風電機組葉片用環(huán)氧樹脂生產(chǎn)工藝研究﹡

文 | 楊青海，肖毅，蔡義軍，劉寶成

風電機組葉片配套用環(huán)氧樹脂體系（包括環(huán)氧樹脂和固化劑，下同）是風電機組葉片制備的關(guān)鍵材料。目前，國內(nèi)外諸多廠家均在生產(chǎn)風電機組葉片配套用環(huán)氧樹脂體系。然而，目前國內(nèi)外生產(chǎn)此環(huán)氧樹脂體系大多采用反應(yīng)釜生產(chǎn)方式，此方法具有傳統(tǒng)的優(yōu)勢，如原料的加入、反應(yīng)溫度及反應(yīng)時間易操控。但此生產(chǎn)工藝是間歇式的，每批次的生產(chǎn)均需原料加入過程、原料預(yù)熱過程、攪拌反應(yīng)過程及出料這一系列的過程，生產(chǎn)效率較低，產(chǎn)量不高且大批量生產(chǎn)質(zhì)量較難控制。鑒于反應(yīng)釜生產(chǎn)環(huán)氧樹脂體系的弊端，本研究提出一種新的生產(chǎn)風電機組葉片用環(huán)氧樹脂體系的方法，此方法在樹脂和固化劑的生產(chǎn)過程中，物料的預(yù)熱、計量、輸送、混合反應(yīng)及包裝都是通過PLC系統(tǒng)監(jiān)控和自動實施。此方法在保持傳統(tǒng)反應(yīng)釜生產(chǎn)方式優(yōu)勢的情況下實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動化、連續(xù)化。此生產(chǎn)方法不僅生產(chǎn)效率高，而且有利于質(zhì)量控制，對于批量化生產(chǎn)風電機組葉片用環(huán)氧樹脂體系產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定可控。

生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀

通過公開的研究資料和實際考察的狀況看，目前國內(nèi)風電機組葉片用環(huán)氧樹脂體系的生產(chǎn)工藝大致有如下兩種：

一、傳統(tǒng)型

圖1的工藝流程圖是生產(chǎn)風電機組葉片用環(huán)氧樹脂及固化劑的傳統(tǒng)工藝，樹脂生產(chǎn)系統(tǒng)和固化劑生產(chǎn)系統(tǒng)可以通用。此生產(chǎn)工藝是通過抽料泵將原料從地面抽至二層或三層平臺之上的反應(yīng)釜中，通過給反應(yīng)釜夾套通蒸汽或熱水來提供熱源，從而將原料加熱到設(shè)定的反應(yīng)溫度。采用攪拌器使原料在反應(yīng)釜中攪拌反應(yīng)，攪拌器多為漿式攪拌器或錨式攪拌器。由于風電機組葉片用環(huán)氧樹脂的原料具有粘度大的特點，為了達到更好的攪拌效果，反應(yīng)釜一般自身設(shè)計有物料自循環(huán)系統(tǒng)，使原料在反應(yīng)釜中混合反應(yīng)更均勻和充分。

圖1 傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝

原料在反應(yīng)釜中通過相應(yīng)的反應(yīng)溫度和攪拌時間檢驗合格后，通過反應(yīng)釜下端的放料口出料包裝就生產(chǎn)出風電機組葉片用環(huán)氧樹脂體系產(chǎn)品。

二、傳統(tǒng)改進型

圖2 傳統(tǒng)改進型生產(chǎn)工藝

圖2的工藝流程圖是生產(chǎn)風電機組葉片用環(huán)氧樹脂及固化劑的傳統(tǒng)改進型，相對于傳統(tǒng)型生產(chǎn)工藝，該工藝主要有如下改進：一是增加了地面的原料儲罐，可有效節(jié)約往反應(yīng)釜中的投料時間；二是增加了反應(yīng)釜上方的高位槽可準確計量向反應(yīng)釜中投料的重量，以便控制產(chǎn)品的質(zhì)量；三是增加了控制反應(yīng)釜投料、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間及放料的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)半自動化。當然有條件的還可以將反應(yīng)釜系統(tǒng)整體放置在一大型電子稱上，可以很方便計量加料的重量和最后分裝的產(chǎn)品重量，此時可以不需要原料高位槽。根據(jù)工廠的實際情況可確定加熱方式是水加熱或蒸汽加熱，有蒸汽條件的最好選用蒸汽加熱，因為蒸汽在較短的時間內(nèi)就能達到預(yù)期的反應(yīng)溫度。

綜合圖1和圖2的傳統(tǒng)型和傳統(tǒng)改進型生產(chǎn)工藝可以看出，由于受反應(yīng)釜容積限制，只能分批次生產(chǎn)，整個生產(chǎn)過程是間歇的，每批次均需物料加入過程、物料預(yù)熱過程、攪拌反應(yīng)過程及出料這一系列的操控，出料包裝時還需要稱量，不斷地周期性重復(fù)操作，非常繁瑣，批次間的準備時間長，有效時間短，生產(chǎn)效率低，設(shè)備投入及人力成本也高。尤其是,各批次的原料配比、工藝參數(shù)操控值總會有差異，導(dǎo)致各批次的產(chǎn)品質(zhì)量不一致，給風電機組葉片的性能帶來不利影響。另外生產(chǎn)過程相對開放不利于環(huán)保。

