一种风机防台风主动保护方法及保护系统与流程

文档序号:15579112发布日期:2018-09-29 06:23

本发明涉及一种风力发电风机的自主保护技术,特别是一种风机防台风主动保护方法及保护装置。



背景技术:

为了充分利用海上和沿海风场资源,中国东南沿海等环太平洋地区新建了大量海上和沿海风力发电场,但是这些地区易于受到热带气旋等极端天气的侵扰。台风天气,极值风速大、风向变化迅速、湍流异常,对风机破坏非常大。2003年3月台风“Erica”侵袭南太平洋岛国新喀里多尼亚,造成Plum风场20台风机毁坏或部分损;2006年8月10日,台风“桑美”登陆浙江省,苍南鹤顶山风电场28台风电机组全部受损,其中5台倒塌,损失惨重;2014年7月18日,台风“威尔逊”袭击勇士风电场,33风力发电机中,18台被台风摧毁。

国内科研工作人员在台风对风机破坏的作用机理上进行了大量的研究分析。有文献认为,台风对风机的破坏包括:①结构破坏,极端风速作用在风电机组上的风荷载与风速平方成正比,当它大于结构强度的设计值时,结构材料发生屈服破坏。②叶片扭振,台风过程中的异常湍流造成风电机振动,部分部件和结构损坏。③设备失控,风轮在强湍流作用下,叶片发生不规则扭振,变桨机构的拐臂和支架断裂,叶片角度失控,在台风吹拂下风轮带着刹车高速旋转,刹车盘与刹车卡钳摩擦产生高温将刹车盘和卡钳烧红,最终导致刹车盘因高温爆裂。

IEC61400标准和GL指南是国际上关于风力发电机组的主流设计认证标准,借鉴以上设计认证标准,不同国家也编制了各自的风力发电机组设计标准,中国的风力发电机组设计国家标准(GB/T18451.1)。然而,IEC61400和GL考察的对象是欧洲风场环境,由于欧洲极少受台风这种热带气旋现象造成的极端天气的影响,所以上述标准并没有对抗台风设计提供依据和参考。2005年,在欧盟的支持下,丹麦国家能源实验室和菲律宾、越南等东盟国家开展了名为“EU-ASEAN wind project”的研究项目,研究在上述国家台风频发地区开发风电的技术可能性和对策。该项目结论是:①在保证电力供应的情况下,风电机组的偏航系统能够跟上台风风向的变化;②要保持与IEC 61400-1一致的安全性要求,将导致机组成本增加20%-30%;③为了经济性更好,风电机组在罕见的超强台风中被破坏可以被接受。

基于上述标准,针对我国沿海地区多台风气候,国内从业人员对风机设计建造提出了许多新的解决方案。包括风机在总体设计时,应该根据部件失效造成的损失后果确定风电机组各个部件的安全系数,从风电机组的基础、塔架、机舱到轮毂和叶片,安全系数应该从高到低。同时,要非常谨慎地计算和设计风电机的叶片强度,应该允许叶片在超过风电机设计风速的超强台风中屈服破坏,以减轻风电机组整体风荷载,避免更严重的受力。分析发现,叶片末端受力最大,研究采用破坏叶片末端使塔筒受力降至到正常值范围内,保证塔筒安全。在总体控制策略上,有文献提出了改进风电机组的控制策略是应对湍流和风向突变的有效手段,也是成本最小的抗台风设计方法。其中包括改进机械刹车控制策略和改进偏航系统控制策略。在关键设备的设计制造上,通过提高安全系数和生产质量,提高设备的在台风中的可靠性。也有文献提出更加倾向于对台风的预警及风电机组运行中防台风措施等。

我国沿海地区台风气候条件复杂,现有的被动应对措施并未有效地保障风机安全。近年来仍时有风机遭台风破坏的消息。为此,需要一种海上风机防台风主动保护系统,以提高风机防台风能力,降低风电场遭受台风后的损失,确保风电场长期、稳定运行生产。



技术实现要素:

