風(fēng)機(jī)主吊機(jī)械選型研究

時(shí)鍇欣,覃龍森,符 瑾

(中國安能集團(tuán)第一工程局有限公司南寧分公司,南寧 532100)

風(fēng)力發(fā)電是新型發(fā)電項(xiàng)目,具有安全、清潔、高效等優(yōu)勢,在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建設(shè)時(shí),要積極做好塔筒吊裝機(jī)械選型,結(jié)合實(shí)際情況,滿足不同環(huán)境的使用要求[1]。

風(fēng)能是可再生能源,具有較高的清潔性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn),合理利用風(fēng)能資源對于促進(jìn)清潔能源發(fā)展具有重要的意義。相比于傳統(tǒng)的煤炭發(fā)電,風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①風(fēng)能可以無限循環(huán)利用且風(fēng)力發(fā)電建設(shè)周期短,發(fā)電安全性、可靠性較高,具有無公害、無噪聲的特點(diǎn),適用于大多數(shù)場所。②可就地進(jìn)行發(fā)電、供電,不會產(chǎn)生資源損耗,生成的電能資源質(zhì)量高,發(fā)電環(huán)節(jié)具有高效性[2]。大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電是大勢所趨。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型的影響因素

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型主要有以下影響因素:①風(fēng)資源水平。根據(jù)年平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度等因素,將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分為4個(gè)不同等級。開展機(jī)組選型時(shí),要結(jié)合現(xiàn)場風(fēng)況,合理設(shè)定安全等級。②氣候狀況。風(fēng)電場溫度條件對于機(jī)組選型有著重要影響,要結(jié)合現(xiàn)場情況,合理選定高溫型、常溫型及低溫型機(jī)組。在沿海地區(qū)應(yīng)考慮防腐、絕緣性能等。③交通狀況。塔筒主吊機(jī)械設(shè)備較大,種類復(fù)雜,選型要考察風(fēng)電場周邊道路條件,對葉片、塔筒及機(jī)艙等組件的運(yùn)輸條件做出研判,確保各類設(shè)備可以安全運(yùn)抵風(fēng)場。④單機(jī)容量。從經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā),選用一些單機(jī)容量較大的機(jī)型,所選機(jī)型宜采用變槳變速技術(shù),減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)量,減少土地使用面積,降低吊裝次數(shù),提升發(fā)電量及經(jīng)濟(jì)效益。大型機(jī)組大多使用較高的輸出電壓,這樣可以適當(dāng)降低線損、電纜造價(jià)、運(yùn)行成本,提高項(xiàng)目收益。⑤價(jià)格。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組價(jià)格較高,包含一定的基礎(chǔ)費(fèi)用,故選型需考慮價(jià)格及配套設(shè)備費(fèi)用。⑥機(jī)組選型過程中還要考慮售后服務(wù)問題,優(yōu)選信譽(yù)好、售后服務(wù)效率高的企業(yè)。

機(jī)型比選要考察交通運(yùn)輸條件,對現(xiàn)場安裝條件、風(fēng)資源水平進(jìn)行分析,確定合理的風(fēng)電場規(guī)劃容量及單機(jī)容量參數(shù)。結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件明確幾種備選機(jī)型。利用WAsP及Windfarmer等專業(yè)軟件對備選機(jī)型進(jìn)行初步布置,對理論發(fā)電量等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。對不同種類的備選機(jī)型、配套費(fèi)用進(jìn)行投資估算。針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的價(jià)格問題,使用最新發(fā)布的招標(biāo)價(jià)格開展計(jì)算。對不同類型的備選機(jī)型機(jī)組進(jìn)行計(jì)算,尤其是要對風(fēng)輪單位面積性價(jià)比進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算,根據(jù)不同機(jī)型的特征參數(shù)、控制方式等做好技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性對比,確定合適的機(jī)型[2]。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分類及特點(diǎn)

可以將風(fēng)電機(jī)組分為以下3種。

2.1 普通異步發(fā)電機(jī)組

該類發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1所示,由于異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差絕對值控制在2%～5%,故轉(zhuǎn)速只允許在很小的范圍內(nèi)變化。其最大優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單,發(fā)電效率高,維修成本低,具有耐用、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。但此類機(jī)組轉(zhuǎn)速基本恒定,不能抑制功率波動等問題,對于電網(wǎng)電能質(zhì)量有不利影響。

圖1 普通異步發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of common asynchronous generator set

2.2 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組

該類機(jī)組定子繞組直接與電網(wǎng)相連,主要借助集電環(huán)、變流器與電網(wǎng)進(jìn)行連接,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示?？梢钥闯?變流器可對轉(zhuǎn)子電流頻率、幅值及相位參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),發(fā)揮變速恒頻技術(shù)的作用。目前,雙饋異步發(fā)電機(jī)組有著較為廣泛的應(yīng)用,其優(yōu)勢主要體現(xiàn)為能量的雙向流動,可實(shí)現(xiàn)有功、無功控制,跟蹤風(fēng)速變化,實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲、追蹤及控制。

圖2 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)Fig.2 Doubly-fed induction generator set structure

2.3 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)組

此類發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖3所示,其運(yùn)行過程相對可靠、穩(wěn)定,對于電網(wǎng)波動有著良好的適應(yīng)性。由于采用多級永磁交流發(fā)電機(jī),可省去齒輪箱,通過葉片轉(zhuǎn)動軸直接驅(qū)動。發(fā)電機(jī)定子利用變頻器及電網(wǎng)進(jìn)行連接,利用變頻器實(shí)現(xiàn)全功率變換。

圖3 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of direct drive permanent magnet synchronous generator set

