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        陸上風(fēng)電機型及塔架形式模糊 綜合評估及優(yōu)選

        2018-12-20 09:26:36張林海
        水力發(fā)電 2018年9期
        關(guān)鍵詞:全鋼塔架機型

        許 偉,鄭 南,張林海

        (1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江杭州311122;2.中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司,上海200120)

        0 前 言

        針對內(nèi)陸平原風(fēng)電場低風(fēng)速、高切變的資源特征,為適應(yīng)低風(fēng)速風(fēng)電場的開發(fā)需求,風(fēng)電機組技術(shù)開始向更長葉片長度、更高輪轂高度等方向發(fā)展[1-2]。近年來,風(fēng)機輪轂高度增高至100 m以上已形成一種趨勢??紤]到風(fēng)電場項目的經(jīng)濟性并滿足運輸、安裝要求,風(fēng)機塔筒開始向柔性塔筒、混合塔筒及全混凝土塔筒等多種結(jié)構(gòu)形式發(fā)展。

        1 理論基礎(chǔ)

        1.1 層次分析法(AHP)

        層次分析法首先將所要進行的決策問題置于一個大系統(tǒng)中,這個系統(tǒng)中存在相互影響的多種因素,要將這些問題層次化,形成了一個多層的分析結(jié)構(gòu)模型[3]。之后運用數(shù)學(xué)方法與定性分析相結(jié)合,通過層層排序,最終根據(jù)各方案計算出的所占的權(quán)重,來輔助決策。

        層次分析法(AHP)確定權(quán)重的步驟如下:

        (1)構(gòu)造判斷矩陣。以A表示目標,ui、uj(i,j=1,2,…,n)表示因素。uij表示ui對uj的相對重要性數(shù)值。并由uij組成A-U判斷矩陣P。

        (2)計算重要性排序。根據(jù)判斷矩陣,求解出最大特征根λmax所對應(yīng)的特征向量w。方程如下

        Pw=λmaxw

        (1)

        所求特征向量w經(jīng)歸一化,即為各評價因素的重要性排序,也就是權(quán)重分配。

        (3)一致性檢驗。以上得出的權(quán)重分配的合理性,需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。檢驗使用公式為

        CR=CI/RI

        (2)

        式中,CR為判斷矩陣的隨機一致性比率;CI為判斷矩陣的一般一致性指標。它由下式給出

        CI=(λmax-n)/(n-1)

        (3)

        RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標,對應(yīng)于n=1,2,3,4,5,6,7,8,9階的判斷矩陣的RI值分別為0,0,0.58,0.90,1.12,1.24,1.32,1.41,1.45。

        當判斷矩陣P的CR<0.1時或λmax=n,CI=0時,認為P具有滿意的一致性,否則需調(diào)整P中的元素以使其具有滿意的一致性。

        1.2 決策相對優(yōu)屬度計算模型

        設(shè)系統(tǒng)有n個決策,每個決策有m個目標特征值評價其優(yōu)劣,則有目標特征值矩陣

        (4)

        式中,xij為決策j目標i的特征值,i=1,2,…,m,j=1,2,…,n。

        為消除m個目標特征值量綱不同的影響,需要將矩陣X規(guī)格化。即分別對越大越優(yōu)、越小越優(yōu)、中間型目標特征值采用不同的規(guī)格化公式,將矩陣X轉(zhuǎn)化為目標相對優(yōu)屬度矩陣R

        (5)

        根據(jù)相對隸屬度的定義,劣與優(yōu)分別處于參考連續(xù)統(tǒng)的兩個極點,則劣、優(yōu)決策的目標相對劣屬度與優(yōu)屬度向量分別為

        b=(0,0,…,0)T

        (6)

        g=(1,1,…,1)T

        (7)

        由矩陣R可知決策j的目標相對優(yōu)屬度向量

        rj=(r1j,r2j,…,rmj)T

        (8)

        則決策j與優(yōu)、劣決策的廣義權(quán)距離分別為

        (9)

        (10)

        (11)

        將相對隸屬度定義為權(quán)重,則決策j與優(yōu)決策之間的加權(quán)廣義權(quán)距離

        Djg=ujdjg

        (12)

        決策j與劣決策間的加權(quán)廣義權(quán)距離(簡稱距劣距離)為

        Djb=(1-uj)djb

        (13)

        為求解決策j相對優(yōu)屬度的最優(yōu)值,建立目標函數(shù)為

        (14)

        則得到?jīng)Q策相對優(yōu)屬度計算模型

        (15)

