海上风电机组吊装液压缓冲器仿真研究

1 引言

海上风力发电机（以下简称风机）在安装过程中由于受到风和波浪的影响，风机塔架在从上向下接近安装平台的过程中，与安装平台间会产生剧烈的冲击和碰撞，从而损坏风机相关设备，如图1、图2所示。为了避免这种情况的发生，需要在风机塔架下端安装合适的抗冲击缓冲器来减缓风机安装碰撞过程中的冲击，从而保证安装过程中风机各个零部件不因过大的冲击而损坏。目前海上风机安装技术主要掌握在欧美国家手里，国内有同济大学、上海交通大学和大连理工大学正在研究。

图1 风电机组吊装示意图 图2 对位缓冲装置

液压缓冲器是一种利用气体的可压缩性作用，转化机械能为压力能和热能，用来延长冲击负荷的作用时间，吸收并转化冲击负荷的能量的装置。其特点是：抗力均衡、缓冲能量大、便于安装。在压缩量和最大作用力都相同时，液压缓冲器比弹簧缓冲器几乎能多吸收1倍的能量。故本文以液压缓冲为基础设计该抗冲击缓冲器。传统的设计方法是结合运动学、动力学与流体力学进行理论设计。这样一个设计过程周期较长，操作繁琐，对产品性能要求的多样化非常不利。考虑以上因素，本文采用matlab针对液压缓冲器进行优化仿真，对主要影响参数进行分析研究，加快其设计进程，提高设计的成功率。

2 缓冲的结构设计

本设计方案是通过外部的蓄能器来进行缓冲，其基本构成如图3所示。缓冲器工作前，蓄能器内部设定好初始压力，随着缸筒的下降，油液从缓冲缸流入蓄能器，蓄能器中气体的压力增大，体积减小，蓄能器提供的能量就越来越大，由此来产生足够的油压使风机的运动减速。设计重点是保证整个缓冲过程加速度达到0.25g以下，最终满足安装要求。

图3 缓冲器原理图

3 缓冲器系统模型的建立

3.1缓冲器气体状态方程的选取

采用内装氮气的蓄能器作为风电机组电装的缓冲器，能大大的缓解风机吊装过程的振动和冲击，提高风电机组吊装的安全性。在缓冲过程中，蓄能器中的气体处于不断压缩和膨胀的交替变化过程中，状态复杂。目前国内大多数研究都把气体作为理想气体，用理想气体的状态方程来描述气体的状态变化过程，在低压常温时，实际气体的性能同理想气体比较接近，压强和温度变化不大的情况下，采用理想气体状态方程建模，还是能够满足仿真精度。但当气体的温度很低或压力很高时，实际气体的性能同理想气体就会存在很大的偏离。当气体压力高于20MPa时，需要对实际气体容积采用修正系数。因此在压力很高或温度很低时，应该用实际气体的状态方程来描述气体状态的变化。

目前常用的实际气体状态方程为BWR方程，该方程能比较准确地描述实际气体状态变化过程，而且考虑了气体温度变化产生的影响，其形式为：

[P=RTv+（B0RT-A0-C0T2）1v2+（bRT-a）1v3+aαv6+c（1+rv2）exp（-rv2）v3T2] （2.1）

其中，[A0]、[B0]、[C0]、[a]、[b]、[c]、[α]和[r]是经验常数，对于氮气，BWR方程中的八个常数可以确定；

[R]—实际气体常数，对于氮气[R=296.8]J/kg[⋅]K；

[T]—实际气体绝对温度，K；

[P]—实际气体压强，Pa；

[v]—蓄能器中气体比容，m3/kg，其定义如下：

[v=Vmg] （2.2）

其中，[mg]—蓄能器中气体质量，kg；

[mg=uP0V0R1T] （2.3）

[u]是氮气的摩尔质量；

[P0]是蓄能器的预充气体体积；

[R1]是常数，在这里取8.31441；

[V]—实际气体体积，m3。

蓄能器中实际气体体积[V]为：

[V=V0-ΔV] （2.4）

其中，[V0]—蓄能器中初始充气体积，m3；

[ΔV]—蓄能器中气体体积变化量，m3。

3.2 缓冲器数学模型的建立

对图3的模型进行受力分析，缓冲缸输出力方程为：

[F=Ma=Mg-P1A1-Ff-F绳索] （2.5）

其中，[P1]—缓冲液压缸无杆腔油液压力，Pa；

[A1]—缓冲液压缸活塞面积，m2；

[M]—风机的质量，Kg；

[Ff]—缓冲缸密封圈摩擦力，N；

[F绳索]—钢丝绳的拉力，N；

[a]—风机加速度，m2/s。

根据流体力学，无杆腔油液压力P1主要受蓄能器中气体压强PA、管路局部压力损失[Pα]和沿程压力损失影响[Pβ]。即：

[P1=PA+Pα-Pβ] （2.6）

取蓄能器中的气体为研究对象，蓄能器中的气体压强[PA]为：

[P=RTAvA+（B0RTA-A0-C0TA2）1vA2+（bRTA-a）1vA3+aαvA6+c（1+rvA2）exp（-rvA2）vA3TA2] （2.7）