本发明的第一目的就是针对现有技术的不足,提供一种风机防台风主动保护方法,该方法利用爆炸切割技术,在风机处于设定风力环境时,爆炸切割风机叶片的主要受力部分,降低或消除环境风力对风机主体的破坏,达到主动保护主机的目的。本发明的第二目的是提供一种风机防台风主动保护系统,该系统包括设置在风机叶片上的爆炸切割装置和实时监控系统,以在风机处于设定风力环境时,引爆爆炸切割装置,将风机部分或整片叶片爆炸切除,实现主动保护风机主机的目的,降低极端气候对风电场造成的损失。

为实现第一目的,本发明采用如下技术方案。

一种风机防台风主动保护方法,该方法通过在风机叶片上或叶片连接部预设爆炸切割装置,并对风机运行状态进行实时监控,以在风力发电风机处于设定风力环境时,爆炸切割装置自动起爆,以切割掉部分或整片风机叶片而形成对风力发电主机的主动保护。

采用前述技术方案的本发明保护方法,通过在设定条件下爆炸切除部分或整片风机叶片,降低风力对主机的影响,达到对风力发电主机形成的主动保护目的。该方法的关键点是将风叶主要受力部分切除,使得整个风电机组受力降至能够承受的范围,确保风机不被摧毁。其类似于,在大坝上设计局部溃坝紧急泄洪段,以在遭遇特大洪水险情时,局部溃坝泄洪,确保整个坝体稳固。局部溃坝基于“丢车保帅”、“壮士断腕”理念,通过相对较少的损失,确保局面不进一步恶化。而切除的措施是利用爆炸切割技术,而爆炸切割技术目前在其他领域已是一项成熟技术被广泛应用。

爆炸切割技术是一种将炸药装置直接紧固在被切割的构件上,利用炸药在接触爆炸条件下在炸药与构件面上产生强大压力或高温压力的剪切作业来完成切割,其特点是省时并且简单易行。目前,多级火箭就是利用这种爆炸切割装置将其切断分离。自1888年C.E.Munroe首次发现了不带药型罩的“门罗效应”以来,各国学者系统地研究了聚能装药(Shaped Charge)射流形成机理,并将其广泛应用在军事领域中,用来进行各种破坏作业,如大型桥梁、重点建筑物的破坏。在以工程建设为目的的爆破施工中,比如石油开采、硬土或冻土中快速穿孔等也被大量应用。国外已将爆炸切割技术应用于钢结构建筑物的爆破拆除,它能准确控制解体方式和倒塌方向。南非JetDemolitionLtd利用聚能切割器成功地拆除了多种大型钢结构建筑物;1992年美国利用线型聚能装药拆除了Tallawarra发电站的设备;美国Dykon公司应用聚能切割爆破技术成功地拆除了一座炼油厂的钢结构反应塔等。随着我国国民经济建设的迅速发展,而爆炸切割技术在近几十年年来,在我国航天航空、海洋油田、地质勘探、钢结构建构筑物爆破拆除、大型金属构件切割、防爆反恐、极寒地区的破冰等领域应用越来越广泛。

本方法在实施前,通过计算机模拟,对风机塔架的应力、最大位移变形量进行模态分析,建立不同风速和风向突变条件下的风机塔筒受力状态破坏模型和叶片运行状态的关系,确定风机塔筒能够承受的最大风速。风机实际运行过程中,风机自动控制系统根据风机测风系统实时监测的风速及风向情况,综合判断是否启动爆炸切割装置起爆而进行主动保护。

优选的,所述方法还包括利用切掉部分叶片发出的求救信号对被切割掉的叶片进行追踪。以便对切除的叶片收回再利用,进一步降低灾害损失。

进一步优选的,所述求救信号包括无线电磁波信号、声波信号和光波信号中的一种或两种以上的组合。以通充分利用现有跟踪定位技术,实现追踪搜寻目的,提高搜寻追踪的方便性、快捷性和可靠性。

优选的,所述方法还包括在切割掉的叶片上预设自救装置,并通过延时引爆释放。以降低叶片被炸掉部分在分离后坠毁、损坏隐患,提高被再次利用的价值。

进一步优选的,所述自救装置包括降落伞、充气气囊和漂浮物中的一种或两种以上的组合。以利用现有缓降技术,降低坠落速度,减小坠落损坏隐患;而充气气囊和漂浮物更适应于海洋环境,如海上风电场、沿海风电场等,可有效避免切除的叶片沉在海底而难以搜寻,降低搜寻难度和搜寻成本。

