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玻璃鋼屋頂風機_風電機組優(yōu)化設計與風電場優(yōu)化配置 模具設計的幾

1. 引言

在國家支持可再生能源發(fā)展和積極研發(fā)重大裝備等政策的推動下，截至2011年底，我國已成為風電裝機容量世界第一的風電大國。風電裝備制造業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)體系已逐步形成。然而，與之相伴的是風電裝備制造領域的突出矛盾和問題也逐漸顯現(xiàn)，如設備制造低水平重復建設嚴重，產(chǎn)能過剩;基礎研究薄弱，風電機組核心技術主要依靠國外引進;風電場開發(fā)與運行效率低，風電資源浪費嚴重，風電裝機容量與電網(wǎng)接納能力不相匹配等。

尤其在風機設計與風電場開發(fā)建設過程中，風電行業(yè)長期存在兩大誤區(qū)：第一，將風場等級與風輪直徑簡單對應，風場等級越低，風輪直徑越大;第二，按照風電場核準容量和風機額定功率簡單相除以確定裝機數(shù)量。這兩大誤區(qū)是導致我國風電設備設計水平低下、風電場低水平開發(fā)、低效率運行的重要原因。

鑒于此，本文提出打破以風場等級劃分風機類別的舊有觀念，提出面向發(fā)電能力最優(yōu)、優(yōu)化并統(tǒng)一各風場等級風輪直徑的風機設計理念;通過風電場裝機數(shù)量與配套電力設施的優(yōu)化配置，實現(xiàn)風電場最佳投資收益，大幅提高電網(wǎng)投資收益，借以加快推進風機核心技術的自主研發(fā)與創(chuàng)新，提高我國風電場規(guī)劃建設的科學性和經(jīng)濟性，促進風電裝備產(chǎn)業(yè)和風能開發(fā)利用的良性健康發(fā)展。

2. 我國風電資源稀缺性及當前開發(fā)模式對風電資源造成的巨大浪費

目前，我國風電開發(fā)采取的是電力公司圈定風場、測風地勘、政府審批、設備招標、電力安裝、調(diào)試并網(wǎng)、運行維護的開發(fā)流程。其中，獲取風電資源是風電開發(fā)最為艱難也是最為重要的環(huán)節(jié)。所謂風電資源，是由風場資源、電網(wǎng)資源和政府審批額度三個要素共同組成的。開發(fā)建設風電場，首先要有風能富集、適宜開發(fā)的風場資源，這需要得到地方政府的支持與批準，其次需要有良好的電力輸出條件，也就是并網(wǎng)條件，這需要電網(wǎng)公司的并網(wǎng)許可。

既是資源，就會因其存量有限和開發(fā)利用而最終變得稀缺。風場資源成為電力公司競相角逐的第一要素;受電網(wǎng)建設滯后的制約，風電并網(wǎng)成為開發(fā)瓶頸;此外，國家對于風電場建設的審批愈加嚴格、規(guī)模不斷壓縮。為獲得電網(wǎng)公司的上網(wǎng)許可和政府的審批額度，投資風電的電力企業(yè)都需要通過層層審批，方能獲得最終開發(fā)許可。風場資源、電網(wǎng)資源和政府審批額度三個要素在當前中國的現(xiàn)實條件下，都屬于稀缺資源，為獲批一個風電場建設項目，各家風電投資公司都必須耗費巨大的人力、物力和財力，搶奪日漸稀少、愈發(fā)昂貴的風電資源。

然而，在我國當前風電發(fā)展現(xiàn)狀下，風電主機廠家設計水平低下，核心技術依賴國外引進，整機主要設計參數(shù)未經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)化，致使風電場運行風機的發(fā)電能力遠低于預期;另一方面，由于風電場風機數(shù)量與配套電力設施配置不合理，升壓站等電力設施長期處于低效率運行。因此，作為風電開發(fā)主體的電力公司經(jīng)過千辛萬苦獲得的風電資源，并未獲得預期的投資回報，卻造成了風場資源、風電場投資、以及電網(wǎng)建設等自然和社會資源的巨大浪費。

2.1 風場資源的浪費

風機的性能和品質(zhì)直接決定了風能資源的開發(fā)效率。有限的風能資源富集區(qū)被未經(jīng)優(yōu)化設計、低品質(zhì)的風機占據(jù)，造成風電場發(fā)電能力不足，故障頻發(fā)，運行效率低下。

以酒泉玉門昌馬20萬kW風電場為例，該風場輪轂高度年平均風速7.89m/s,選用134臺1.5MW機型，風輪直徑77m。若選用經(jīng)過優(yōu)化設計的風輪直徑87m或100m機型，則風場理論發(fā)電收益將提升27.7%和51.8%，扣除設備采購、塔筒、基礎等風場建設成本的增加值，優(yōu)化后風場可分別增加理論凈收益約12億元和23億元(如表1所示)。