上述發(fā)電機(jī)組的使用場景及優(yōu)缺點(diǎn)各不相同。普通異步發(fā)電機(jī)組的葉片安裝好后就不能隨意轉(zhuǎn)動,主要通過葉片失速進(jìn)行輸出功率的調(diào)節(jié),額定風(fēng)速相對較高,屬于典型的非主流機(jī)型。此類機(jī)組故障率較低,風(fēng)輪轉(zhuǎn)換效率較低,葉片結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,重量大,制造過程相對困難。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組利用變槳距技術(shù),可有效解決風(fēng)能轉(zhuǎn)換存在的低效率問題[3]。3個(gè)葉片可根據(jù)風(fēng)速大小轉(zhuǎn)動,使風(fēng)對葉片的攻角始終保持最佳角度,提高風(fēng)輪轉(zhuǎn)換效率。該類機(jī)組的并網(wǎng)過程較為簡單,無沖擊電流問題,可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的有效調(diào)節(jié),大大提升電能輸出質(zhì)量,性價(jià)比較高,在風(fēng)電行業(yè)中有著廣泛應(yīng)用,屬于主流機(jī)型之一。但此類機(jī)型的變槳機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)較為復(fù)雜,導(dǎo)致故障率大大增加。直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)組是近幾年來發(fā)展速度較快的機(jī)型之一,目前技術(shù)相對成熟,是未來風(fēng)電事業(yè)發(fā)展的重要方向。此類機(jī)組采用永磁型發(fā)電機(jī),沒有齒輪箱,降低了機(jī)械傳動損耗,受風(fēng)速限制較小,發(fā)電效率大大提升。但此類機(jī)組電控要求高,運(yùn)輸成本與難度偏大,尤其是永磁體成本逐年攀升。

3 主吊機(jī)械選型研究

針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)輸及安裝,應(yīng)對機(jī)組容積、重量等因素進(jìn)行綜合研究。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主吊機(jī)械的選型,以起重機(jī)為主進(jìn)行分析[4]。

3.1 履帶式起重機(jī)

履帶式起重機(jī)有著良好的承重力,借助底部的履帶裝置,可實(shí)現(xiàn)前行、攀爬等操作,具有較高的靈活度及穩(wěn)定性。常用的履帶式起重機(jī)主要有兩種類型,即桁架臂履帶式起重機(jī)和箱型臂履帶式起重機(jī)。桁架臂履帶式起重機(jī)應(yīng)用廣泛,安全系數(shù)高,實(shí)用性較好,租賃價(jià)格便宜,在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吊裝中使用廣泛。風(fēng)機(jī)吊裝中主要使用的型號有400 t級、600 t級、800 t級、1000 t級,但需要確保有足夠的支撐力。箱型臂履帶式起重機(jī)的專業(yè)性較強(qiáng),移動較為靈活,能夠在較狹窄的路面環(huán)境中轉(zhuǎn)移,但使用范圍較小,實(shí)際應(yīng)用型號較少。

3.2 全路面起重機(jī)

在風(fēng)力發(fā)電主吊機(jī)械中,全路面起重機(jī)有著一定的應(yīng)用。相比于履帶式起重機(jī),全路面起重機(jī)需安裝在特定的底盤結(jié)構(gòu)上,自重較輕,有著良好的操作性,能夠?qū)崿F(xiàn)全輪轉(zhuǎn)向及360°全方位吊裝。目前使用的全路面起重機(jī)分為兩種類型,即桁架臂全路面起重機(jī)和箱型臂全路面起重機(jī)。桁架臂全路面起重機(jī)與履帶式起重機(jī)有著相似之處,其靈活性、機(jī)動性較好,但由于受到設(shè)備生產(chǎn)等因素的限制,此類起重機(jī)僅適用于特定類型的風(fēng)機(jī)吊裝,局限性較強(qiáng)[5]。主要型號包括500 t級、750 t級等。箱型臂全路面起重較為常見,應(yīng)用廣泛,具有良好的移動性、靈活性、機(jī)動性。在風(fēng)機(jī)組裝施工中主要應(yīng)用的型號有500 t級、800 t級及1200 t級,應(yīng)用較多。

3.3 其他起重機(jī)

在開展風(fēng)電機(jī)組吊裝時(shí)還會用到一些其他型號的起重機(jī)設(shè)備,如馬尼托瓦克GTK1100起重機(jī)、三一SSC1020起重機(jī)等。馬尼托瓦克GTK1100起重機(jī)具有良好的性能,伸縮臂高度達(dá)140 m。但其應(yīng)用范圍有一定的局限性,使用率較低。三一SSC1020起重機(jī)的專業(yè)性、技術(shù)性較強(qiáng),主要應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械設(shè)備吊裝中,兼具履帶式起重機(jī)與全路面起重機(jī)的優(yōu)點(diǎn),操作、移動、安裝快速。隨著我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展,機(jī)組吊裝設(shè)備發(fā)展迅速,吊裝設(shè)備的高度、容量等參數(shù)不斷提升。目前,156 m、162 m高的風(fēng)機(jī)越來越多,主吊機(jī)械選型需考慮實(shí)際吊裝需求,避免對機(jī)組安裝效率及質(zhì)量造成不利影響。

4 結(jié)束語

清潔能源是能源領(lǐng)域未來發(fā)展的重要方向,為緩解我國能源緊缺問題,應(yīng)加強(qiáng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究,積極做好主吊機(jī)械的選型,結(jié)合實(shí)際情況與需求,選擇效率高、適用性強(qiáng)、安全性高的設(shè)備,促進(jìn)風(fēng)電事業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。