为实现第二目的,本发明采用如下技术方案。

一种风机防台风主动保护系统,包括信号系统、起爆系统、爆炸切割系统;

所述信号系统:包括信号采集单元、信号处理单元和信号发送单元,信号采集单元用于采集风力信号和风机塔架状态信号;信号处理单元依据采集到的风力信号和风机塔架状态信号进行计算分析和起爆条件判断;信号发送单元用于在满足起爆条件时发送起爆信号;

所述起爆系统:包括起爆信号采集单元和引爆触发单元,起爆信号采集单元用于接收引爆信号,引爆触发单元根据引爆信号引爆所述爆炸切割系统;

所述爆炸切割系统:通过起爆系统引爆后爆炸切割设定部位的风机叶片。

采用前述技术方案的本发明保护系统,通过信号系统收集、计算分析风力信号和风机塔架信号,并判断起爆条件,在达到起爆条件时,发送起爆信号,并由起爆系统对爆炸切割系统进行引爆,以由切割系统爆炸切割掉风机叶片的主要受力部分。使整个风电机组受力降至能够承受的范围,降低风力对主机的影响,确保风机不被摧毁,达到对风力发电主机形成的主动保护目的。本方案的信息系统在建立前应通过计算机模拟,对风机塔架的应力、最大位移变形量进行模态分析,从而建立不同风速和风向突变条件下的风机塔筒受力状态破坏模型和叶片运行状态的关系,确定风机塔筒能够承受的最大风速。风机实际运行过程中,信息系统根据风机测风系统实时监测的风速及风向情况,综合判断是否启动爆炸切割装置起爆而进行主动保护。

优选的,所述主动保护系统还包括定位追踪系统;所述信号系统还包括设在爆炸切割掉的风机叶片上的求救信号发生子系统,以及用于采集和处理求救信号的求救信号处理单元,定位追踪系统通过求救信号进行定位追踪。以通过对爆炸切割掉的风机叶片进行定位、追踪和搜寻,以便回收再利用。

进一步优选的,所述求救信号包括电磁波信号、声波信号和光波信号中的一种或两种以上的组合。以通充分利用现有跟踪定位技术,实现追踪搜寻目的,提高搜寻追踪的方便性、快捷性和可靠性。

优选的,还包括隐藏在爆炸切割掉的风机叶片内部的自救装置;所述起爆系统还包括延时引发自救装置启动的自救起爆单元。以降低叶片被炸掉部分在分离后坠毁、损坏隐患,提高被再次利用的价值。

进一步优选的,所述自救装置由降落伞、充气气囊和漂浮物中的一种或两种以上组合形成。以利用现有缓降技术,降低坠落速度,减轻坠落损坏隐患;而充气气囊和漂浮物更适应于海洋环境,如海上风电场、沿海风电场等,可有效避免切除的叶片沉在海底而难以搜寻,降低搜寻难度和搜寻成本。其中,追踪搜寻手段还可采用侦查无人机。

本发明的有益效果是,主动保护方法利用爆炸切割技术,在风机处于设定风力环境时,爆炸切割风机叶片的主要受力部分,降低或消除环境风力对风机主体的破坏,达到主动保护主机的目的。保护系统具有实现前述保护方法的结构,为保护方法提供了有力保障。

附图说明

图1是本发明主动保护系统的结构示意图;本图还用于说明主动保护方法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明,但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1,参见图1,一种风机防台风主动保护方法,该方法通过在风机叶片上或叶片连接部预设爆炸切割装置,并对风机运行状态进行实时监控,以在风力发电风机处于设定风力环境时,爆炸切割装置自动起爆,以切割掉部分或整片风机叶片而形成对风力发电主机的主动保护。

所述方法还包括利用切掉部分叶片发出的求救信号对被切割掉的叶片进行定位、追踪和搜寻;其中,求救信号包括无线电磁波信号、声波信号和光波信号中的一种或两种以上的组合;搜寻手段包括侦查无人机。