表1 酒泉玉門昌馬風電場現(xiàn)有機型與優(yōu)化機型的理論發(fā)電能力與發(fā)電收益對比

表格

由此可見，當前已建成的風電場實際上并未充分發(fā)揮其發(fā)電潛能，對于稀缺的風場資源造成了極大的浪費。

2.2 風電場投資的浪費

目前我國陸上風電場建設成本在7000～9000元/kW，其中風機設備(含塔筒)成本占65～75%，其余各項成本比例如圖1所示;歐洲已建成海上風電建設成本約1.7～2.1萬元/kW，其中風機設備(含塔筒)占30～35%，成本比例如圖2所示;而我國海上風電開發(fā)尚處于探索階段，基礎施工和風機安裝缺乏經(jīng)驗和成熟的配套設備，建設成本遠高于歐洲。以5萬kW裝機容量的風電場為例，陸上的建設成本約4.25～4.5億元，建在海上則需8.5～10.5億元，投資巨大。

而當前風場運行的風機發(fā)電能力嚴重不足，甚至遠低于設計預期，電力公司無法獲得預期的發(fā)電收益，導致大部分風電運營商長期處于虧損或薄利經(jīng)營中，巨額投資無法獲得預期收益，造成國家資金投入的巨大浪費。

2.3 電網(wǎng)建設的浪費

與世界上其它國家相比，我國的風電產(chǎn)業(yè)具有風電場規(guī)模大、輸送距離遠、電壓等級高等特點。建設大基地、接入大電網(wǎng)已經(jīng)成為我國風電開發(fā)的主要模式，這與國外風電場多接入配電網(wǎng)或地區(qū)電網(wǎng)的情況差別很大。風電出力存在波動性和間歇性，由此帶來的調(diào)峰問題均由電網(wǎng)公司負責解決，因此電網(wǎng)公司必須投入大筆資金對于現(xiàn)有電網(wǎng)進行大規(guī)模升級改造，以提升在風電并網(wǎng)比例持續(xù)增長的背景下電網(wǎng)抗功率波動的能力，防止風電大規(guī)模脫網(wǎng)事故的發(fā)生。

然而，當前運行的風機發(fā)電性能未經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)化，發(fā)電出力不足，風電場風機與配套電力設施配置不相匹配，長期低效運行，導致電網(wǎng)建設與升級改造的大筆投資并未實現(xiàn)預期的社會和經(jīng)濟效益，同樣造成了巨大的資源浪費。 

3. 統(tǒng)一各風場等級風輪直徑的風機優(yōu)化設計

3.1 風機設計的誤區(qū)：風場等級與風機風輪直徑的簡單對應

在現(xiàn)行的風機設計觀念中,塑料水簾，風場按照年平均風速區(qū)段劃分為Ⅰ～Ⅳ類，同功率的風機按照其應用的風場等級細分為Ⅰ～Ⅳ類機型，各機型的葉片、輪轂、回轉支承、主軸、機艙底架、塔筒等傳動鏈部件因承受的極限和疲勞載荷的差異而在結構尺寸、重量等方面有所區(qū)別。其中最為直觀的差別就是不同風場等級對應不同的葉片長度(即風輪直徑)，主機廠家將風場等級與風輪直徑簡單對應，風場等級越低，葉片越長、風輪直徑越大;但對于同功率、同等級風機具體的葉片長度，各主機廠家卻又各不相同，并無統(tǒng)一的設計規(guī)范。

以1.5MW風機為例，主機制造廠家針對Ⅰ～Ⅳ類風場等級通常需要開發(fā)4款機型，例如，某廠家相應風場等級的風輪直徑分別為70m、77m、82m、87m。這實際上是風機設計理念上的一大誤區(qū)。從風機性能優(yōu)化設計、提高發(fā)電能力的角度，這種將風場等級和風輪直徑簡單對應的僵化思維，大大限制了風機的發(fā)電能力和風電場的發(fā)電收益。

實際上，在保障設計安全和當前技術發(fā)展水平允許的前提下，Ⅰ～Ⅳ類風機都可以將風輪直徑設計為同一量值，例如取100m，則風機理論年發(fā)電量可比原有77m的Ⅱ類風機和82m的Ⅲ類風機分別增加51.8%和33.8%;同時，統(tǒng)一各類等級風輪直徑確保了葉片模具的通用性，減少了模具制造成本，通過葉片材料和內(nèi)部結構的區(qū)別設計來保障同一葉片長度、應用于不同等級風場的葉片運行安全。

3.2 可研報告的誤區(qū)：按照風電場核準容量和風機額定功率簡單確定裝機數(shù)量

通常情況下，電力公司在編制核準容量的風電場建設可研報告的過程中，將該容量與選定機型的額定功率簡單相除，由此確定該風場的裝機數(shù)量。以核準容量5萬kW的風電場為例，如選定額定功率1.5MW機型，則電力公司即選購安裝33臺風機。這是風電開發(fā)公司普遍存在的一大誤區(qū)。

