高層建筑屋頂風力機葉片安全預(yù)警系統(tǒng)的研究

陳濤+呂成

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

關(guān)鍵詞：風力機；PLC；安全預(yù)警；高層建筑；可再生能源

中圖分類號：TM61 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）09-0088-02

目前，我國對風能的利用主要集中在西部開闊地域和東部沿海一帶，風力發(fā)電機組的安裝也通常在遠離城市的郊區(qū)地帶。自21世紀以來，西方等發(fā)達國家先后展開了對城市和高層建筑風能利用的研究和實踐。高層建筑屋頂風力發(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，但也面臨著新的安全問題。傳統(tǒng)的風力發(fā)電機組通常安裝在人煙稀少的地帶，而高層建筑屋頂風力發(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。現(xiàn)在我國對風力發(fā)電機故障的應(yīng)對大多采用實時監(jiān)控方式，而高層建筑屋頂風力發(fā)電機工作環(huán)境特殊，僅僅依靠現(xiàn)有的實時監(jiān)控系統(tǒng)顯然無法滿足人們對高層建筑屋頂風力發(fā)電機的安全需求，因此，能否做到“防患于未然”直接影響著風力發(fā)電機組能否在高層建筑的安裝和運行。

本文主要以水平軸風力發(fā)電機葉片為研究對象，設(shè)計以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力發(fā)電機運行的安全可靠性，從而增加我國風資源的利用率，達到節(jié)能減排、清潔環(huán)保的目的。

1 高層建筑風速分布規(guī)律

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

高層建筑分布在近地層中，其風速大小與高層建筑風機所處的高度有關(guān)。造成風在近地層中垂直差異有動力因素和熱力因素兩個原因。動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 風力機葉片故障缺陷和診斷機理

2.1 葉片根部出現(xiàn)裂紋、斷層

風力發(fā)電機運行機理決定了葉根處容易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。風機在運行過程中，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

高層建筑風力機在運行過程中，有可能有鳥禽、昆蟲等撞擊葉片的情況發(fā)生，加上風力機工作環(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)風力機采用了防雷保護系統(tǒng)，但是，我國沿海地區(qū)地形相對復(fù)雜，雷暴天氣較多，雷電等天災(zāi)依然給風力發(fā)電機組帶來巨大的威脅，一些電場自投產(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實現(xiàn)對葉片工作狀態(tài)的監(jiān)控，在葉片發(fā)生故障將要脫落時提前動作停機，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

在風力機機艙能探測葉根處布置無損探傷傳感器組，將傷損情況嚴重大小分為三個等級，一級傷損情況最輕，在程序流程圖中用C1表示；二級傷損情況中等，在程序流程圖中用C2表示；三級傷損情況最重，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，我們設(shè)置自鎖程序，故障發(fā)生時可讓系統(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解除警報按鈕解除警報。如圖1所示。

3.2 葉尖間端弧長差異常預(yù)警

由于風力機葉片分布是均勻的，所以理想狀態(tài)下，葉尖間端弧長均為S。風力機葉片是同軸運轉(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間差T與S成正比關(guān)系。風力機葉片大多為柔性葉片，且運行中葉片會出現(xiàn)揮舞振動、扭振、擺振等諸多因素干擾，兩葉尖端之間弧長會有誤差，因此也要在T上增加一定的裕量。在編制程序時，設(shè)定不同兩組相鄰葉尖時間差之間的差值大于較小一組時間差的8%時設(shè)置為A1葉片故障一級預(yù)警，大于10%時設(shè)置為A2葉片故障二級預(yù)警，大于12%時設(shè)置為A3葉片故障三級預(yù)警。如圖2所示。

4 結(jié)語

風力發(fā)電與高層建筑相結(jié)是個新生事物，設(shè)計理念和實踐經(jīng)驗相當匱乏，對其進行研究和探討十分有必要。傳統(tǒng)的火力發(fā)電導(dǎo)致煤炭等能源儲備消耗嚴重，對環(huán)境污染大，高層建筑屋頂風力發(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，因此，對高層建筑屋頂風力機葉片安全預(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，保護人們的生命財產(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、保護環(huán)境等方面有著重大的意義。

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