海上浮式垂直轴风力发电机的可靠性分析与风险评估

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在海洋环境中,恶劣的环境使得浮式风力机在安装、运营和维护方面都面临不小的挑战,目前海上风机对可靠性的研究更多集中于浅海区的桩式水平轴风力发电机,目前深海区的浮式垂直轴风力发电机的发展迅速,对其可靠性的要求也越来越高,因此本文针对浮式垂直轴风力机可靠性问题进行研究,并对整机进行风险评价。本文以浮式基础以及搭载的垂直轴风力发电机为对象对其进行可靠性研究和风险分析。在浮式基础部分可靠性分析,采用两种波浪谱对浮式基础应力集中点可靠性进行分析,并对系泊系统可靠性指标进行计算。根据谱分析原理,使用ANSYS软件对浮式基础模型进行分析,得到各应力集中节点应力功率谱密度,再结合Miner理论对疲劳可靠性进行求解。选取了三种不同的工况,使用Monte Carlo模拟对系泊系统的可靠性指标进行计算。分析结果表明,大直径圆柱波浪力谱对于浮式基础可靠性分析则更激进,在两种波浪载荷分别加载下的浮式基础工作20年后都仍具有很高的可靠性。在风力发电机(以下简称风力机)部分可靠性分析,针对海上风力机可靠性问题,首先采用流固耦合分析方法对风力机进行有限元分析,得出风力机等效载荷分布情况,然后结合强度—应力干涉模型与强度退化过程进行动态可靠性分析。通过通用生成函数法求解得到在设定的海上环境中风力机工作15年后的可靠度比原来下降15%,并通过模态分析得到风力机不会发生共振的结论。以风险优先级为指标,结合了故障模式分析(FMECA)、危害识别(HAZID)和贝叶斯网络(BBN)对浮式风力机整机以及各子系统进行可靠性预测与风险评价,将这三种方法结合,形成一套新的可靠性评价体系,FMECA能弥补HAZID不能支持细节的缺点,HAZID则可以填补FEMCA在安全研究方面的短板,BBN分析则可以从财务角度评估组件成本。分析表明,海上浮式风力机的控制系统最容易出现故障,并且故障对运营经济性的影响最大;塔柱是出现故障后危害最大的部件。在最后对浮式风力机的运营维护成本进行了计算。这对制定最佳维护策略、预防和降低风险、减轻危害具有一定的参考作用。
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