風機主吊機械選型研究

時鍇欣,覃龍森,符 瑾

(中國安能集團第一工程局有限公司南寧分公司,南寧 532100)

風力發電是新型發電項目,具有安全、清潔、高效等優勢,在諸多領域得到了廣泛的應用。在進行風力發電機組建設時,要積極做好塔筒吊裝機械選型,結合實際情況,滿足不同環境的使用要求[1]。

風能是可再生能源,具有較高的清潔性、安全性、經濟性等特點,合理利用風能資源對于促進清潔能源發展具有重要的意義。相比于傳統的煤炭發電,風力發電的優勢主要體現在以下幾個方面:①風能可以無限循環利用且風力發電建設周期短,發電安全性、可靠性較高,具有無公害、無噪聲的特點,適用于大多數場所。②可就地進行發電、供電,不會產生資源損耗,生成的電能資源質量高,發電環節具有高效性[2]。大力發展風力發電是大勢所趨。

1 風力發電機組選型的影響因素

風力發電機組選型主要有以下影響因素:①風資源水平。根據年平均風速、湍流強度等因素,將風力發電機組分為4個不同等級。開展機組選型時,要結合現場風況,合理設定安全等級。②氣候狀況。風電場溫度條件對于機組選型有著重要影響,要結合現場情況,合理選定高溫型、常溫型及低溫型機組。在沿海地區應考慮防腐、絕緣性能等。③交通狀況。塔筒主吊機械設備較大,種類復雜,選型要考察風電場周邊道路條件,對葉片、塔筒及機艙等組件的運輸條件做出研判,確保各類設備可以安全運抵風場。④單機容量。從經濟效益角度出發,選用一些單機容量較大的機型,所選機型宜采用變槳變速技術,減少風力發電機組數量,減少土地使用面積,降低吊裝次數,提升發電量及經濟效益。大型機組大多使用較高的輸出電壓,這樣可以適當降低線損、電纜造價、運行成本,提高項目收益。⑤價格。風力發電機組價格較高,包含一定的基礎費用,故選型需考慮價格及配套設備費用。⑥機組選型過程中還要考慮售后服務問題,優選信譽好、售后服務效率高的企業。

機型比選要考察交通運輸條件,對現場安裝條件、風資源水平進行分析,確定合理的風電場規劃容量及單機容量參數。結合當地氣候條件明確幾種備選機型。利用WAsP及Windfarmer等專業軟件對備選機型進行初步布置,對理論發電量等參數進行計算。對不同種類的備選機型、配套費用進行投資估算。針對風力發電機組的價格問題,使用最新發布的招標價格開展計算。對不同類型的備選機型機組進行計算,尤其是要對風輪單位面積性價比進行詳細計算,根據不同機型的特征參數、控制方式等做好技術性及經濟性對比,確定合適的機型[2]。

2 風力發電機組分類及特點

可以將風電機組分為以下3種。

2.1 普通異步發電機組

該類發電機組結構如圖1所示,由于異步發電機轉差絕對值控制在2%～5%,故轉速只允許在很小的范圍內變化。其最大優勢是結構簡單,發電效率高,維修成本低,具有耐用、穩定性好等優勢。但此類機組轉速基本恒定,不能抑制功率波動等問題,對于電網電能質量有不利影響。

圖1 普通異步發電機組結構Fig.1 Structure of common asynchronous generator set

2.2 雙饋感應發電機組

該類機組定子繞組直接與電網相連,主要借助集電環、變流器與電網進行連接,具體結構如圖2所示?？梢钥闯?變流器可對轉子電流頻率、幅值及相位參數進行調節,發揮變速恒頻技術的作用。目前,雙饋異步發電機組有著較為廣泛的應用,其優勢主要體現為能量的雙向流動,可實現有功、無功控制,跟蹤風速變化,實現最大風能的捕獲、追蹤及控制。

圖2 雙饋感應發電機組結構Fig.2 Doubly-fed induction generator set structure

2.3 直驅永磁同步發電機組

此類發電機組結構如圖3所示,其運行過程相對可靠、穩定,對于電網波動有著良好的適應性。由于采用多級永磁交流發電機,可省去齒輪箱,通過葉片轉動軸直接驅動。發電機定子利用變頻器及電網進行連接,利用變頻器實現全功率變換。

