma函数 f载荷局部安全因素 m原料局部安全因素 n故障推理局部安全因素 二t风向暂时改变 在阵风情况下最大偏离平均风速方向的角度 湍流比例参数定义为无空间的波长,纵向太阳能量密度, [-] 括号内为变化参数 4.2缩写 A 反常的(用于部分安全因素) a.c. 交流电 d.c. 直流电 DLC 设计载何情况 ECD 方向改变的极端连续阵风 EDC 方向改变的极端大风 EOG 极端运行阵风 ETM 极端湍流模型 EWM 极端风速模型 EWS 极端风切变 F 疲劳 N 正常和极端(用于部分安全因素) NWP 正常风廓线模型 NTM 正常湍流模型 S 特殊的IEC风力机类型 T 运输和吊装(用于部分安全因素) U 最终 5主要元素 5.1概述 以下条款给出了确保风力机建筑、机械、电力和控制系统安全的工程和技术要求。 这个要求说明书应用于设计、制造、安装和运行和维护一个风力机的指南以及相关质量管理程序。 另外也考虑到基于使用在风力机安装、运行和维护等各种实践中的安全程序。 5.2设计模型 这个标准要求使用一个结构动力学模型来预测设计载荷。 这个模型将使用定义在条款6中的湍流条件和其他风力条件和定义在条款7中的设计情形来决定不同风速下的载荷。 所有外部条件和设计情形的混合都将被分析。 在这个标准中这些混合的最小的设置会被定义为载荷情况。 风力机的全部等级的测试数据会增加预测设计评估和检验结构动力学模型和设计情形的信心。 适当的设计查证将会被计算和/测试。 如果试验结果被使用在这个查证中,试验期间的外部条件将被出示用来反映定义在这个标准中的特性评估和设计情形。 选择试验条件,包括试验载荷,将考虑到相关安全因素。 5.3安全分类 一个风力机将依照以下两个安全分类之一来设计: 普通的安全分类应用于在人身伤害或其它社会或经济因素的保险失败的时候。 特殊的安全分类应用于当安全设备决定于当地规章和/或安全设备由制造商和客户协商同意的时候。 普通安全分类风力机的部分安全因素在此标准的7.6中详细说明了 特殊安全分类风力机的部分安全因素将由制造商和客户协商同意。 一个依照特殊安全分类设计的风力机是S类风力机,定义在6.2中。 5.4质量保障 质量保障是在风力机和所有其它部件的设计、采购、制造、安装、运行和维护中的一个完整的部分。 推荐质量体系遵守ISO9001的要求。 5.5风力机标记 以下信息,作为最少的,将被显著的和明了的标示在永久的涡轮铭牌上: 风力机的制造商和国家; 模型和系列编号; 生产年份; 额定功率; 参考风速,Vref; 轮毂高度运行风速范围,Vin-Vout; 运行环境温度范围; IEC风力机分类(见表1); 风力机终端的额定电压; 风力机终端的频率或在名义上的变化大于2%时的频率范围。 6外部条件 6.1概述 此条款中描述的外部条件将被考虑到风力机设计中 风力机受环境和电力条件的影响可能会影响到它们的载荷,耐久和运行。 确定适当的安全和可靠性水平、环境、电力和土壤参数将被考虑到设计中和被明确的规定的设计文件中。 环境条件可以更进一步分为风力条件和其它环境条件。 电力条件涉及电网条件。 土壤特性于风力机基础设计有关。 外部条件可以被再分为普通条件和极端条件。 普通的外部条件通常关系到循环结构载荷条件,极端外部条件表现为罕见的极端设计条件。 设计载荷情况由风力机的运行模式和其它设计情形的外部条件的潜在危机混合组成。 风力条件时影响结构完整性的首要外部条件。 其它环境条件也会影响设计特征例如控制系统功能、耐久、腐蚀等。 普通的和极端的条件,被考虑到设计中按照风力机分类,被规定在以下次要条款中。 6.2风力机分类 极端条件被考虑到设计中依靠风力机安装的预定场地或场地型式。 风力机的分类定 义于风速和湍流参数。 分类的目的是包括大部分的应用。 风速和湍流参数的评估规定为描述许多不同的地点不能给出一个对于任何精确地点精确的描述,见11.3。 风力机的 分类提供了一个明确的风速和湍流参数的范围。 表1详细说明了定义风力机分类的基本参数。 更进一步的风力机分类,S类,定义于设计者和/或客户要求的特殊的风力或其它外部条件或特殊安全分类,见5.3。 S类风力机的设计评估由设计者选择并详细记载在设 计文件中。 对于这些特殊的设计,被设计条件选择的设计平估将反映严酷的环境至少预期使用风力机。 I,II和III类的详细外部条件即不包括海面条件也不包括热带风暴例如飓风、龙卷风和台风的风力条件。 这些条件可能被要求在S类的风力机设计中。 表1-风力机分类1的基本参数 风力机分类 I II III S Vref (m/s) 50 42.5 37.5 A Iref(-) 0.16 评估由设计者详细说明 B Iref(-) 0.14 C Iref(-) 0
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- IEC61400 风力机 工程 完整性 基本 结构设计
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