CN113982867A - 一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置，包括气体排出单元、数据处理单元、第一控制单元、气体检测单元、第二控制单元和启停检测单元。第一控制单元为逻辑控制，其基于数据处理单元计算的理论运行时长和理论待机时长控制气体排出单元循环间断启停；而第二控制单元为反馈控制，其基于气体检测单元的检测结果，判断是否介入第一控制单元的逻辑控制。通过逻辑控制、反馈控制和气体导出实现塔底有害气体的排出，同时，通过后备电源可以保证在电网停电的情况下也能实现塔底有害气体的排出，保护了人员安全，减轻了电气设备的损害，延长了电气设备的使用寿命。

Description

一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置及方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置及方法。

背景技术

海上风电机组时刻运行于恶劣的海洋环境之中，保养维修的成本和难度以及折旧费用占运营成本的较大比例，海上风电机组设备安全长期运行，以及维护保养人员的安全健康也将越来越受到关注。海上风电机组的设备损坏、老化有相当比例是由腐蚀直接或间接造成的，其中以盐雾、硫化氢、六氟化硫最为突出。盐雾由于认识的普遍性，在海上风电设计之初便采取有相应的防护措施，而对于硫化氢、六氟化硫，普遍认识度较低，风电机组设计时考虑不足，通常采用的密封封堵方式存在工作量巨大、效果一般的特点。

硫化氢气体的产生主要是由于海底微生物对风机基础海泥的分解而产生，六氟化硫气体主要是由于中压开关柜填充的六氟化硫气体泄露而产生，均属于不可避免的有害气体。其中，硫化氢气体会对裸露的金属结构件，特别是电气设备上多数器件(如IGBT)由于含银、铜、铝等金属无法耐受硫化氢环境，长期在此环境下工作器件将发生严重、不可逆的损害；六氟化硫受高压电弧后产生有毒物质，直接影响人员安全。这两种气体比空气密度大，通常产生后都富集于塔筒底部，因此，设计开发一套，针对塔底有害气体的导出装置是非常有必要的。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置及方法，以解决海上风电机组塔底有害气体损害电气设备、影响人员安全的技术问题。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：

本发明的第一方面，提供一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置，包括：

气体排出单元，以用于将塔底气体抽吸至塔筒外部，以降低塔底有害气体浓度；

数据处理单元，以用于计算所述气体排出单元的理论运行时长和理论待机时长；

第一控制单元，以用于向所述气体排出单元发出启动控制指令，并延时理论运行时长后再发出待机控制指令；以及还用于向所述气体排出单元发出待机控制指令，并延时理论待机时长后再发出启动控制指令；还用于在接收到第二控制单元发送的控制清理指令后，延时理论运行时长再向所述气体排出单元发出待机控制指令；所述启动控制指令和所述待机控制指令交替循环发出；

气体检测单元，以用于检测塔底有害气体浓度，并将检测到的当前塔底有害气体浓度值反馈给第二控制单元；

第二控制单元，以用于基于所述当前塔底有害气体浓度值作如下判定：

若所述当前塔底有害气体浓度值小于超限阈值，则维持所述气体排出单元当前运行状态；

若所述当前塔底有害气体浓度值大于等于超限阈值，则向启停检测单元发出启停状态检测指令，并基于所述启停检测单元反馈的气体排出单元当前运行状态信息作如下判定：

若所述气体排出单元当前处于启动状态，则维持所述气体排出单元当前运行状态；若所述气体排出单元当前处于待机状态，则向所述气体排出单元发出紧急启动指令，以控制所述气体排出单元立即切换至启动状态，并同时向所述第一控制单元发送控制清零指令；

