Введение
Одной из основных проблем энергоснабжения на территории Российской Федерации является неэффективная автономная энергетика, особенно в удалённых и труднодоступных регионах, включая северные области. В настоящее время эти регионы в основном обеспечиваются электрической энергией от автономных или находящихся в составе локальной энергосистемы дизельных электростанций (ДЭС), работающих на дорогостоящем привозном топливе. Ежегодные поставки топлива для автономных ДЭС в рамках «северного завоза» составляют около 1 млн тонн без учёта потребностей объектов Министерства обороны. В северных районах эксплуатируется более 900 ДЭС мощностью около 1,2 ГВт с производством энергии около 2,5 млн кВт·ч.
Учитывая, что северные и прибрежные районы данных территорий находятся в зоне особо высокого ветроэнергетического потенциала, альтернативой электроснабжению на базе ДЭС может стать внедрение ветроэлектрических установок (ВЭУ) и создание модульных ветродизельных энергокомплексов (ВДЭС) вида «дизель-генераторная установка (ДГУ) + ВЭУ» мощностью ДГУ около 250 кВт и ВЭУ до 100 кВт, адаптированных к арктическим климатическим условиям (низкие температуры до −50°C, ураганные ветра до 60 м/с, обледенение, основания на вечномёрзлых грунтах и другие экстремальные условия) [1–4].
При этом в современной практике проектирования, в том числе объектов ветроэнергетики [5–7], сформировался принцип цифрового подхода к проектированию и управлению объектами на всей стадии их жизненного цикла. Так, в [3] предложен и реализован принцип внедрения цифрового проектирования ВЭУ и их элементов для реальных природно-климатических условий территории Арктической зоны России с использованием современных программных средств расчёта и моделирования.
Для решения научно-технологических и технико-экономических задач разработки арктических конкурентоспособных ВДЭС в НОЦ «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разработаны принципы создания [16] модульной ветроэнергетической установки.
ВЭУ состоит из изготавливаемых в заводских условиях элементов и частей, которые учитывают условия доставки на Крайний Север в короткий навигационный период, имеет систему самоподъёма для монтажа без использования тяжёлой подъёмно-транспортной техники и оригинальную опорную конструкцию башни с модульным фундаментом. На предлагаемую конструкцию башни и модульного фундамента получены патенты РФ [17–19], а также предложен принцип модульности и быстровозводимости опорных конструкций ВЭУ [20].
Объектом данного исследования являются энергетические и конструктивные параметры ВЭУ, обеспечивающие устойчивость конструкции, надёжность эксплуатации и высокие энергетические характеристики установки.
Цель исследования — разработка методики цифрового обоснования энергетических, конструктивно-технологических и компоновочных решений модульной ВЭУ арктического исполнения и расчёт её элементов. Задачи исследования:
1. Разработать методические принципы проектирования параметров инженерно-строительной конструкции ВЭУ с учётом влияния экстремальных природно-климатических характеристик арктических территорий на энергетические параметры, нагрузки и воздействия.
2. Обосновать конструктивно-технологические и компоновочные решения модульного фундамента ветроэлектрической установки с применением методов многокритериальной оптимизации.
3. Произвести расчёт напряжённо-деформированного состояния (НДС) элементов модульного фундамента с применением программного комплекса ANSYS.
ПО ANSYS представляет собой многоцелевой пакет программ для численного моделирования физических процессов и явлений в области прочности, динамики жидкостей и газов, теплофизики, электромагнетизма, акустики и многих других, а также активно используется для решения междисциплинарных задач.
Основной раздел
Для цифрового проектирования модульной ВЭУ предложена методология последовательной реализации взаимосвязанных этапов, начиная с этапа ресурсных оценок и определения энергетических характеристик ветроэлектрических установок с использованием данных ветровых, природно-климатических условий и конструктивных решений (диаметра ветроколеса, высота башни и др.) [22].
Этапы цифрового проектирования модульной ВЭУ для суровых климатических условий Арктической зоны Российской Федерации представлены на рис. 1 в виде комплексной блок-схемы, включающей конструирование ВЭУ из модульных унифицированных элементов и материалов, адаптированных к арктическим климатическим условиям (низким температурам до −50°C, ураганным ветрам до 60 м/с, обледенению, вечномёрзлым грунтам и др. экстремальным условиям), сложным логистическим условиям доставки оборудования и монтажа элементов на площадке.
Рис. 1. Блок-схема этапов выбора основных параметров цифровой модульной ВЭУ
Блоки внешних исходных данных и условий для определения нагрузок на ВЭУ на рис. 1 выделены синим цветом. Блоки моделирования и расчёта конструкции модульного фундамента выделены на рис. 1 зелёным цветом. Блоки оптимизации параметров опорных конструкций и модульного фундамента выделены на рис. 1 оранжевым цветом.
