魯能海西州塔式定日鏡支架制造工藝研究

張希強

（山東電力建設第三工程有限公司，山東 青島 266100）

1 項目概況

魯能海西州格爾木多能互補集成優化示范項目是國家能源局于2017 年2 月公布的首批23 個多能互補集成優化示范工程之一，也是國際領先的“風、光、熱、儲”多能互補、智能調度的純清潔能源綜合利用創新基地。該項目總裝機容量700MW，其中200MW 光伏發電項目、400MW風電項目、50MW 光熱發電項目及50MW 儲能系統，建成后年發電量約12.625 億kWh，每年可節約標準煤約40.15 萬t，減少煙塵排放量約5 431.96t，將形成集風電、光伏、光熱、儲能多種能源優化組合，有效減少煤炭消耗，降低大氣污染，對促進節能減排，實現能源可持續發展具有重要的意義。

作為該項目的EPC 總承包方，我公司承擔了項目鏡場4 400 套液壓驅動定日鏡支架的制作工作，每套定日鏡采光面積138m2，定日鏡場面積為610 000m2，年凈發電量預計達1.6 億kWh。

2 研究背景

塔式太陽能熱發電技術是大型太陽能熱發電中最為經濟的發電形式。由于我國在太陽能熱發電領域的相關研究起步較晚，目前尚未有對定日鏡支架加工制作進行研究的著作文獻，因此本文將對液壓驅動型定日鏡支架加工制作進行研究，以期達到拋磚引玉，為后續國內光熱項目定日鏡支架加工提供理論支持和經驗參考。

定日鏡支架全天候暴露在惡劣的自然環境下，經受大風、紫外線、雨雪等的考驗，還要持續保持高精度和穩定性，要滿足如此苛刻的使用要求，需要加工制作打破常規，另辟蹊徑。有些人認為定日鏡支架是光熱電站中無足輕重的部件，與光伏支架混為一談，但事實并非如此。兩者主要區別如下。

1）技術成熟程度 常規的光伏支架結構固定，加工制作簡單，技術成熟；定日鏡支架結構形式復雜，需要與機電液一體化配合，國內技術尚不成熟。

2）使用方向 光伏支架一般用規模小、安裝分散；定日鏡支架規模大、安裝集中。

3）投資成本 定日鏡支架投資成本遠高于光伏支架。

4）建設條件 定日鏡支架對建設條件要求較高，需要配備專業的組裝車間，光伏支架對建設條件要求較低。

通過分析定日鏡支架結構件加工制作的整個過程，研究定日鏡各組成部件的加工工法，實現對高精度大型定日鏡支架結構制作從無到有，從有到優的加工難度及制作成本轉變過程，從而推動太陽能光熱發電產業鏈的發展，使得大型定日鏡支架加工制作技術可以得到更加成熟、廣泛的應用。

3 定日鏡支架組成

定日鏡支架結構由鏡框、桁架、扭矩管、立柱、回轉執行機構5 大部分構成（圖1）。

整個定日鏡支架主部件為5.29m 立柱和11.6m 長扭矩管，二者通過1 個裝有特殊軸承的液壓回轉支撐部件連接到一起。通過對液壓裝置的控制，實現定日鏡的定向。

2 個安裝在回轉支撐部件上的液壓缸與連接立柱的支架連接，實現定日鏡平面方位角調整功能。另一個安裝在回轉支撐部件上的液壓缸與扭矩管連接，實現定日鏡立面方位角調整功能。

鏡面通過方管桁架將外力載荷傳遞到定日鏡支架結構上。有6 個桁架以立柱平面為中心對稱布置于扭矩管兩側；另外32 個鏡面框架（4 列8行）連接到桁架上，每個框架通過35 個可調節不銹鋼托架通過硅膠與2 片鏡面相連。

4 過程難點分析

4.1 立柱

法蘭孔與圓管中心線要求同心度1mm、垂直度1.5mm，上法蘭平面度0.5mm，下法蘭平面度1mm，采用常規做法無法滿足設計要求，通過機加工才能實現，成本較高（圖2）。

圖2 立柱細部圖

4.2 橫梁

與液壓執行機構連接部位配合精度較高，同心度0.1mm，位置度0.5mm，由于外形尺寸較大，鉚焊完機加工需采用大型龍門數控鏜銑床，成本極高（圖3）。

圖3 橫梁細部圖

4.3 桁架

所有桿件壁厚薄（1.5/2mm），焊接變形量大，加工數量大。桁架與鏡框連接部位，孔距間要求精度小于1mm（圖4）。

圖4 桁架細部圖

4.4 架轉動裝置部件

不同平面大孔要求同心度0.5mm、平行度0.5mm，位置度0.5mm，孔徑偏差0.03mm，機加工工作量大、要求高，需要制作專用工裝。其中，對于回轉軸承要求使用年限25 年，極限使用環境溫度-33.6℃。本項目存在大型高精密軸承，0mm 游隙，2 個孔位置精度0.05mm，要求精度高，國內外只有少數廠家具備加工能力，加工周期長，采購成本高（圖5）。

