风机主吊机械选型研究

2024-01-09时锴欣覃龙森

黑龙江科学 2023年24期

时锴欣,覃龙森,符瑾

(中国安能集团第一工程局有限公司南宁分公司,南宁 532100)

风力发电是新型发电项目,具有安全、清洁、高效等优势,在诸多领域得到了广泛的应用。在进行风力发电机组建设时,要积极做好塔筒吊装机械选型,结合实际情况,满足不同环境的使用要求[1]。

风能是可再生能源,具有较高的清洁性、安全性、经济性等特点,合理利用风能资源对于促进清洁能源发展具有重要的意义。相比于传统的煤炭发电,风力发电的优势主要体现在以下几个方面:①风能可以无限循环利用且风力发电建设周期短,发电安全性、可靠性较高,具有无公害、无噪声的特点,适用于大多数场所。②可就地进行发电、供电,不会产生资源损耗,生成的电能资源质量高,发电环节具有高效性[2]。大力发展风力发电是大势所趋。

1 风力发电机组选型的影响因素

风力发电机组选型主要有以下影响因素:①风资源水平。根据年平均风速、湍流强度等因素,将风力发电机组分为4个不同等级。开展机组选型时,要结合现场风况,合理设定安全等级。②气候状况。风电场温度条件对于机组选型有着重要影响,要结合现场情况,合理选定高温型、常温型及低温型机组。在沿海地区应考虑防腐、绝缘性能等。③交通状况。塔筒主吊机械设备较大,种类复杂,选型要考察风电场周边道路条件,对叶片、塔筒及机舱等组件的运输条件做出研判,确保各类设备可以安全运抵风场。④单机容量。从经济效益角度出发,选用一些单机容量较大的机型,所选机型宜采用变桨变速技术,减少风力发电机组数量,减少土地使用面积,降低吊装次数,提升发电量及经济效益。大型机组大多使用较高的输出电压,这样可以适当降低线损、电缆造价、运行成本,提高项目收益。⑤价格。风力发电机组价格较高,包含一定的基础费用,故选型需考虑价格及配套设备费用。⑥机组选型过程中还要考虑售后服务问题,优选信誉好、售后服务效率高的企业。

机型比选要考察交通运输条件,对现场安装条件、风资源水平进行分析,确定合理的风电场规划容量及单机容量参数。结合当地气候条件明确几种备选机型。利用WAsP及Windfarmer等专业软件对备选机型进行初步布置,对理论发电量等参数进行计算。对不同种类的备选机型、配套费用进行投资估算。针对风力发电机组的价格问题,使用最新发布的招标价格开展计算。对不同类型的备选机型机组进行计算,尤其是要对风轮单位面积性价比进行详细计算,根据不同机型的特征参数、控制方式等做好技术性及经济性对比,确定合适的机型[2]。

2 风力发电机组分类及特点

可以将风电机组分为以下3种。

2.1 普通异步发电机组

该类发电机组结构如图1所示,由于异步发电机转差绝对值控制在2%～5%,故转速只允许在很小的范围内变化。其最大优势是结构简单,发电效率高,维修成本低,具有耐用、稳定性好等优势。但此类机组转速基本恒定,不能抑制功率波动等问题,对于电网电能质量有不利影响。

图1 普通异步发电机组结构Fig.1 Structure of common asynchronous generator set

2.2 双馈感应发电机组

该类机组定子绕组直接与电网相连,主要借助集电环、变流器与电网进行连接,具体结构如图2所示。可以看出,变流器可对转子电流频率、幅值及相位参数进行调节,发挥变速恒频技术的作用。目前,双馈异步发电机组有着较为广泛的应用,其优势主要体现为能量的双向流动,可实现有功、无功控制,跟踪风速变化,实现最大风能的捕获、追踪及控制。

