光热电站吸热塔风致振动及其控制措施研究

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太阳能是一种清洁、高效的绿色能源,已在全球范围内得到广泛开发与利用。目前,太阳能发电技术主要包括光电和光热两种类型,其中光热电站具有输出稳定、易于并网等优势,近年来发展尤为迅猛。光热电站主要有塔式、槽式、菲涅尔式和碟式四种类型,2016年9月中国发改委批复建设的首批20个光热电站中有9个塔式光热电站。在塔式光热电站中,位于中间的吸热塔高度高、基频低、阻尼小,极易在风荷载作用下产生大幅振动,从而影响发电效率甚至吸热塔的安全。因此,需对吸热塔风致振动及其控制措施进行系统的研究。本文以高243m的摩洛哥努奥三期(Noor III)吸热塔为工程背景,采用风洞试验和现场实测相结合的方法,系统地研究了混凝土和钢结构吸热塔的风致响应特征,研究了电涡流调谐质量阻尼器(Tuned mass damper,TMD)用于减小吸热塔风致响应的控制效果。主要工作内容包括:(1)提出了一种新型的可用于混凝土吸热塔的气弹模型设计方法。以Noor III吸热塔为工程背景,加工制作了吸热塔气弹模型,模型比例1:200,材料为铝合金。对该模型的前三阶频率、振型和阻尼进行了识别,可实现低至0.3%的模态阻尼比,频率和振型与设计目标值吻合良好。为比较混凝土和钢结构吸热塔风致响应特征的差异,制作了钢结构吸热塔气弹模型,并对其动力特性进行了识别。(2)进行了混凝土和钢结构吸热塔气弹模型风洞试验,系统地研究了吸热塔的风致响应特征。通过在外衣之间粘贴胶带,实现了模型阻尼比的精确调节,研究了阻尼比变化(0.3%、0.7%、1.0%、1.5%和2.0%)对混凝土吸热塔风致响应的影响规律,结果表明,当结构阻尼比增加到1.0%时,吸热塔的横风向响应会急剧减小;采用粘贴粗糙条的方式增加模型表面粗糙度,进行了系统的测力和测压风洞试验,确定了一种最优的表面粗糙度形式,进行了粘贴粗糙条的混凝土吸热塔气弹模型风洞试验,探究了雷诺数效应对试验结果的影响,结果表明,考虑雷诺数效应影响的吸热塔风致响应显著减小;比较研究了混凝土和钢结构吸热塔的风致响应特征,结果表明,钢结构塔没有明显的横风向共振响应;结合风洞试验结果,探讨了美国烟囱规范ACI307-08和中国建筑结构荷载规范GB50009-2012相关条文对吸热塔抗风设计的适用性。(3)采用气弹模型风洞试验方法,研究了TMD和螺旋线两种措施对混凝土吸热塔风致响应的减振效果。采用电磁有限元软件的数值模拟方法,设计了一种悬臂梁式微型电涡流TMD,研究了气隙、导体板厚度等参数对微型电涡流TMD的影响规律。加工制作了该微型电涡流TMD,并对其结构参数(频率与阻尼)进行识别,结果表明,模型识别值和设计值吻合良好。进行了安装微型电涡流TMD的吸热塔气弹模型风洞试验,系统研究了TMD对减小吸热塔风致响应的控制效果。结果表明,TMD可减少混凝土吸热塔约80%的横风向共振响应和30%的顺风向响应。通过在气弹模型表面粘贴螺旋线,进行了系统的吸热塔气弹模型风洞试验,系统研究了螺旋线对减小吸热塔风致响应的控制效果,结果表明,由于吸热塔可安装螺旋线的空间有限,抑振效果不明显。(4)设计并加工了4个10吨电涡流TMD,质量比约为1%,在Noor III吸热塔顶部安装,研究了该电涡流TMD对Noor III吸热塔风致振动的减振效果。以气弹模型风洞试验结果为基础,研发了用于Noor III吸热塔原型结构的10吨单摆式电涡流TMD,该TMD可通过改变摆长来调节频率,通过改变气隙来调节阻尼比;在工厂对该TMD进行了精确的测量和调试,确定了摆长与频率的关系、气隙与阻尼比的关系,以便于在实塔上进行调节;采用理论和数值方法探究了TMD系统结构参数(频率和阻尼)的鲁棒性;在Noor III吸热塔的同一高度(237m)对称安装了上述4个TMD,对吸热塔原型结构的动力特性进行了实测,识别了结构阻尼比和频率,并将TMD摆长和气隙调整为最优值,结果表明,实塔的结构阻尼比约为0.72%,一阶频率为0.317Hz;在现场离地高度15m处风速为14~17m/s的情况下,实测了TMD工作和锁死两种状态下的塔顶加速度响应,结果表明,4台10吨TMD同时工作的情况下,可减小风致加速度响应39.4%(峰值)和56.4%(均方根)以上。
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