        決策相對優(yōu)屬度模型是模糊優(yōu)選方法中的一種重要模型。

        2 風(fēng)機塔架評價指標體系

        2.1 風(fēng)機塔架優(yōu)選的目的及影響因素

        風(fēng)機塔架優(yōu)選在于從眾備選塔架形式中比選出最佳塔架方案,首先必須確定評價指標體系。風(fēng)機塔架形式主要分為全鋼結(jié)構(gòu)、全混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼+混凝土組合結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合陸上風(fēng)機塔架的特點和技術(shù)要求,可概括出如下影響陸上風(fēng)機塔架方案選擇的影響因素。

        2.1.1 風(fēng)機塔架的結(jié)構(gòu)可靠性

        主要分析塔架結(jié)構(gòu)方案能否滿足結(jié)構(gòu)上的需要,包括強度、剛度、穩(wěn)定性等。

        (1) 結(jié)構(gòu)強度。全鋼塔架結(jié)構(gòu)尺寸較小,強度較全混凝土及鋼+混凝土組合結(jié)構(gòu)小,鋼筒與基礎(chǔ)通過基礎(chǔ)環(huán)或錨栓連接。全混凝土塔架分段預(yù)制,需要嚴格的施工工藝才能保證好塔筒的整體性。鋼+混凝土組合塔架混凝土段預(yù)制,分段組裝,塔筒整體性較差。

        (2) 剛度。塔架按結(jié)構(gòu)剛度從小到大排序,依次為全鋼塔架、鋼+混凝土組合塔架、全混凝土塔架。相同荷載條件下,塔架頂部位移全鋼塔架最大、鋼-混凝土塔架次之,全混凝土塔架最小。根據(jù)對現(xiàn)有機型及塔架動力特性的認識[4],全鋼塔架的塔筒一階自振頻率一般低于額定葉輪轉(zhuǎn)動頻率,工作時需跳過共振區(qū)間,損失一定的發(fā)電量,因而需要風(fēng)機廠家做好運行控制策略。而對于鋼+混凝土塔架、全混凝土塔架,其塔筒的一階自振頻率高于葉輪額定轉(zhuǎn)動頻率,因而不存在頻率穿越過程,不會引發(fā)共振問題。

        (3) 疲勞荷載。全鋼塔架結(jié)構(gòu)剛度較低,荷載作用下,結(jié)構(gòu)振幅較大,疲勞荷載較大。鋼混凝土組合塔架整體結(jié)構(gòu)剛度較大,振幅較小,疲勞荷載較鋼塔筒小,但鋼塔筒與混凝土塔筒連接處存在剛度突變,上下層間位移較大,易造成疲勞破壞。全混凝土塔架整體剛度大,振幅小,塔筒體型自上到下平滑過渡,疲勞荷載較全鋼塔和鋼混凝土塔小。

        2.1.2 風(fēng)機塔架的技術(shù)可行性

        包括所選結(jié)構(gòu)是否經(jīng)過大量工程實踐檢驗,證明其技術(shù)是成熟的;結(jié)構(gòu)是否與現(xiàn)場具體條件相適應(yīng)。

        (1)技術(shù)的成熟性。對于高塔筒而言,全鋼塔架有商業(yè)應(yīng)用,對于鋼+混凝土還是全混凝土塔架,技術(shù)都是從歐洲引進,國外也都有多年的批量應(yīng)用[5]。在引進的過程中,根據(jù)我國規(guī)范的要求增加了相關(guān)驗算,安全性符合規(guī)范要求。

        (2)與現(xiàn)場條件的適應(yīng)性。適應(yīng)性指方案實施后產(chǎn)品質(zhì)量能否得到保證,另外還需考慮到執(zhí)行后生產(chǎn)過程是否安全、是否對環(huán)境造成污染和現(xiàn)場施工條件能否順利執(zhí)行方案等。

        (3)技術(shù)的先進性。全混凝土塔架需要嚴格的施工工藝才能保證好塔筒的整體性,技術(shù)最先進。鋼混凝土組合塔架次之。全鋼塔架有商業(yè)應(yīng)用,技術(shù)成熟。

        2.1.3 風(fēng)機塔架的施工及維護難易性

        不同的風(fēng)機塔架采用的施工方法、程序、施工機械都不一樣,施工難易程度有很大差別。同時,風(fēng)機塔架不同,其日常運維巡檢的難度也大不相同。

        (1)施工技術(shù)的復(fù)雜程度。全鋼塔架筒身分段較少,鋼筒段可從工廠直接運輸至機位,國內(nèi)運輸技術(shù)成熟;全混凝土塔架分段較多,混凝土段工廠預(yù)制,工廠附近需保證高強混凝土原材料供應(yīng),需要嚴格的施工工藝才能保證好塔筒的整體性。鋼+混凝土組合塔架混凝土段需分段分片運輸,若混凝土段數(shù)量多,則混凝土預(yù)制工廠占地較大。