圖5 回轉部件細部圖

4.5 鏡框

框架壁厚薄（1.2/1.5mm），焊接變形量大，構件數量大。鏡框安裝孔位置公差0.5mm（圖6）。

圖6 鏡面框架

5 制造難點攻克及創新

針對立柱、橫梁、桁架、轉動部件、鏡框等加工結構特點，設計專用工裝，以提高加工制作準確性及效率。引入數字建模模擬加工過程，節約試制時間，降低試制成本，實現試制一次成功。通過不斷試驗，調整各部件的焊接順序，最終焊接完成后達到圖紙設計公差要求，達到批量化生產要求。除采用工裝外，對各部件進行拆解，復雜結構利用模塊化預組裝原理，控制焊接變形，消除累積變形。

1）立柱工裝 立柱根據設計圖要求，需要對端部法蘭進行機加工，工作量大，加工周期長，成本高。為解決此問題，通過設計工裝、采取焊接變形等控制措施，經試制樣件檢驗，在不進行端面機加工的前提下，最終滿足上述公差要求（圖7、圖8）。

圖7 立柱工裝建模

圖8 立柱工裝實物

2）橫梁組裝 通過基準轉換原理，將精基準從工件轉移到工裝上，使原本需要大型龍門銑床加工的扭矩管，能夠使用小型鏜床預加工到位，然后通過裝配工裝實現基準精準定位，成功解決加工難題（圖9、圖10）。

圖9 橫梁組裝胎架建模 圖10 橫梁組裝胎架實物

3）回轉體組裝 通過試制采用裝配工裝實現基準精準定位，采用模塊化組裝原理，將累積誤差一一化解，控制了焊接變形，成功解決整體加工精度問題（圖11、圖12）。

圖11 回轉體組裝胎架建模 圖12 回轉部件實物

4）桁架組件 桁架組件數量大，使用專用機床沖剪開孔一次成型，焊接采用焊接機器人，以滿足大批量合格供貨要求。通過方案設計，大幅減少了工序，降低了累積誤差，提高了加工效率（圖13）。

圖13 焊接機器人和變位機示意圖

5）鏡框組件 鏡框組件數量大，精度要求高，批量生產采用焊接機器人焊接，工裝采用自動變位機，提高工作效率，滿足加工要求。鏡面托架圓板采用開模沖孔成型，圓桿采用冷鐓成型，焊接采用栓釘焊。質量及效率完全滿足項目進度需要（圖14）。

圖14 鏡框變位機

6 成果分析

1）經濟效益 通過創新優化，在各加工工序降低了定日鏡加工制作成本，整個項目預計共節約成本超過1 000 萬元，但項目運行過程中仍需將人工費、材料費、運輸費進行綜合考量，尤其加工廠到現場之間的運輸成本也非常關鍵，需仔細斟酌后選定最優方案實施。

2）工期分析 由于定日鏡支架需要在現場進行組裝安裝，各組件部件數量龐大，部分精密部件加工周期長，現場組裝需要配套供貨，對生產廠造成的供貨壓力巨大。通過新工法的引入，大大提高了加工制作效率，各環節綜合考慮，根據安裝需求調整生產流水線各工裝機具配比，以滿足現場大批量配套供貨需求。

3）可行性分析 目前制約大型定日鏡支架加工制作主要有以下3 個因素：①定日鏡支架零部件加工的精度控制與最終組裝的精度控制；②焊接與鍍鋅熱變形問題；③規模化生產效率和良品率的控制。本文通過新工法的研究試用，已經較大程度實現了對上述3 個問題的控制，使大型定日鏡短期批量合格加工制作成為現實。

4）質量分析 在進行新工法的研究同時，引入了嚴格的品控管理制度，為各環節各工序制定專用檢驗記錄文件，做到所有設計參數均有據可查，實行閉環控制，消除質量隱患，以滿足定日鏡支架高精密度加工制作要求。

7 結語

通過對本項目定日鏡支架整體加工制造工藝的研究，總結了國內最大鏡面支架加工制作方案的合理性、經濟性、可行性，為后續項目運行及其他項目成本工期控制提供了理論及實踐依據，打通了國內塔式光熱產業鏈條上重要的一環。