圖3 直驅永磁同步發電機組結構Fig.3 Structure of direct drive permanent magnet synchronous generator set

上述發電機組的使用場景及優缺點各不相同。普通異步發電機組的葉片安裝好后就不能隨意轉動,主要通過葉片失速進行輸出功率的調節,額定風速相對較高,屬于典型的非主流機型。此類機組故障率較低,風輪轉換效率較低,葉片結構較為復雜,重量大,制造過程相對困難。雙饋感應發電機組利用變槳距技術,可有效解決風能轉換存在的低效率問題[3]。3個葉片可根據風速大小轉動,使風對葉片的攻角始終保持最佳角度,提高風輪轉換效率。該類機組的并網過程較為簡單,無沖擊電流問題,可實現功率因數的有效調節,大大提升電能輸出質量,性價比較高,在風電行業中有著廣泛應用,屬于主流機型之一。但此類機型的變槳機構、控制系統較為復雜,導致故障率大大增加。直驅永磁同步發電機組是近幾年來發展速度較快的機型之一,目前技術相對成熟,是未來風電事業發展的重要方向。此類機組采用永磁型發電機,沒有齒輪箱,降低了機械傳動損耗,受風速限制較小,發電效率大大提升。但此類機組電控要求高,運輸成本與難度偏大,尤其是永磁體成本逐年攀升。

3 主吊機械選型研究

針對風力發電機組的運輸及安裝,應對機組容積、重量等因素進行綜合研究。對于風力發電機組主吊機械的選型,以起重機為主進行分析[4]。

3.1 履帶式起重機

履帶式起重機有著良好的承重力,借助底部的履帶裝置,可實現前行、攀爬等操作,具有較高的靈活度及穩定性。常用的履帶式起重機主要有兩種類型,即桁架臂履帶式起重機和箱型臂履帶式起重機。桁架臂履帶式起重機應用廣泛,安全系數高,實用性較好,租賃價格便宜,在風力發電機組吊裝中使用廣泛。風機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的專業性較強,移動較為靈活,能夠在較狹窄的路面環境中轉移,但使用范圍較小,實際應用型號較少。

3.2 全路面起重機

在風力發電主吊機械中,全路面起重機有著一定的應用。相比于履帶式起重機,全路面起重機需安裝在特定的底盤結構上,自重較輕,有著良好的操作性,能夠實現全輪轉向及360°全方位吊裝。目前使用的全路面起重機分為兩種類型,即桁架臂全路面起重機和箱型臂全路面起重機。桁架臂全路面起重機與履帶式起重機有著相似之處,其靈活性、機動性較好,但由于受到設備生產等因素的限制,此類起重機僅適用于特定類型的風機吊裝,局限性較強[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,應用廣泛,具有良好的移動性、靈活性、機動性。在風機組裝施工中主要應用的型號有500 t級、800 t級及1200 t級,應用較多。

3.3 其他起重機

在開展風電機組吊裝時還會用到一些其他型號的起重機設備,如馬尼托瓦克GTK1100起重機、三一SSC1020起重機等。馬尼托瓦克GTK1100起重機具有良好的性能,伸縮臂高度達140 m。但其應用范圍有一定的局限性,使用率較低。三一SSC1020起重機的專業性、技術性較強,主要應用于風電機組的機械設備吊裝中,兼具履帶式起重機與全路面起重機的優點,操作、移動、安裝快速。隨著我國風力發電事業的發展,機組吊裝設備發展迅速,吊裝設備的高度、容量等參數不斷提升。目前,156 m、162 m高的風機越來越多,主吊機械選型需考慮實際吊裝需求,避免對機組安裝效率及質量造成不利影響。

4 結束語

清潔能源是能源領域未來發展的重要方向,為緩解我國能源緊缺問題,應加強對風力發電機組的研究,積極做好主吊機械的選型,結合實際情況與需求,選擇效率高、適用性強、安全性高的設備,促進風電事業的長遠發展。