風機額定風速通常在10-13m/s之間，以Ⅲ類風場為例，其全年滿發(fā)時間也僅有10%左右;加之，同一風場數(shù)十臺風機，各機位風速差異較大，且因個別風機例行維護或故障檢修，整個風電場全部風機滿發(fā)、達到核準輸出容量的時間比率將更低。以吉林四平某風場為例，其全年達到5萬kW輸出的時間僅占8.6%。然而，風電場的輸變電纜、升壓設備等一系列配套電力設施是全部按照5萬kW的容量進行設計和配置，也就意味著全年91.4%的時間電力設施并未發(fā)揮其設計能力而長期低效率運行，實則造成了巨大的資源浪費。

3.3統(tǒng)一各風場等級風輪直徑、面向發(fā)電能力最優(yōu)的風機優(yōu)化設計

為追求最優(yōu)發(fā)電能力、最低度電成本，引入通用化設計理念，同功率風機統(tǒng)一風輪直徑，在保證設備安全運行的前提下，最大程度增大風輪直徑，優(yōu)化風機傳動鏈各部件結構，達到發(fā)電能力與度電風機成本的最優(yōu)設計。運用上述理念進行風機系統(tǒng)優(yōu)化設計，具有以下優(yōu)勢：

首先，同功率風機統(tǒng)一各風場等級風輪直徑、合理增大葉片長度的通用化設計，可以最大限度地挖掘風機發(fā)電能力，提高風電場發(fā)電收益和運行效率，從而更加科學、高效地開發(fā)利用有限的風電資源。

其次，風機采用通用化設計理念、優(yōu)化并統(tǒng)一各風場等級風輪直徑，即意味著提高了葉片等整機上游供應鏈的通用性，確保了葉片模具的通用性，降低了模具制造成本。上游供應商將更加專注其部件品質(zhì)，從而整機質(zhì)量和可靠性亦得到大幅提升，推動風電全產(chǎn)業(yè)鏈設計水平和技術實力持續(xù)增強。

4. 風電場系統(tǒng)優(yōu)化配置

由于同一風電場各臺風機同時滿發(fā)時間十分有限，所以風電場配套電力設施絕大部分時間處于非滿負荷運行狀態(tài)。為實現(xiàn)風電場風機與電力設施的科學配置，必須打破將核準容量與選定機型的額定功率簡單相除、以確定裝機數(shù)量的僵化思維，在風機發(fā)電能力優(yōu)化設計的基礎上，以預期最低度電成本為優(yōu)化目標，以單機容量和裝機數(shù)量為變量，建立風電場系統(tǒng)優(yōu)化配置模型：

式中，U——風電場度電成本函數(shù)

x——單機容量

y——裝機數(shù)量

W1——風電場建設成本函數(shù)

W2——風電場運行維護成本函數(shù)

E——風電場預期發(fā)電量函數(shù)

以核準容量5萬kW陸上風電場、單機容量1.5MW機型為例，在保證風場最大輸出功率5萬kW的前提下，裝機數(shù)量可多于33臺，以實現(xiàn)增加發(fā)電收益、降低度電成本的目的。當風速接近或超過風機額定風速時，可限制單機輸出功率或?qū)⒉糠诛L機停機，使風電場輸出功率限制在5萬kW;當風速小于額定風速時，通過中央監(jiān)控室調(diào)度各臺風機運行，使風電場最大限度發(fā)揮其發(fā)電能力，提高發(fā)電收益。由于風電場配套電力設施全部按照5萬kW容量設計，上述兩種工況下電力設施都滿足風電場運行要求，且大幅提高了其使用效率;特別指出，以Ⅲ類風電場為例，超過90%的時間都運行在第二種非滿發(fā)工況。

相比陸上風電場，由于海上風電場的電力安裝、電纜敷設等項成本增加迅猛(如圖1-2所示)，而相同功率的海上風機與陸上風機成本接近、在總建設成本中的占比大幅降低，因此，海上風電場增加風機數(shù)量可以在增加建設投入比例較小的前提下，取得更大的投資收益效率。分別將陸上和海上某1.5MW機型功率曲線、某Ⅲ類風場風頻曲線、建設運維成本等參數(shù)代入式(1)模型，可得如圖3和圖4所示陸上和海上5萬kW風電場預期度電成本與裝機數(shù)量關系曲線。由圖可知，對于核準容量的風電場，適量增加裝機數(shù)量，可使風電場在低風速時段的發(fā)電出力大幅增加;優(yōu)化配置后，雖然增加風機數(shù)量需要增大相應采購、吊裝、運維等項投入，但風場20年預期發(fā)電收益增加約8000萬～12800萬元，完全抵扣上述建設成本增加值，風電場升壓站等配套電力設施的使用效率也大大提高，最終度電成本比傳統(tǒng)33臺配置方式降低了約3～5%，海上風電度電成本降幅尤其明顯，從而實現(xiàn)風電場開發(fā)的最佳投資收益。