        (2)施工工期。全鋼塔架在吊裝過程中,渦激振動需要通過一定的措施進行規(guī)避,故吊裝限制條件較多,但施工進度快?;炷凉?jié)段剛度較大,較全鋼塔架相比不會發(fā)生渦激振動,混凝土各段、片間需通過灌漿或插筋連接,施工質(zhì)量要求高。對于高輪轂的鋼混凝土塔架和全混凝土塔架,施工工期長較長。

        (3)日常維護的難易程度。鋼塔架在自然環(huán)境下較混凝土塔筒耐腐蝕性差,塔筒段間多采用高強螺栓連接易松動,維護工作量較大。鋼+混凝土組合塔架混凝土段采用預(yù)應(yīng)力索連接,需定期檢測鋼絞線應(yīng)力情況,維護工作量較大塔筒維護工作量較鋼塔筒少,有些型號的塔架鋼與混凝土連接段存在高強螺栓,維護需定期檢查螺栓應(yīng)力情況。全混凝土塔架混凝土段采用預(yù)應(yīng)力索連接,塔筒維護基本只需定期檢測鋼絞線應(yīng)力情況。

        2.1.4 風(fēng)機塔架的經(jīng)濟合理性

        主要指采用的風(fēng)機塔架在滿足使用效果的前提下,能否降低工程造價。需注意的是,選用不同的風(fēng)機塔架方案,其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案可能不盡相同,所占用的征地面積也有差別。經(jīng)濟合理性依據(jù)國家、行業(yè)以及地方現(xiàn)行的造價編制規(guī)定、定額、費率標準等[6-7],采用當期價格水平,結(jié)合地方政府相關(guān)部門頒布的關(guān)于征租地政策及標準,以此進行工程估價。

        綜上所述,對于高塔筒而言,其塔架形式需經(jīng)過綜合評估后確定。

        2.2 陸上風(fēng)機塔架評價指標體系的建立

        綜合考慮陸上風(fēng)電機型塔架優(yōu)選的各種影響因素,本文建立了方案優(yōu)化三級綜合評價指標體系的樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),它們共同構(gòu)成陸上風(fēng)機塔架方案優(yōu)選的評價指標體系,如表1所示。

        表1 陸上風(fēng)機塔架評價指標體系

        3 工程案例

        某國有發(fā)電企(業(yè)主)在河南省北部某縣投資一座風(fēng)電場,該風(fēng)電場地形地貌為平原,下墊面以農(nóng)田及村莊為主,屬于內(nèi)陸平原風(fēng)電場。風(fēng)電場裝機容量300 MW,擬安裝150臺單機容量2.0 MW風(fēng)電機組,風(fēng)機輪轂高度為120 m??尚行匝芯侩A段對風(fēng)機機型及塔架形式進行技術(shù)經(jīng)濟比選,業(yè)主要求選擇經(jīng)濟合理、技術(shù)可靠、運行安全的方案。

        根據(jù)業(yè)主要求,筆者調(diào)研了5家國內(nèi)知名風(fēng)機廠家的資料,選取風(fēng)機輪轂高度均為120 m的7種不同風(fēng)機塔架形式。就其結(jié)構(gòu)可靠性、技術(shù)可行性、施工及維護難易性和經(jīng)濟合理性等方面開展綜合評估及優(yōu)選。