生產(chǎn)工藝研究

為了克服傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的弊端，通過查閱大量的資料和實地考察，本研究提出一種流水線式生產(chǎn)風電機組葉片用環(huán)氧樹脂體系的方法，以提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。圖3即為該研究的裝置結(jié)構(gòu)及工作流程示意圖。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)及工作流程示意圖

本研究的環(huán)氧樹脂體系包括樹脂部分和固化劑部分，各由多個原料組份混合反應(yīng)制成，這兩部分分別在各自的流水生產(chǎn)線連續(xù)制備，樹脂部分由樹脂部分流水生產(chǎn)線制備，固化劑部分由固化劑部分流水生產(chǎn)線制備。

從圖3看出，樹脂部分流水生產(chǎn)線包括數(shù)量與原料種類一致的多條原料輸送通道、一個靜態(tài)混合器6和一個控制系統(tǒng)，所有原料輸送通道的出口并聯(lián)在靜態(tài)混合器6的入口，靜態(tài)混合器6的出口配有自動計量包裝裝置，該裝置包括兩只并列的放料閥7.1、7.2，該放料閥7.1、7.2為氣動兩通球閥，控制系統(tǒng)設(shè)有該放料閥的自控計量切換控制模塊，從而對出料產(chǎn)品進行計量包裝。

每一條原料輸送通道由依次連接的原料容器1.1－1.N、輸送泵2.1－2.N、加料器3、流量計4.1－4.N、調(diào)節(jié)閥5.1－5.N組成。原料容器1.1－1.N配有液位自控控制裝置，該裝置包括盛料泵0.1－0.N、液位計，控制系統(tǒng)根據(jù)液位計輸入的液位信號，向盛料泵0.1－0.N輸出啟、?？刂菩盘?，對原料容器1.1－1.N內(nèi)的液位進行高、低雙位自動控制。輸送泵2.1－2.N為變頻泵。加熱器3采用盤管式換熱器3.1－3.N，熱水在控制系統(tǒng)控制的進熱水調(diào)節(jié)閥的啟、停操控下進入加熱器3內(nèi)，逐個在加熱器3內(nèi)的換熱器3.1－3.N中進行熱傳遞，直至從加熱器3的熱水出口流出。該盤管式的換熱器3.1－3.N還可以用列管式的表面換熱器代替。這些換熱器3.1－3.N布置在同一箱體內(nèi)，即共箱式加熱器，箱內(nèi)布置有各種原料的換熱元件，熱換熱元件的換熱面積與該原料的流量相匹配，使各種原料加熱后的溫度基本一致。上述加熱器還可以采用紅外輻射加熱器。

控制系統(tǒng)的主控器采用PLC可編程控制器，該控制系統(tǒng)由信號檢查器、信號處理器組成，信號檢查器包括用于檢測輸送泵出口壓力的壓力變送器P、用于檢測加熱器溫度的溫度變送器W；信號處理器根據(jù)壓力變送器P輸入的壓力信號，向輸送泵2.1－2.N輸出傳速控制信號，從而控制輸送泵2.1－2.N的出口壓力，使其適應(yīng)流量計4.1－4.N的入口壓力；根據(jù)溫度變送器W輸入的溫度信號，向加熱器輸出控制信號，控制加熱器的加熱溫度；根據(jù)流量計4.1－4.N輸入的流量信號，向調(diào)節(jié)器5.1－5.N輸出控制信號，控制調(diào)節(jié)閥5.1－5.N的開度，從而控制各原料的配比。

上述流水生產(chǎn)線的工作步驟是：（1）啟動流水生產(chǎn)線，由盛料泵向盛料容器內(nèi)盛入原料；（2）盛料容器內(nèi)的原料由輸送泵送入加熱器內(nèi)，以設(shè)定溫度預(yù)熱；（3）預(yù)熱后的原料經(jīng)流量計和調(diào)節(jié)閥以設(shè)定的量輸送至靜態(tài)混合器內(nèi)進行混合；（4）在靜態(tài)混合器的放料口以設(shè)定的量輸出物料，進行包裝。

固化劑部分流水生產(chǎn)線與樹脂部分流水生產(chǎn)線是相同的，唯一不同之處在于樹脂部分和固化劑部分的加熱溫度，樹脂的生產(chǎn)需要在40℃－60℃溫度下進行，固化劑的生產(chǎn)需要在40℃溫度下均可進行。因而固化劑部分流水生產(chǎn)線對加熱器的需要可有可無。即固化劑部分流水生產(chǎn)線包括數(shù)量與原料種類一致的多條原料輸送通道、一個靜態(tài)混合器和一個控制系統(tǒng)，所有原料輸送通道的出口并聯(lián)在靜態(tài)混合器的入口；每一條原料輸送通道由依次連接的原料容器、輸送泵、流量計、調(diào)節(jié)閥組成；控制系統(tǒng)由信號檢測其、信號處理器組成，該信號檢測器包括用于檢測輸送泵出口壓力的壓力變送器；該信號處理器根據(jù)壓力變送器輸入的壓力信號，向輸送泵輸出轉(zhuǎn)速控制信號，從而控制輸送泵的出口壓力，使其適應(yīng)流量計的入口壓力；根據(jù)流量計輸入的流量信號，向調(diào)節(jié)閥輸出控制信號，控制調(diào)節(jié)閥的開度，從而控制各原料的配比。