启停检测单元，以用于在接收到启停状态检测指令后，即检测所述气体排出单元的当前运行状态，并将检测到的气体排出单元当前运行状态信息反馈给所述第二控制单元。

可选地，所述计算所述气体排出单元的理论运行时长T1和理论待机时长T2，采用如下公式：

T1＝(V-0.01πr²h)/v1

T2＝V/v2

其中，v1表示气体排出单元的排放速率，v2表示有害气体进气速率，V表示塔筒底部空间的体积，r表示塔筒底部圆半径，h表示塔筒底部最低点至塔筒底部设备层最高点高度。

可选地，还包括：

手动控制单元，所述手动控制单元与气体排出单元电连接，以用于手动启动或关闭所述气体排出单元，所述手动控制单元的优先级高于第一控制单元和第二控制单元。

可选地，还包括：

警示单元，以用于在接收到报警指令后，即向操作人员发出声、光警示；

所述第二控制单元，还用于基于所述当前塔底有害气体浓度值作如下判定：

若所述当前塔底有害气体浓度值大于等于超限阈值，则向警示单元发出报警指令。

可选地，还包括：

风电机组状态检测单元，以用于在接收到运行状态检测指令后，即检测风电机组当前运行状态，并将检测到的风电机组当前运行状态信息反馈给所述第一控制单元；

应急供电单元，以用于向所述导出装置提供备用电源；

所述第一控制单元还用于在向所述气体排出单元发出启动控制指令之前，向风电机组状态检测单元发出运行状态检测指令，并基于所述风电机组状态检测单元反馈的风电机组当前运行状态信息作如下判定：

若风电机组处于正常运行状态，则基于机组配电控制气体排出单元全功率启动；若风电机组处于降容运行状态，则基于机组配电控制气体排出单元半功率启动；若风电机组处于停机状态，则基于应急供电单元控制气体排出单元半功率启动。

可选地，所述第二控制单元向所述气体排出单元发出紧急启动指令时，控制气体排出单元全功率启动。

可选地，所述气体排出单元包括气泵、吸气管和排气管，所述气泵的输入端与吸气管尾端连通，所述吸气管首端延伸至塔筒内侧底部；所述气泵的输出端与排气管首端连通，所述排气管尾端贯穿塔筒筒壁后与所述外部气体净化单元连通。

可选地，所述吸气管的首端至少设有第一吸气口和第二吸气口，所述第一吸气口设置于塔底中压开关柜层，所述第二吸气口设置于塔底最底层。

可选地，所述气体排出单元还包括止回阀，所述止回阀设置于排气管尾端以防止外部空气回流。

本发明的第二方面，提供一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置的导出方法，包括以下步骤：

S1、计算气体排出单元的理论运行时长和理论待机时长；

S2、基于所述理论运行时长和理论待机时长控制气体排出单元循环间断启停；

S3、检测塔底有害气体浓度，并基于检测到的当前塔底有害气体浓度值作如下判定：

若所述当前塔底有害气体浓度值小于超限阈值，则维持步骤S2；

若所述当前塔底有害气体浓度值大于等于超限阈值，则检测所述气体排出单元的当前运行状态，并作如下判定：

若所述气体排出单元当前处于启动状态，则维持步骤S2；若所述气体排出单元当前处于待机状态，即控制所述气体排出单元立即启动，延时理论运行时长后重复步骤S2。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果：

本发明提供的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置，包括气体排出单元、数据处理单元、第一控制单元、气体检测单元、第二控制单元和启停检测单元。第一控制单元为逻辑控制，其基于数据处理单元计算的理论运行时长和理论待机时长控制气体排出单元循环间断启停；而第二控制单元为反馈控制，其基于气体检测单元的检测结果，判断是否介入第一控制单元的逻辑控制。通过逻辑控制、反馈控制和气体导出实现塔底有害气体的排出，同时，通过后备电源可以保证在电网停电的情况下也能实现塔底有害气体的排出，保护了人员安全，减轻了电气设备的损害，延长了电气设备的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置的结构示意图；

图2为一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置的电气原理图；

图3为一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置的电器运行逻辑图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置，包括：

气体排出单元，以用于将塔底气体抽吸至塔筒外部，以降低塔底有害气体浓度；

数据处理单元，以用于计算所述气体排出单元的理论运行时长和理论待机时长；

第一控制单元，以用于向所述气体排出单元发出启动控制指令，并延时理论运行时长后再发出待机控制指令；以及还用于向所述气体排出单元发出待机控制指令，并延时理论待机时长后再发出启动控制指令；还用于在接收到第二控制单元发送的控制清理指令后，延时理论运行时长再向所述气体排出单元发出待机控制指令；所述启动控制指令和所述待机控制指令交替循环发出；