В блоке 1 «Нагрузки, действующие на ветроэлектрический агрегат (ВЭА)» учитывается изменение плотности тёплого и холодного воздуха, изменение (увеличение) массы элементов ВЭУ из-за обледенения её основных элементов. Особое внимание уделяется учёту дисбалансов нагрузок, действующих со стороны ветрового колеса от вращения покрытых изморозью лопастей.
В блоках 2–5 решаются задачи конструирования элементов ВЭУ с учётом слаборазвитой транспортной инфраструктуры доставки и возведения, геокриологических особенностей грунтов и оснований. Конструктивно-технологические и компоновочные решения принимаются на основании многокритериальной оптимизации (блок 6).
Критериями выбора параметров башни являются обеспечение передачи нагрузок от ветроэлектрического агрегата на фундамент и секционность, обеспечивающая транспортировку в телескопическом виде (секции вложены одна в другую). Критериями выбора параметров фундамента являются прочность, низкая материалоёмкость, возможность транспортировки отдельных модулей. В результате реализации решений в соответствии с последовательностью, приведённой на рис. 1, определяются и оптимизируются параметры фундамента, которые бы удовлетворяли этим критериям.
Конструктивно модульный фундамент [19] (рис. 2) состоит из пустотелых внешних модулей 1 и центрального модуля 2, в который помещается опорный внутренний модуль 3, служащий для крепления нижней секции башни 4 с фундаментом и жёсткой связи всех конструктивных элементов фундамента 1 и 2 с помощью анкерных болтов 5 и болтовых соединений 6. Конструкция крепления этих элементов обеспечивает их жёсткость, что позволяет модульному фундаменту работать как единое целое.
Рис. 2. Схема модульного фундамента ВЭУ (1 — внешние модули; 2 — центральный модуль; 3 — внутренний модуль; 4 — опорный фланец башни ВЭУ; 5 — анкерные болты; 6 — болтовые соединения)
Чтобы фундамент работал как монолитный гравитационный объект, применяется балластная нагрузка из местных сыпучих материалов, изъятых при организации котлована.
Для определения прочности основания и устойчивости конструкции рассмотрена контактная задача по определению нормального давления p(x, y) на грунт и подошву фундамента в любой произвольной точке пятна контакта с использованием формулы внецентренного сжатия:
где N, Mx и My — вертикальное усилие и моменты, приложенные к геометрическому центру подошвы фундамента вдоль и вокруг осей z, x и y, соответственно; Aф — площадь контакта подошвы фундамента с грунтом основания; Ix и Iy — моменты инерции площади контакта относительно осей x и y.
Максимальное возможное давление на грунт основания фундамента должно удовлетворять условию pmax ≤ 1,2R, где R — расчётное сопротивление основания для второго предельного состояния (по деформациям) для круглого фундамента.
Чтобы минимизировать массу конструкционных материалов, предложено использовать коэффициент перегрузки:
где Nтр — суммарный вес ВЭУ и фундамента, требуемый для выполнения условия pmin ≥ 0 (с учётом принятия худшего, наиболее лёгкого варианта балластной нагрузки плотностью 1500 кг/м³), зависящий от заданных геометрических размеров и собранных нагрузок:
где МВЭУ — опрокидывающий момент от ВЭУ; NВЭУ — вес ВЭУ; r — радиус внешней (описанной) окружности фундамента.
Необходимо обеспечить минимальное превышение усилия от веса фундамента над усилием, приложенным к геометрическому центру подошвы, то есть обеспечения Kпер ≈ 1,0.
Оптимизация размеров фундамента проведена на основании критерия прочности (1) и коэффициента перегрузки (2).
В результате проведённых исследований обоснованы параметры модульного фундамента для ВЭУ 100 кВт.
Оптимальный вариант конструкции фундамента должен обладать достаточной прочностью, то есть способностью выдерживать возникающие нагрузки, и при этом иметь наименьшую материалоёмкость. В то же время габариты отдельных модулей должны позволить разместить в контейнере их максимальное число. Для данного фундамента с использованием показателя вместимости рассчитаны геометрические размеры внешних модулей для размещения в стандартном 40-футовом контейнере [21]. Вместимость оценивалась как отношение количества модулей, помещающихся в контейнер, к количеству боковых модулей, необходимых для создания прочного и устойчивого фундамента установки.
Высота фундамента принята равной 1,1 м, что позволило разместить в контейнере два ряда модулей, а радиус центрального и внутреннего модулей подбирался исходя из значения нижнего радиуса башни (для ВЭУ мощностью 100 кВт радиус нижней части башни составляет примерно 0,75 м).