生產(chǎn)工藝對比分析

圖4 環(huán)氧樹脂生產(chǎn)線局部圖

本研究技術(shù)應(yīng)用前，國內(nèi)生產(chǎn)風電用環(huán)氧樹脂均采用傳統(tǒng)的間歇反應(yīng)釜式生產(chǎn)工藝，該方式存在如下方面的問題：

（1）生產(chǎn)效率低。傳統(tǒng)的反應(yīng)釜式生產(chǎn)工藝在生產(chǎn)環(huán)氧樹脂時需要向釜內(nèi)加料、攪拌反應(yīng)、放料包裝的過程。由于環(huán)氧樹脂具有粘度大的特點，而攪拌混料又限制了反應(yīng)釜的體積不能太大，否則就會導(dǎo)致物料混合不均勻，所以反應(yīng)釜體積通常是20m3。以20m3的反應(yīng)釜為例，向釜內(nèi)加料至少需要10h，放料至少需要4h，再加上采用加熱攪拌生產(chǎn)的時間不會少于6h，那么每生產(chǎn)一釜即20t環(huán)氧樹脂的時間至少需要20h。

（2）設(shè)備投入高，人工需求量大。采用傳統(tǒng)反應(yīng)釜生產(chǎn)環(huán)氧樹脂由于生產(chǎn)效率低，如果要提高產(chǎn)量就必須上幾套反應(yīng)釜，且傳統(tǒng)的反應(yīng)釜生產(chǎn)工藝對廠房安裝空間高。另外在人工需求方面要實現(xiàn)年產(chǎn)1萬t的產(chǎn)量，至少配備20名生產(chǎn)操作人員。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量較難控制。由于采用反應(yīng)釜生產(chǎn)時，每批需要向反應(yīng)釜中投料、攪拌生產(chǎn)的過程，且每批次生產(chǎn)的量較小，質(zhì)量控制點多且比較復(fù)雜，批次之間的質(zhì)量穩(wěn)定性較難把控。

本研究提供了一種風電用環(huán)氧樹脂生產(chǎn)的有效方法，本研究主要技術(shù)創(chuàng)新點：

（1）生產(chǎn)效率高。采用本研究的生產(chǎn)方法后，對風電環(huán)氧樹脂的生產(chǎn)過程實現(xiàn)了自動化、連續(xù)化，物料的加入、反應(yīng)溫度及反應(yīng)時間等操作也易于控制。由于是連續(xù)流水線式生產(chǎn)，生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)反應(yīng)釜方式的6倍。

（2）設(shè)備投入低，人工需求少。采用該生產(chǎn)工藝由于無需投資反應(yīng)釜且對設(shè)備安裝高度要求低，可有效節(jié)省廠房建設(shè)投資。在生產(chǎn)過程只有在加料和產(chǎn)品轉(zhuǎn)運過程需要操作人員，其它環(huán)節(jié)全實現(xiàn)自動化，以年產(chǎn)2萬t的環(huán)氧樹脂生產(chǎn)線為例，整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)操作人員只需配備10名。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。由于采用本研究批量化生產(chǎn)產(chǎn)品時過程可控，計量精確，無批次間質(zhì)量差異，產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定可靠。

根據(jù)本研究的成果，目前建成了年產(chǎn)2萬t的環(huán)氧樹脂自動化生產(chǎn)線一條，順利生產(chǎn)產(chǎn)品超過3年，目前已累計生產(chǎn)環(huán)氧樹脂近2萬t，未出現(xiàn)質(zhì)量問題，生產(chǎn)的產(chǎn)品共為公司帶來超過5億元產(chǎn)值，上繳利稅近1億元。圖4即為該研究成果的環(huán)氧樹脂生產(chǎn)線局部圖。

結(jié)語

本研究在國內(nèi)首家使用，處于領(lǐng)先地位，對國內(nèi)風電環(huán)氧樹脂的制造技術(shù)起到了引領(lǐng)和指路的作用，提高了風電原材料整體制造技術(shù)水平。該研究的實施是實現(xiàn)中國風電機組葉片用環(huán)氧樹脂國產(chǎn)化的重要方面，從而可迅速打破目前市場由國外供應(yīng)商壟斷的局面，不僅有利于中國風電機組葉片質(zhì)量的穩(wěn)定和提高，確保中國風電機組葉片生產(chǎn)企業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展，而且生產(chǎn)成本能夠大幅度降低，具有顯著的經(jīng)濟效益。通過該研究的實施，對于降低中國風電機組的生產(chǎn)成本、增強中國風電市場競爭力具有重要意義。