[Pα=ρ（Q1Ac）2ζ10.5-0.5sign（x）-ζ20.5+0.5sign（x）] （2.8）

[Pβ=λc1lc1dcρv2c12sign（x）] （2.9）

其中，[ρ]—液压油密度，取870kg/m3；

[Q1]—单位时间内I腔进入蓄能器油液的流量，可表示如下：

[Q1=-A⋅x] （2.10）

[Ac]—油管截面积，m2；

[ζ1]、[ζ2]—油管与蓄能器出口油液压力损失系数，当油液由软管向蓄能器内流动时，取[ζ1]=1；当油液从蓄能器向油管流动时，取[ζ2]=2；

[dc]—油管直径，m；

[lc1]—油管长度，m；

由于蓄能器缓冲缸的制造精度和误差，密封圈摩擦力对于缓冲过程有一定的阻尼作用，据文献[8]中缓冲缸的密封圈摩擦阻力的算法，可知：

[Ff=uπΔPf（DbDdD+bddd）] （2.11）

其中，[u]—密封圈摩擦系数，按不同润滑条件，可取0.1；

[ΔPf]—液压缸两侧压力差，[ΔPf=P1-P0]；

至此，可推导出风机加速度a：

[a=FM=g-（PA+Pα-Pβ）A1M-uπΔPf（DbDdD+dbddd）M-F绳M] （2.12）

4 缓冲器仿真分析

4.1仿真模型的建立

通过编写matlab程序，对采用BWR方程得到的加速度方程进行仿真，程序仿真优化过程如下：

⑴设定P0和V0的合理工作范围；

⑵在设定的工作范围内遍历所有P0和V0的数值组合，得到相应的加速度方程的曲线；

⑶把得到的每组曲线的最大值作为比较条件，以使得风机运动加速度方程最小作为目标函数，进行优化分析；

⑷最终得到最优的组合。

仿真优化程序框图如图4所示：

图4 BWR方程优化方框图

4.2仿真参数的选择

（1）浪载荷影响分析

东海大桥风电场位于近海，海浪波周期约为6s。一般安装工况海浪的最大允许起伏为±300mm。所以可将海浪波动模型简化为正弦模型，海浪对安装船的作用比较复杂，这里将海浪运动简化为：

[x=Asin（2πTt+φ）+vt] （3.1）

其中，[A]—位移激励的幅度，m；

[T]—激励周期，s；

[φ]—激励初相位，s；

[v]—吊勾下放速度，s；

[t]—时间，s。

（2）仿真模型参数输入

根据风机吊装的相关数据，选择蓄能器的实际参数作为仿真模型的参数输入，见表3.1。

表3.1仿真模型参数

在仿真过程中，假设油液的工作温度是常温即T=283.16 K，把蓄能器的预充气体的压力[P0]和预充体积[V0]作为优化变量，分别设置其范围是5Mpa[≤][P0][≤]25Mpa和120L[≤][V0][≤]300L。

经过优化仿真，确定在蓄能器预充气体压力是10MPa，预充气体体积是150L时，所获得的风机加速度能比较好的满足设计要求。其仿真结果如图5所示，从图中可以看出，整个仿真过程加速度始终小于0.25g，并且在46s以后加速度基本达到0，此时便可以把风机平稳的安装在安装平台。

图5 风机运动的加速度

5 结论

本文提出了风机的软着陆安装体系的缓冲系统，分析了海浪载荷对风机安装的影响。利用缓冲加速度可控性及快速跟随功能，将风机安装时的加速度控制在要求范围内，实现风机安装的软着陆。本文以一个海上风电机组吊装的实际项目为背景，设计了液压缓冲器，建立了其数学模型，并对缓冲过程的关键阶段进行了分析和仿真。通过优化分析，最终得到一组最优的数值，使初始的最大加速度控制在2.3m2/s，结果满足控制所提出的加速度≤0.25g的要求。为进一步研究缓冲器的控制算法、可靠性等奠定了基础。