所述方法还包括在切割掉的叶片上预设自救装置,并通过延时引爆释放。其中,自救装置包括降落伞、充气气囊和漂浮物中的一种或两种以上的组合。

实施例2,参见图1,一种风机防台风主动保护系统,包括信号系统1、起爆系统2、爆炸切割系统3和定位追踪系统4;

所述信号系统:包括信号采集单元、信号处理单元和信号发送单元,信号采集单元用于采集风力信号和风机塔架状态信号,以及启爆反馈信号;信号处理单元依据采集到的风力信号和风机塔架状态信号进行计算分析和起爆条件判断;信号发送单元用于在满足起爆条件时发送起爆信号;

所述起爆系统:包括起爆信号采集单元和引爆触发单元,起爆信号采集单元用于接收引爆信号,引爆触发单元根据引爆信号引爆所述爆炸切割系统;

所述爆炸切割系统:通过起爆系统引爆后爆炸切割设定部位的风机叶片。

所述定位追踪系统;用于通过爆炸切割的风机叶片进行定位、追踪和搜寻

其中,信号系统还包括设在爆炸切割掉的风机叶片上的求救信号发生子系统,以及用于采集和处理求救信号的求救信号处理单元,定位追踪系统通过求救信号对爆炸切割掉的风机叶片进行定位、追踪和搜寻。求救信号包括电磁波信号、声波信号和光波信号中的一种或两种以上的组合。

主动保护系统还包括隐藏在爆炸切割掉的风机叶片内部的自救装置;起爆系统还包括延时引发自救装置启动的自救起爆单元。其中,自救装置由降落伞、充气气囊和漂浮物中的一种或两种以上组合形成;追踪搜寻手段还可采用侦查无人机。

本实施例中,起爆系统接收风机自动控制系统发出的起爆信号(切断信号),自动激活起爆系统工作。起爆系统包括信息采集系统、触发爆炸系统和延迟触发自救系统。

信息采集系统通过位置识别和数据采集,自动匹配叶片位置与对应起爆系统关系。触发爆炸系统具备触发爆炸系统准备和控制爆炸系统起爆功能的构造,触发爆破系统准备基本功能包括数据传输、功能检测和授权验证,控制爆破系统起爆包括起爆控制和数据传输功能。当触发爆炸系统准备功能设置完毕后,先在人机操作界面提供相应起爆提示(颜色、声或光)和手动启动爆炸系统起爆功能;若无手动操作,通过设置一定的启动操作时间,系统将自动启动爆炸系统起爆功能,并记录与回传爆炸信息,上述操作可安全可靠便捷的控制爆炸系统。

延迟触发自救系统在上述基础功能上还包括精度校准和延迟触发功能,通过时间公式计算和在线延迟时间设置,保证叶片分离落入水中后触发释放自救装置,减少碎片对原有建筑物、构筑物的损坏。触发爆炸系统和延迟触发系统同时触发、同时设置准备、同时启动。多个起爆系统通过主从方式配合使用,结合信息采集系统,形成两级控制结构,能满足规模化爆炸系统的需求。起爆系统可由风机备用电源供电。

爆炸切割系统:基于不同的爆炸切割方式,可分为爆炸螺栓及聚能装置。根据不同叶片结构,开发系列化的解决方案;采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,建立基于不同叶片结构的三维爆炸螺栓及聚能装置模型,通过模拟爆炸螺栓及聚能装置的内部切割结构及装药量,分析叶片的破坏过程及破坏形态,从而确定适合不同叶片结构的爆炸切割系统。

采用Abaqus有限元分析软件,建立各种类型叶片的受力分析模型,确定叶片最大受力部位及切断后的整体受力情况,判断整体式或分段式叶片切割位置,预设或现场安装爆炸系统。起爆系统起爆后,引爆爆炸系统,切断风机叶片。

定位追踪系统及自救装置:叶片分离后,通过自动延迟系统,激发分离部分中的自救装置,以形成缓降或在海上形成一个橘红色浮漂,并与风机叶片分离部分预置的定位系统一起,协助后期回收。陆上风电机组不需设置漂浮物。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

再多了解一些
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