图2 双馈感应发电机组结构Fig.2 Doubly-fed induction generator set structure

2.3 直驱永磁同步发电机组

此类发电机组结构如图3所示,其运行过程相对可靠、稳定,对于电网波动有着良好的适应性。由于采用多级永磁交流发电机,可省去齿轮箱,通过叶片转动轴直接驱动。发电机定子利用变频器及电网进行连接,利用变频器实现全功率变换。

图3 直驱永磁同步发电机组结构Fig.3 Structure of direct drive permanent magnet synchronous generator set

上述发电机组的使用场景及优缺点各不相同。普通异步发电机组的叶片安装好后就不能随意转动,主要通过叶片失速进行输出功率的调节,额定风速相对较高,属于典型的非主流机型。此类机组故障率较低,风轮转换效率较低,叶片结构较为复杂,重量大,制造过程相对困难。双馈感应发电机组利用变桨距技术,可有效解决风能转换存在的低效率问题[3]。3个叶片可根据风速大小转动,使风对叶片的攻角始终保持最佳角度,提高风轮转换效率。该类机组的并网过程较为简单,无冲击电流问题,可实现功率因数的有效调节,大大提升电能输出质量,性价比较高,在风电行业中有着广泛应用,属于主流机型之一。但此类机型的变桨机构、控制系统较为复杂,导致故障率大大增加。直驱永磁同步发电机组是近几年来发展速度较快的机型之一,目前技术相对成熟,是未来风电事业发展的重要方向。此类机组采用永磁型发电机,没有齿轮箱,降低了机械传动损耗,受风速限制较小,发电效率大大提升。但此类机组电控要求高,运输成本与难度偏大,尤其是永磁体成本逐年攀升。

3 主吊机械选型研究

针对风力发电机组的运输及安装,应对机组容积、重量等因素进行综合研究。对于风力发电机组主吊机械的选型,以起重机为主进行分析[4]。

3.1 履带式起重机

履带式起重机有着良好的承重力,借助底部的履带装置,可实现前行、攀爬等操作,具有较高的灵活度及稳定性。常用的履带式起重机主要有两种类型,即桁架臂履带式起重机和箱型臂履带式起重机。桁架臂履带式起重机应用广泛,安全系数高,实用性较好,租赁价格便宜,在风力发电机组吊装中使用广泛。风机吊装中主要使用的型号有400 t级、600 t级、800 t级、1000 t级,但需要确保有足够的支撑力。箱型臂履带式起重机的专业性较强,移动较为灵活,能够在较狭窄的路面环境中转移,但使用范围较小,实际应用型号较少。

3.2 全路面起重机

在风力发电主吊机械中,全路面起重机有着一定的应用。相比于履带式起重机,全路面起重机需安装在特定的底盘结构上,自重较轻,有着良好的操作性,能够实现全轮转向及360°全方位吊装。目前使用的全路面起重机分为两种类型,即桁架臂全路面起重机和箱型臂全路面起重机。桁架臂全路面起重机与履带式起重机有着相似之处,其灵活性、机动性较好,但由于受到设备生产等因素的限制,此类起重机仅适用于特定类型的风机吊装,局限性较强[5]。主要型号包括500 t级、750 t级等。箱型臂全路面起重较为常见,应用广泛,具有良好的移动性、灵活性、机动性。在风机组装施工中主要应用的型号有500 t级、800 t级及1200 t级,应用较多。

3.3 其他起重机

在开展风电机组吊装时还会用到一些其他型号的起重机设备,如马尼托瓦克GTK1100起重机、三一SSC1020起重机等。马尼托瓦克GTK1100起重机具有良好的性能,伸缩臂高度达140 m。但其应用范围有一定的局限性,使用率较低。三一SSC1020起重机的专业性、技术性较强,主要应用于风电机组的机械设备吊装中,兼具履带式起重机与全路面起重机的优点,操作、移动、安装快速。随着我国风力发电事业的发展,机组吊装设备发展迅速,吊装设备的高度、容量等参数不断提升。目前,156 m、162 m高的风机越来越多,主吊机械选型需考虑实际吊装需求,避免对机组安装效率及质量造成不利影响。