气体检测单元，以用于检测塔底有害气体浓度，并将检测到的当前塔底有害气体浓度值反馈给第二控制单元；

第二控制单元，以用于基于所述当前塔底有害气体浓度值作如下判定：

若所述当前塔底有害气体浓度值小于超限阈值，则维持所述气体排出单元当前运行状态；

若所述当前塔底有害气体浓度值大于等于超限阈值，则向启停检测单元发出启停状态检测指令，并基于所述启停检测单元反馈的气体排出单元当前运行状态信息作如下判定：

若所述气体排出单元当前处于启动状态，则维持所述气体排出单元当前运行状态；若所述气体排出单元当前处于待机状态，则向所述气体排出单元发出紧急启动指令，以控制所述气体排出单元立即切换至启动状态，并同时向所述第一控制单元发送控制清零指令；

启停检测单元，以用于在接收到启停状态检测指令后，即检测所述气体排出单元的当前运行状态，并将检测到的气体排出单元当前运行状态信息反馈给所述第二控制单元。

第一控制单元为逻辑控制，其基于数据处理单元计算的理论运行时长和理论待机时长控制气体排出单元循环间断启停；而第二控制单元为反馈控制，其基于气体检测单元的检测结果，判断是否介入第一控制单元的逻辑控制。

其中，所述计算所述气体排出单元的理论运行时长T1和理论待机时长T2，可采用如下公式：

T1＝(V-0.01πr²h)/v1

T2＝V/v2

其中，v1表示气体排出单元的排放速率(即气泵的排气流量，可通过气泵参数查询)，v2表示有害气体进气速率，V表示塔筒底部空间的体积(具体是塔筒底部最低点至塔筒底部设备层最高点的空间体积)，r表示塔筒底部圆半径，h表示塔筒底部最低点至塔筒底部设备层最高点高度。特别地，理论运行时长T1不宜超过6小时。

作为对上述方案的进一步改进，所述海上风力发电机组塔底有害气体导出装置还包括手动控制单元，所述手动控制单元与气体排出单元电连接，以用于手动启动或关闭所述气体排出单元，所述手动控制单元的优先级高于第一控制单元和第二控制单元。当气体检测单元检测到有害气体的浓度超过允许的限制时，第二控制单元即输出信号指令以控制气泵启动；当检修人员需要进入塔筒底部维护作业时，也可启用手动控制单元，输出信号控制气泵启动。

作为对上述方案的进一步改进，所述海上风力发电机组塔底有害气体导出装置还包括警示单元，以用于在接收到报警指令后，即向操作人员发出声、光警示，以提醒现场操作人员塔底有害气体浓度超限，或可采用备用措施如备用气泵加快抽排；所述第二控制单元，还用于基于所述当前塔底有害气体浓度值作如下判定：若所述当前塔底有害气体浓度值大于等于超限阈值，则向警示单元发出报警指令。

作为对上述方案的进一步改进，所述海上风力发电机组塔底有害气体导出装置还包括风电机组状态检测单元，以用于在接收到运行状态检测指令后，即检测风电机组当前运行状态，并将检测到的风电机组当前运行状态信息反馈给所述第一控制单元；应急供电单元，以用于向所述导出装置提供备用电源；所述第一控制单元还用于在向所述气体排出单元发出启动控制指令之前，向风电机组状态检测单元发出运行状态检测指令，并基于所述风电机组状态检测单元反馈的风电机组当前运行状态信息作如下判定：若风电机组处于正常运行状态，则基于机组配电控制气体排出单元全功率启动；若风电机组处于降容运行状态，则基于机组配电控制气体排出单元半功率启动；若风电机组处于停机状态，则基于应急供电单元控制气体排出单元半功率启动。

由于海上风力资源的不均衡性和/或安全原因，风电机组难以时刻维持正常运行状态，导致其发电量不均衡，当发电量较大时，即电能富裕时，可使气体排出单元全功率运行以快速降低有害气体浓度，而当发电量较小时，即电能贫乏时，则可使气体排出单元降低功率以使塔底有害气体浓度维持在一个较低水平，待风电机组正常运行时即可恢复气体排出单元的运行功率。特别地，所述第二控制单元向所述气体排出单元发出紧急启动指令时，即控制气体排出单元全功率启动，由于有害气体浓度已经超限，则为保证人员、设备安全，应立即调用电网配电或应急电源，以对塔底有害气体快速抽排。

