高層建筑屋頂風(fēng)力機(jī)葉片安全預(yù)警系統(tǒng)的研究

陳濤+呂成

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控的不足，基于PLC提出了一種結(jié)合高層建筑屋頂特點(diǎn)的風(fēng)力機(jī)葉片安全預(yù)警設(shè)計(jì)思路。本文在更多地考慮人的安全因素基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片安全預(yù)警系統(tǒng)，有利于風(fēng)力發(fā)電的推廣應(yīng)用，提高可再生能源的利用率，為工程師進(jìn)行高層建筑屋頂風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考，具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；PLC；安全預(yù)警；高層建筑；可再生能源

中圖分類號(hào)：TM61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）09-0088-02

目前，我國對(duì)風(fēng)能的利用主要集中在西部開闊地域和東部沿海一帶，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝也通常在遠(yuǎn)離城市的郊區(qū)地帶。自21世紀(jì)以來，西方等發(fā)達(dá)國家先后展開了對(duì)城市和高層建筑風(fēng)能利用的研究和實(shí)踐。高層建筑屋頂風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有不用大幅度改變建筑物原有結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)勢(shì)，但也面臨著新的安全問題。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常安裝在人煙稀少的地帶，而高層建筑屋頂風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)周圍人流量較大，不得不更多地考慮人的安全因素?，F(xiàn)在我國對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障的應(yīng)對(duì)大多采用實(shí)時(shí)監(jiān)控方式，而高層建筑屋頂風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作環(huán)境特殊，僅僅依靠現(xiàn)有的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)顯然無法滿足人們對(duì)高層建筑屋頂風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全需求，因此，能否做到“防患于未然”直接影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能否在高層建筑的安裝和運(yùn)行。

本文主要以水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)以PLC為基礎(chǔ)的安全預(yù)警系統(tǒng)。可以提高高層建筑屋頂風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全可靠性，從而增加我國風(fēng)資源的利用率，達(dá)到節(jié)能減排、清潔環(huán)保的目的。

1 高層建筑風(fēng)速分布規(guī)律

隨著城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的推進(jìn)，高層建筑越來越多，高層建筑周圍的風(fēng)資源越來越豐富。利用高層建筑帶來的風(fēng)資源優(yōu)勢(shì)進(jìn)行發(fā)電，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的就地消化，減少輸電成本和不必要的電量浪費(fèi)。

高層建筑分布在近地層中，其風(fēng)速大小與高層建筑風(fēng)機(jī)所處的高度有關(guān)。造成風(fēng)在近地層中垂直差異有動(dòng)力因素和熱力因素兩個(gè)原因。動(dòng)力因素主要源于地表的摩擦效應(yīng)；熱力因素主要由于它與近地層大氣垂直穩(wěn)定度的關(guān)聯(lián)性。

2 風(fēng)力機(jī)葉片故障缺陷和診斷機(jī)理

2.1 葉片根部出現(xiàn)裂紋、斷層

風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行機(jī)理決定了葉根處容易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，氣流在相鄰兩葉片間被“擠壓”，在切線方向產(chǎn)生加速，葉間間距減小了該影響，但氣流離葉根處越近，葉片對(duì)氣流的阻塞越明顯，這就導(dǎo)致了在葉根處形成較大的切向速度。

2.2 葉片裂痕、變形斷裂隱患

高層建筑風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過程中，有可能有鳥禽、昆蟲等撞擊葉片的情況發(fā)生，加上風(fēng)力機(jī)工作環(huán)境惡劣，葉片面臨斷痕、變形斷裂等隱患。

2.3 雷擊等天災(zāi)安全隱患

雖然現(xiàn)在大多數(shù)風(fēng)力機(jī)采用了防雷保護(hù)系統(tǒng)，但是，我國沿海地區(qū)地形相對(duì)復(fù)雜，雷暴天氣較多，雷電等天災(zāi)依然給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶來巨大的威脅，一些電場(chǎng)自投產(chǎn)建成到現(xiàn)在發(fā)生了多起雷擊事件。

3 葉片安全預(yù)警系統(tǒng)

基于PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片工作狀態(tài)的監(jiān)控，在葉片發(fā)生故障將要脫落時(shí)提前動(dòng)作停機(jī)，從而預(yù)防葉片傷及高層建筑周圍人群的事故發(fā)生。

3.1 葉片根部探傷預(yù)警

在風(fēng)力機(jī)機(jī)艙能探測(cè)葉根處布置無損探傷傳感器組，將傷損情況嚴(yán)重大小分為三個(gè)等級(jí)，一級(jí)傷損情況最輕，在程序流程圖中用C1表示；二級(jí)傷損情況中等，在程序流程圖中用C2表示；三級(jí)傷損情況最重，在程序流程圖中用C3表示。之所以將傷損情況分為三級(jí)是為了讓工作人員按傷損情況的緊急更好地協(xié)調(diào)維修工作。在程序流程圖中，我們?cè)O(shè)置自鎖程序，故障發(fā)生時(shí)可讓系統(tǒng)保持警示狀態(tài)，待工作人員處理好葉根故障可通過手動(dòng)解除警報(bào)按鈕解除警報(bào)。如圖1所示。

3.2 葉尖間端弧長(zhǎng)差異常預(yù)警

由于風(fēng)力機(jī)葉片分布是均勻的，所以理想狀態(tài)下，葉尖間端弧長(zhǎng)均為S。風(fēng)力機(jī)葉片是同軸運(yùn)轉(zhuǎn)，它們的轉(zhuǎn)速是相同，所以，相鄰葉尖通過塔架上傳感器的時(shí)間差T與S成正比關(guān)系。風(fēng)力機(jī)葉片大多為柔性葉片，且運(yùn)行中葉片會(huì)出現(xiàn)揮舞振動(dòng)、扭振、擺振等諸多因素干擾，兩葉尖端之間弧長(zhǎng)會(huì)有誤差，因此也要在T上增加一定的裕量。在編制程序時(shí)，設(shè)定不同兩組相鄰葉尖時(shí)間差之間的差值大于較小一組時(shí)間差的8%時(shí)設(shè)置為A1葉片故障一級(jí)預(yù)警，大于10%時(shí)設(shè)置為A2葉片故障二級(jí)預(yù)警，大于12%時(shí)設(shè)置為A3葉片故障三級(jí)預(yù)警。如圖2所示。

4 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電與高層建筑相結(jié)是個(gè)新生事物，設(shè)計(jì)理念和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)匱乏，對(duì)其進(jìn)行研究和探討十分有必要。傳統(tǒng)的火力發(fā)電導(dǎo)致煤炭等能源儲(chǔ)備消耗嚴(yán)重，對(duì)環(huán)境污染大，高層建筑屋頂風(fēng)力發(fā)電可以減少環(huán)境污染、提高新能源利用率，有著就近消化、節(jié)約成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，對(duì)高層建筑屋頂風(fēng)力機(jī)葉片安全預(yù)警系統(tǒng)的研究探討，不僅可以有效預(yù)防葉片脫落、斷裂等故障的發(fā)生，保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)的安全，更符合我們可持續(xù)發(fā)展的基本國情，在新能源利用、保護(hù)環(huán)境等方面有著重大的意義。

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