風電機組葉片用環氧樹脂生產工藝研究﹡

文 | 楊青海，肖毅，蔡義軍，劉寶成

風電機組葉片配套用環氧樹脂體系（包括環氧樹脂和固化劑，下同）是風電機組葉片制備的關鍵材料。目前，國內外諸多廠家均在生產風電機組葉片配套用環氧樹脂體系。然而，目前國內外生產此環氧樹脂體系大多采用反應釜生產方式，此方法具有傳統的優勢，如原料的加入、反應溫度及反應時間易操控。但此生產工藝是間歇式的，每批次的生產均需原料加入過程、原料預熱過程、攪拌反應過程及出料這一系列的過程，生產效率較低，產量不高且大批量生產質量較難控制。鑒于反應釜生產環氧樹脂體系的弊端，本研究提出一種新的生產風電機組葉片用環氧樹脂體系的方法，此方法在樹脂和固化劑的生產過程中，物料的預熱、計量、輸送、混合反應及包裝都是通過PLC系統監控和自動實施。此方法在保持傳統反應釜生產方式優勢的情況下實現了生產過程的自動化、連續化。此生產方法不僅生產效率高，而且有利于質量控制，對于批量化生產風電機組葉片用環氧樹脂體系產品質量更穩定可控。

生產工藝現狀

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

一、傳統型

圖1的工藝流程圖是生產風電機組葉片用環氧樹脂及固化劑的傳統工藝，樹脂生產系統和固化劑生產系統可以通用。此生產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釜中，通過給反應釜夾套通蒸汽或熱水來提供熱源，從而將原料加熱到設定的反應溫度。采用攪拌器使原料在反應釜中攪拌反應，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，反應釜一般自身設計有物料自循環系統，使原料在反應釜中混合反應更均勻和充分。

圖1 傳統生產工藝

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

二、傳統改進型

圖2 傳統改進型生產工藝

圖2的工藝流程圖是生產風電機組葉片用環氧樹脂及固化劑的傳統改進型，相對于傳統型生產工藝，該工藝主要有如下改進：一是增加了地面的原料儲罐，可有效節約往反應釜中的投料時間；二是增加了反應釜上方的高位槽可準確計量向反應釜中投料的重量，以便控制產品的質量；三是增加了控制反應釜投料、反應溫度、反應時間及放料的控制系統，實現半自動化。當然有條件的還可以將反應釜系統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品重量，此時可以不需要原料高位槽。根據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就能達到預期的反應溫度。

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

生產工藝研究

為了克服傳統生產工藝的弊端，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風電機組葉片用環氧樹脂體系的方法，以提高生產效率，穩定產品質量。圖3即為該研究的裝置結構及工作流程示意圖。

圖3 裝置結構及工作流程示意圖

本研究的環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制成，這兩部分分別在各自的流水生產線連續制備，樹脂部分由樹脂部分流水生產線制備，固化劑部分由固化劑部分流水生產線制備。

從圖3看出，樹脂部分流水生產線包括數量與原料種類一致的多條原料輸送通道、一個靜態混合器6和一個控制系統，所有原料輸送通道的出口并聯在靜態混合器6的入口，靜態混合器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，控制系統設有該放料閥的自控計量切換控制模塊，從而對出料產品進行計量包裝。

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、調節閥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，控制系統根據液位計輸入的液位信號，向盛料泵0.1－0.N輸出啟、停控制信號，對原料容器1.1－1.N內的液位進行高、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，熱水在控制系統控制的進熱水調節閥的啟、停操控下進入加熱器3內，逐個在加熱器3內的換熱器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，即共箱式加熱器，箱內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。

控制系統的主控器采用PLC可編程控制器，該控制系統由信號檢查器、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，使其適應流量計4.1－4.N的入口壓力；根據溫度變送器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；根據流量計4.1－4.N輸入的流量信號，向調節器5.1－5.N輸出控制信號，控制調節閥5.1－5.N的開度，從而控制各原料的配比。

上述流水生產線的工作步驟是：（1）啟動流水生產線，由盛料泵向盛料容器內盛入原料；（2）盛料容器內的原料由輸送泵送入加熱器內，以設定溫度預熱；（3）預熱后的原料經流量計和調節閥以設定的量輸送至靜態混合器內進行混合；（4）在靜態混合器的放料口以設定的量輸出物料，進行包裝。

固化劑部分流水生產線與樹脂部分流水生產線是相同的，唯一不同之處在于樹脂部分和固化劑部分的加熱溫度，樹脂的生產需要在40℃－60℃溫度下進行，固化劑的生產需要在40℃溫度下均可進行。因而固化劑部分流水生產線對加熱器的需要可有可無。即固化劑部分流水生產線包括數量與原料種類一致的多條原料輸送通道、一個靜態混合器和一個控制系統，所有原料輸送通道的出口并聯在靜態混合器的入口；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、調節閥組成；控制系統由信號檢測其、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；該信號處理器根據壓力變送器輸入的壓力信號，向輸送泵輸出轉速控制信號，從而控制輸送泵的出口壓力，使其適應流量計的入口壓力；根據流量計輸入的流量信號，向調節閥輸出控制信號，控制調節閥的開度，從而控制各原料的配比。

生產工藝對比分析

圖4 環氧樹脂生產線局部圖

本研究技術應用前，國內生產風電用環氧樹脂均采用傳統的間歇反應釜式生產工藝，該方式存在如下方面的問題：

（1）生產效率低。傳統的反應釜式生產工藝在生產環氧樹脂時需要向釜內加料、攪拌反應、放料包裝的過程。由于環氧樹脂具有粘度大的特點，而攪拌混料又限制了反應釜的體積不能太大，否則就會導致物料混合不均勻，所以反應釜體積通常是20m3。以20m3的反應釜為例，向釜內加料至少需要10h，放料至少需要4h，再加上采用加熱攪拌生產的時間不會少于6h，那么每生產一釜即20t環氧樹脂的時間至少需要20h。

（2）設備投入高，人工需求量大。采用傳統反應釜生產環氧樹脂由于生產效率低，如果要提高產量就必須上幾套反應釜，且傳統的反應釜生產工藝對廠房安裝空間高。另外在人工需求方面要實現年產1萬t的產量，至少配備20名生產操作人員。

（3）產品質量較難控制。由于采用反應釜生產時，每批需要向反應釜中投料、攪拌生產的過程，且每批次生產的量較小，質量控制點多且比較復雜，批次之間的質量穩定性較難把控。

本研究提供了一種風電用環氧樹脂生產的有效方法，本研究主要技術創新點：

（1）生產效率高。采用本研究的生產方法后，對風電環氧樹脂的生產過程實現了自動化、連續化，物料的加入、反應溫度及反應時間等操作也易于控制。由于是連續流水線式生產，生產效率是傳統反應釜方式的6倍。

（2）設備投入低，人工需求少。采用該生產工藝由于無需投資反應釜且對設備安裝高度要求低，可有效節省廠房建設投資。在生產過程只有在加料和產品轉運過程需要操作人員，其它環節全實現自動化，以年產2萬t的環氧樹脂生產線為例，整個生產線的生產操作人員只需配備10名。

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

根據本研究的成果，目前建成了年產2萬t的環氧樹脂自動化生產線一條，順利生產產品超過3年，目前已累計生產環氧樹脂近2萬t，未出現質量問題，生產的產品共為公司帶來超過5億元產值，上繳利稅近1億元。圖4即為該研究成果的環氧樹脂生產線局部圖。

結語

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