一个实施例，请参阅图1，所述气体排出单元包括气泵、吸气管和排气管，所述气泵的输入端与吸气管尾端连通，所述吸气管首端延伸至塔筒内侧底部；所述气泵的输出端与排气管首端连通，所述排气管尾端贯穿塔筒筒壁后与所述外部气体净化单元连通。优选地，所述吸气管的首端至少设有第一吸气口和第二吸气口，所述第一吸气口设置于塔底中压开关柜层，所述第二吸气口设置于塔底最底层。优选地，所述气体排出单元还包括止回阀，所述止回阀设置于排气管尾端以防止外部空气回流。具体地，应急供电单元通常由柴油发电机构成，也可以采用蓄电池组，负责在电网断电的情况下为导出装置供电。

具体地，本申请提供的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置可采用如下电气原理：请参阅图2供电回路由机组供电与应急电源接入组成，当电网正常时，气泵由电网供电，当电网停电时，气泵由应急电源供电，二者之间通过K1、K2继电器，Q1、Q3接触器实现互锁，避免产生电源冲突。当机组配电存在时，通过K1的常闭触点串入Q3接触器的线圈，使Q3接触器无法闭合；当机组配电无电时，应急电源回路有电可使Q3接触器自吸合，Q1接触器的控制同Q3。控制回路由装置的状态指示灯(带电指示灯D1、运行指示灯D2、报警指示灯D3)、启动回路(手动启动S1、报警自动启动K3、控制系统控制启动K4)、检测回路(传感器电源T1、气体检测传感器L1)构成。电路运行逻辑如图3所示，通过K1、K2、Q1、Q3进行供电互锁，避免供电冲突；通过控制Q2接触器的吸合给气泵供电，排出有害气体。

本申请提供的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置具有以下有益效果：

1)双电源输入设计：该有害气体导出装置设计有两路不同的供电输入——电网供电+应急电源，在电网断电的情况下可投入应急电源，满足各种工况下的供电需求；

2)硬件电路设计：大量采用硬件电路实现控制逻辑，如供电电路的互锁、启停等，可靠性高，节省可编程控制器的使用；

3)启动控制功能全面，可以实现自动启动和人工启动，可以满足各种工况下的启动需求；

4)保护了人员安全，减轻了电气设备的损害，延长了电气设备的使用寿命。

本发明还基于上述海上风力发电机组塔底有害气体导出装置提供一种导出海上风力发电机组塔底有害气体导出装置的导出方法，包括以下步骤：

S1、计算气体排出单元的理论运行时长和理论待机时长；

S2、基于所述理论运行时长和理论待机时长控制气体排出单元循环间断启停；

S3、检测塔底有害气体浓度，并基于检测到的当前塔底有害气体浓度值作如下判定：

若所述当前塔底有害气体浓度值小于超限阈值，则维持步骤S2；

若所述当前塔底有害气体浓度值大于等于超限阈值，则检测所述气体排出单元的当前运行状态，并作如下判定：

若所述气体排出单元当前处于启动状态，则维持步骤S2；若所述气体排出单元当前处于待机状态，即控制所述气体排出单元立即启动，延时理论运行时长后重复步骤S2。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置，其特征在于，包括：

气体排出单元，以用于将塔底气体抽吸至塔筒外部，以降低塔底有害气体浓度；

数据处理单元，以用于计算所述气体排出单元的理论运行时长和理论待机时长；

第一控制单元，以用于向所述气体排出单元发出启动控制指令，并延时理论运行时长后再发出待机控制指令；以及还用于向所述气体排出单元发出待机控制指令，并延时理论待机时长后再发出启动控制指令；还用于在接收到第二控制单元发送的控制清理指令后，延时理论运行时长再向所述气体排出单元发出待机控制指令；所述启动控制指令和所述待机控制指令交替循环发出；