Подбор параметров внешних модулей осуществлялся итерационным способом. Результат подбора иллюстрирует диаграмма, приведённая на рис. 3. При 12 модулях вместимость контейнера максимальна при коэффициенте перегрузки, равном 0,99, и при радиусе фундамента, равном 3,4 м, то есть 12-модульный фундамент оказался наиболее экономичным.
Рис. 3. Подбор параметров фундамента ВЭУ (12 модулей)
Для природно-климатических и ветровых условий Ямало-Ненецкого автономного округа (посёлок Яр-Сале) использована адаптированная к арктическим условиям ВЭУ, имеющая следующие характеристики: установленная мощность — 100 кВт; высота башни — 30 м; выработка энергии с учётом простоев, связанных с обледенением, — 319 МВт·ч; радиус привалочной плоскости башни — 0,75 м; вес ВЭУ NВЭУ = 190 кН; момент от вращения ветроколеса Мx = 2500 кН·м; опрокидывающий момент Му = 400 кН·м.
На основе выполненных итерационных расчётов получены значения параметров модульного фундамента: число модулей — 12 шт., толщина стенки модуля — 20 мм, высота фундамента — 1,1 м, радиус описанной окружности опорного модуля — 1,1 м, радиус описанной окружности фундамента — 3,4 м; коэффициент перегрузки Kпер = 0,99.
Масса стального фундамента равна 22,7 т, масса балластной нагрузки — 52 т (грунт обратной засыпки взят с минимальной плотностью 1500 кг/м³).
На следующем этапе цифрового проектирования арктической ветроэлектрической установки на основе полученных характеристик в программе Invertor была создана параметрическая 3D-модель CAD (рис. 4), позволяющая осуществлять экспорт конструкции в программные комплексы Computer-Aided Engineering (CAE).
Рис. 4. Расчётная параметрическая 3D-модель ВЭУ 100 кВт для CAD
В качестве программного комплекса CAE для проверки прочности и работоспособности фундамента было выбрано ANSYS. В данном ПО выполнен расчёт напряжённо-деформированного состояния (НДС) фундамента при помощи расчётного модуля Static Structural, который предназначен для решения задач механики деформируемого твёрдого тела в статической постановке. Материал фундамента — конструкционная сталь с повышенными показателями прочности для установок, эксплуатируемых в холодном климате. Из библиотеки ANSYS принят аналог российской стали 16Г2АФ со схожими характеристиками. Все нагрузки приложены к нижнему фланцу башни ветроэлектрической установки.
Цифровое моделирование НДС для различных расчётных случаев показало, что наибольшие напряжения возникают в местах крепления фланца башни с фундаментом (рис. 5), однако и в этом месте напряжения не превышают допустимых.
Рис. 5. Напряжения, возникающие в фундаменте и месте крепления башни (МПа)
Анализ выполненных расчётов НДС показал, что элементы спроектированного модульного фундамента выдерживают возникающие в процессе эксплуатации нагрузки и конструкция в целом является работоспособной.
Заключение
По результатам исследования можно сделать следующие выводы:
1. Разработана методология цифрового проектирования модульной ВЭУ в виде последовательной реализации взаимосвязанных этапов от ресурсных оценок и определения энергетических характеристик ВЭУ до этапа проектирования инженерно-строительных конструкций ВЭУ для суровых климатических условий.
2. Предложены конструктивно-технологические решения ВЭУ модульного исполнения, включая фундамент, состоящий из элементов (модулей) высокой степени заводского исполнения.
3. Подобраны основные характеристики модульного фундамента для ВЭУ мощностью 100 кВт: радиус внешней (описанной) окружности фундамента составляет 3,4 м; высота фундамента — 1,1 м, число внешних модулей — 12 шт., толщина стенки модуля — 20 мм, радиус внешней (описанной) окружности центрального модуля — 1,1 м. Масса металлических конструкций фундамента составила 22,7 т.
4. Для природно-климатических и ветровых условий Ямало-Ненецкого автономного округа (посёлок Яр-Сале) рассчитаны энергетические и силовые характеристики адаптированной к арктическим условиям ВЭУ, на основе которых сформированы исходные данные для расчёта НДС.
5. Выполнен расчёт напряжённо-деформированного состояния фундамента, который показал, что конструкция модульного фундамента с подобранными параметрами выдерживает возникающие нагрузки и является работоспособной.
6. Разработанная методика проектирования и цифровая модель модульной ВЭУ с возможностью учёта влияния метеорологических и природно-климатических характеристик арктических территорий на энергетические параметры, нагрузки и воздействия может быть использована при создании эффективных ВДЭС с модульными ВЭУ для удалённых регионов Арктической зоны России в условиях неразвитой дорожной инфраструктуры и отсутствия мощной подъёмно-транспортной техники.