圖3 陸上5萬kW風電場預期度電成本與裝機數(shù)量關系曲線

圖4 海上5萬kW風電場預期度電成本與裝機數(shù)量關系曲線

5.小結

針對當前風電機組設計與風電場開發(fā)建設過程中將風場等級與風輪直徑、核準容量與裝機數(shù)量簡單對應的兩大誤區(qū)，本文提出了面向發(fā)電能力最優(yōu)、優(yōu)化并統(tǒng)一各風場等級風輪直徑的風機設計理念，建立了基于最優(yōu)度電成本的風電場裝機配置模型，可實現(xiàn)風電場最佳投資收益，對于系統(tǒng)、科學、高效地開發(fā)我國風電資源具有重要的指導意義。

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第一步工作：對所設計模具之產(chǎn)品進行可行性分析，以電腦機箱為例，首先將各組件產(chǎn)品圖紙利用設計軟件進行組立分析，即我們工作中所說的套圖，確保在模具設計之前各產(chǎn)品圖紙的正確性，另一方面可以熟悉各組件在整個機箱中的重要性，以確定重點尺寸，這樣在模具設計中很有好處的，具體的套圖方法這里就不做詳細的介紹了。
    第二步：在產(chǎn)品分析之后所要進行的工作，對產(chǎn)品進行分析采用什么樣的模具結構，并對產(chǎn)品進行排工序，確定各工序沖工內(nèi)容，并利用設計軟件進行產(chǎn)品展開，在產(chǎn)品展開時一般從后續(xù)工程向前展開，例如一產(chǎn)品需要量五個工序，沖壓完成則在產(chǎn)品展開時從產(chǎn)品圖紙開始到四工程、三工程、二工程、一工程，并展開一個圖形后復制一份再進行前一工程的展開工作，即完成了五工程的產(chǎn)品展開工作，然后進行細致的工作，注意，這一步很重要，同時需特別細心,瓦廠房散熱處理方法，這一步完成的好的話，在繪制模具圖中將節(jié)省很多時間，對每一工程所沖壓的內(nèi)容確定好后，包括在成型模中，產(chǎn)品材料厚度的內(nèi)外線保留，以確定凸凹模尺寸時使用，對于產(chǎn)品展開的方法在這里不再說明，將在產(chǎn)品展開方法中具體介紹。
    第三步：備料，依產(chǎn)品展開圖進行備料，在圖紙中確定模板尺寸，包括各固定板、卸料板、凸凹模、鑲件等，注意直接在產(chǎn)品展開圖中進行備料，這樣對畫模具圖是有很大好處的，我所見到有很多模具設計人員直接對產(chǎn)品展開圖進行手工計算來備料，這種方法效率太低，直接在圖紙上畫出模板規(guī)格尺寸，以組立圖的形式表述，一方面可以完成備料，另一方面在模具各配件的工作中省去很多工作，因為在繪制各組件的工作中只需在備料圖紙中加入定位、銷釘、導柱、螺絲孔即可。
    第四步：在備料完成后即可全面進入模具圖的繪制，在備料圖紙中再制一份出來，進行各組件的繪制，如加入螺絲孔，導柱孔，定位孔等孔位，并且在沖孔模中各種孔需線切割的穿絲孔，在成型模中，上下模的成型間隙，一定不能忘記，所以這些工作完成后一個產(chǎn)品的模具圖差不多已完成了80%，另外在繪制模具圖的過程中需注意：各工序，指制作，如鉗工劃線，線切割等到不同的加工工序都有完整制作好圖層,玻璃鋼屋頂風機，這樣對線切割及圖紙管理有很大的好處，如顏色的區(qū)分等，尺寸的標注也是一個非常重要的工作，同時也是一件最麻煩的工作，因為太浪費時間了。
    第五步：在以上圖紙完成之后，其實還不能發(fā)行圖紙，還需對模具圖紙進行校對，將所有配件組立，對每一塊不同的模具板制作不同的圖層，并以同一基準如導柱孔等到進行模具組立分析，并將各工序產(chǎn)品展開圖套入組立圖中，確保各模板孔位一致以及折彎位置的上下模間隙配合是否正確。
 
經(jīng)過以上的工作，一個產(chǎn)品的模具圖紙才算正式完成，以上是對模具設計中的方向，步驟進行大致的介紹，同時每一位模具設計人員有其自已的方法，不管怎樣，圓滿完成設計工作這外，工作效率也是非常重要的，這里不再多講。


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