气体检测单元，以用于检测塔底有害气体浓度，并将检测到的当前塔底有害气体浓度值反馈给第二控制单元；

第二控制单元，以用于基于所述当前塔底有害气体浓度值作如下判定：

若所述当前塔底有害气体浓度值小于超限阈值，则维持所述气体排出单元当前运行状态；

若所述当前塔底有害气体浓度值大于等于超限阈值，则向启停检测单元发出启停状态检测指令，并基于所述启停检测单元反馈的气体排出单元当前运行状态信息作如下判定：

若所述气体排出单元当前处于启动状态，则维持所述气体排出单元当前运行状态；若所述气体排出单元当前处于待机状态，则向所述气体排出单元发出紧急启动指令，以控制所述气体排出单元立即切换至启动状态，并同时向所述第一控制单元发送控制清零指令；

启停检测单元，以用于在接收到启停状态检测指令后，即检测所述气体排出单元的当前运行状态，并将检测到的气体排出单元当前运行状态信息反馈给所述第二控制单元。

2.根据权利要求1所述的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置，其特征在于，所述计算所述气体排出单元的理论运行时长T1和理论待机时长T2，采用如下公式：

T1＝(V-0.01πr²h)/v1

T2＝V/v2

其中，v1表示气体排出单元的排放速率，v2表示有害气体进气速率，V表示塔筒底部空间的体积，r表示塔筒底部圆半径，h表示塔筒底部最低点至塔筒底部设备层最高点高度。

3.根据权利要求1所述的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置，其特征在于，还包括：

手动控制单元，所述手动控制单元与气体排出单元电连接，以用于手动启动或关闭所述气体排出单元，所述手动控制单元的优先级高于第一控制单元和第二控制单元。

4.根据权利要求1所述的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置，其特征在于，还包括：

警示单元，以用于在接收到报警指令后，即向操作人员发出声、光警示；

所述第二控制单元，还用于基于所述当前塔底有害气体浓度值作如下判定：

若所述当前塔底有害气体浓度值大于等于超限阈值，则向警示单元发出报警指令。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置，其特征在于，还包括：

风电机组状态检测单元，以用于在接收到运行状态检测指令后，即检测风电机组当前运行状态，并将检测到的风电机组当前运行状态信息反馈给所述第一控制单元；

应急供电单元，以用于向所述导出装置提供备用电源；

所述第一控制单元还用于在向所述气体排出单元发出启动控制指令之前，向风电机组状态检测单元发出运行状态检测指令，并基于所述风电机组状态检测单元反馈的风电机组当前运行状态信息作如下判定：

若风电机组处于正常运行状态，则基于机组配电控制气体排出单元全功率启动；若风电机组处于降容运行状态，则基于机组配电控制气体排出单元半功率启动；若风电机组处于停机状态，则基于应急供电单元控制气体排出单元半功率启动。

6.根据权利要求5所述的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置，其特征在于，所述第二控制单元向所述气体排出单元发出紧急启动指令时，控制气体排出单元全功率启动。

7.根据权利要求5所述的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置，其特征在于，所述气体排出单元包括气泵、吸气管和排气管，所述气泵的输入端与吸气管尾端连通，所述吸气管首端延伸至塔筒内侧底部；所述气泵的输出端与排气管首端连通，所述排气管尾端贯穿塔筒筒壁后与所述外部气体净化单元连通。

8.根据权利要求7所述的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置，其特征在于，所述吸气管的首端至少设有第一吸气口和第二吸气口，所述第一吸气口设置于塔底中压开关柜层，所述第二吸气口设置于塔底最底层。

9.根据权利要求8所述的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置，其特征在于，所述气体排出单元还包括止回阀，所述止回阀设置于排气管尾端以防止外部空气回流。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的一种海上风力发电机组塔底有害气体导出装置的导出方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、计算气体排出单元的理论运行时长和理论待机时长；

S2、基于所述理论运行时长和理论待机时长控制气体排出单元循环间断启停；

S3、检测塔底有害气体浓度，并基于检测到的当前塔底有害气体浓度值作如下判定：

若所述当前塔底有害气体浓度值小于超限阈值，则维持步骤S2；

若所述当前塔底有害气体浓度值大于等于超限阈值，则检测所述气体排出单元的当前运行状态，并作如下判定：

若所述气体排出单元当前处于启动状态，则维持步骤S2；若所述气体排出单元当前处于待机状态，即控制所述气体排出单元立即启动，延时理论运行时长后重复步骤S2。

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