        本次收集到的5個風(fēng)機廠家均為國內(nèi)營業(yè)額排名靠前的風(fēng)機廠商,依次標識為WTG1,WTG2,WTG3,WTG4,WTG5,涉及的機型及塔架形式共有7種(輪轂高度均為120 m),對比7種機型及塔架形式的生產(chǎn)制造及認證情況:① WTG1-鋼+混凝土。塔筒為鋼-混凝土,長度為85m(鋼)+35m(混凝土),工廠預(yù)制,采用C60混凝土,目前國內(nèi)有批量投產(chǎn)工程,塔筒已在國內(nèi)認證。② WTG2-鋼+混凝土。塔筒為鋼混凝土,長度為80 m(混凝土)+40 m(鋼),工廠預(yù)制,采用C80高強混凝土。國內(nèi)首臺樣機正在施工,塔筒已在國內(nèi)認證。③ WTG2-全混凝土。塔筒為全混,共分為30段,采用C80高強混凝土,工廠預(yù)制。塔筒安裝同一廠家不同機型的國內(nèi)首個批量生產(chǎn)的風(fēng)電場正在建設(shè)。塔筒安裝其他機型已獲得國外認證,安裝本機型未認證。④ WTG3-鋼塔。筒身分為6段,目前國內(nèi)尚未建造。國內(nèi)首臺樣機正在計劃中。塔筒正在進行設(shè)計認證,尚未獲得認證證書。⑤ WTG3-鋼+混凝土。塔筒為鋼混,長度為15 m(鋼)+105 m(混),采用C55混凝土,工廠預(yù)制。國內(nèi)首臺樣機正在施工。塔筒安裝其他機型已在國外認證,安裝本機型未認證。⑥ WTG4全混凝土。塔筒為全混,共分為30段,工廠預(yù)制,采用C80高強混凝土。塔筒安裝不同廠家風(fēng)機的國內(nèi)首個批量生產(chǎn)的風(fēng)電場正在建設(shè)。塔筒安裝其他機型已在國外認證,安裝本機型未認證。⑦ WTG5-鋼塔。筒身分為6段,目前國內(nèi)首臺樣機正在準備中,尚未批量建造。塔筒正在進行設(shè)計認證,尚未獲得認證證書。

        各比選方案基礎(chǔ)形式均采用筏板式基礎(chǔ),塔筒與風(fēng)機基礎(chǔ)連接構(gòu)件采用錨栓籠,復(fù)合地基采用CFG樁形式(對于鋼+混凝土、全混凝土形式需要地基處理)。根據(jù)以上所述的5個廠家的技術(shù)經(jīng)濟資料,結(jié)合編制期市場價格水平,對120 m輪轂高度的7種機型及塔架的技術(shù)方案,進行可比投資經(jīng)濟測算分析,結(jié)果如表2所示。

        3.1 利用層次分析法確定各級因素的權(quán)重

        陸上風(fēng)機塔架優(yōu)選指標體系準則層包括4個因素,即U={A,B,C,D};第三層指標層包括10個因素,即A={A1,A2,A3},B={B1,B2,B3},C={C1,C2,C3},D={D1}。

        經(jīng)過咨詢相關(guān)專家的評判意見,運用成對比較方法以及1~9比例標度,分別構(gòu)造準則層、指標層對上一層每個因素的成對比較陣,并計算權(quán)重和進行一致性檢驗,如表3~6所示。匯總后可得權(quán)向量。

        表3 準則層成對比較陣

        注:λmax=4.010 4,CI=0.003 5,CR=0.003 9<0.1 滿足一致性檢驗。

        表4 A-Ai成對比較陣

        注:λmax=3.009 2,CI=0.004 6,CR=0.007 9<0.1滿足一致性檢驗。

        表5 B-Bi成對比較陣

        注:λmax=3.002 6,CI=0.001 3,CR=0.002 2<0.1 滿足一致性檢驗。

        3.2 建立模糊評估矩陣

        模糊判斷矩陣的確定,結(jié)構(gòu)可靠性、技術(shù)可行性和施工及維護難易性等主觀指標以實際生產(chǎn)施運

        表6 C-Ci成對比較陣

        注:λmax=3,CI=0,CR=0.0<0.1滿足一致性檢驗。

        行經(jīng)驗及實際工程投資計算為基礎(chǔ),結(jié)合專家的意見,確定評語集V=(很好,良好,一般,較差,很差)=(1,0.8,0.6,0.4,0.2),用5級評價可對被評價方案做出較準確描述。經(jīng)濟合理性為客觀指標,依據(jù)表4中的投資數(shù)額,按第1節(jié)理論基礎(chǔ)中的方法可得到經(jīng)濟合理性的評價指標。各因素評價相對優(yōu)屬度如表7所示。

        計算得到結(jié)果如表8所示。

        表7 各因素評價值

        通過比較決策相對優(yōu)屬度可以看出排名第一位的依次為:WTG2-鋼+混凝土形式,最終該業(yè)主在河南某陸上風(fēng)電項目選用了WTG2-鋼+混凝土機型

        表8 決策相對優(yōu)屬度計算模型計算結(jié)果

        及塔架形式。

        4 結(jié) 論

        本文提出了基于層次分析法的陸上風(fēng)機塔架的模糊綜合評估方法,綜合考慮了風(fēng)機塔架的結(jié)構(gòu)可靠性、技術(shù)可行性、施工及維護難易性和經(jīng)濟合理性,對方案作出全面綜合的評價。該評估方法不僅包含了專家的經(jīng)驗知識,并且將定性分析和定量計算相結(jié)合,為方案決策人員提供科學(xué)的決策依據(jù)。

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