沃仲磊，劉日新，王 進(jìn)，袁 煒，張艷峰，訾 恒

(華潤新能源控股有限公司，深圳廣東 518001)

0 引言

自2012年12月末至2013年2月，中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會對“2012年中國風(fēng)電裝機(jī)情況”進(jìn)行了調(diào)研，調(diào)研結(jié)果顯示截止2012年底，我國(未含臺灣地區(qū))累計安裝風(fēng)電機(jī)組為53764臺。據(jù)不完全統(tǒng)計其中750 kW風(fēng)電機(jī)組近5000臺，這些機(jī)組運(yùn)行時間基本都在2年以上且裝機(jī)區(qū)域多為二類以上等優(yōu)質(zhì)風(fēng)資源區(qū)。此型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率是通過葉片的氣流分離特性控制的，對機(jī)組的超額運(yùn)行控制不精，發(fā)電機(jī)、齒輪箱等大部件損壞較多。華潤新能源控股有限公司目前裝有750 kW機(jī)組246臺，據(jù)統(tǒng)計此型機(jī)組大部件(發(fā)電機(jī))年損壞率為3%。每次機(jī)組更換大部件均采用大型起重設(shè)備，維修費(fèi)用較貴，同時由于大都風(fēng)電場地勢偏僻，交通復(fù)雜，大型起重設(shè)備進(jìn)場困難，造成了維修時期較長，影響了機(jī)組的可利用率及發(fā)電量。經(jīng)過行業(yè)內(nèi)調(diào)研，我們聯(lián)合設(shè)計單位共同開發(fā)了一種新型起吊裝置，該裝置依靠風(fēng)電機(jī)組自身的塔筒高度資源，借助于風(fēng)機(jī)內(nèi)輔助設(shè)備把裝置提升至塔筒合理高度后抱緊塔筒，通過自身門架起吊裝置來達(dá)到更換機(jī)艙內(nèi)大部件的目的。

1 新型起吊檢修裝置介紹

新型起吊檢修裝置主要由抱塔裝置，變幅油缸，輔助提升裝置，裝置平臺等主要部件組成。如下圖所示:

圖1 整機(jī)裝置

圖2 裝置平臺

新型起吊檢修裝置工作過程:風(fēng)電維修檢測裝置隨運(yùn)輸車到達(dá)需要維修的風(fēng)機(jī)下，利用運(yùn)輸車上隨車起重機(jī)進(jìn)行組裝。風(fēng)機(jī)內(nèi)自帶電動葫蘆將輔助裝置提升到機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行安裝。輔助裝置安裝完成后，將柔繩掛在輔助裝置上的滑輪槽內(nèi)，柔繩一端繩頭與地面機(jī)組提升卷揚(yáng)上的鋼絲繩連接后，拉動另一端柔繩繩頭完成鋼絲繩穿繩。穿繩完成后，鋼絲繩繩頭固定在地面機(jī)組上。爬升前，抱塔油缸動作，抱塔裝置打開，導(dǎo)向輪油缸動作伸出導(dǎo)向輪。提升卷揚(yáng)轉(zhuǎn)動，導(dǎo)向輪貼著塔筒，機(jī)組向上爬升。

圖3 抱塔裝置(1)

圖4 抱塔裝置(2)

機(jī)組爬升到工作高度后，抱塔裝置上導(dǎo)向輪油缸先動作，收回導(dǎo)向輪，然后抱塔油缸動作，抱塔機(jī)構(gòu)環(huán)形抱住塔筒。接著預(yù)緊力油缸動作，抱塔機(jī)構(gòu)緊緊地抱住塔筒，機(jī)械保護(hù)裝置掛鉤掛住銷軸。提升卷揚(yáng)稍微反轉(zhuǎn)些，使提升鋼絲繩不再受力。至此，完成吊載前抱塔工作。

抱塔工作完成后，通過變幅油缸伸縮，實(shí)現(xiàn)門架變幅。到達(dá)指定變幅角度后，門架停止變幅，機(jī)罩開始下放至地面(反之則為機(jī)罩的安裝過程，電機(jī)的拆換與機(jī)罩相同)。吊裝工作流程如下圖所示:

圖5 吊裝過程(1)

圖6 吊裝過程(2)

2 裝置關(guān)鍵部分安全系數(shù)

2.1 機(jī)艙內(nèi)的輔助裝置固定螺栓受力分析

其中輔助裝置一選用是風(fēng)機(jī)裝置自帶的螺栓M30*100，8.8級，高強(qiáng)螺栓校核如圖下:

圖7 輔助裝置固定螺栓受力分析圖

最小的緊固力矩Fkerf

彈性柔度δs

位移總用力損耗

最小安裝預(yù)緊力FMmin

最大安裝預(yù)緊力FMmax

安裝載荷，校核螺栓尺寸

表面壓力pMmax

材料Q345D的許用接觸面壓力pMmax=1090 MPa

防止滑動的安全系數(shù)SG

2.2 塔筒分析

抱塔機(jī)構(gòu)上設(shè)計有橡膠墊，橡膠墊曲率與抱塔位置處塔架曲率一致，抱塔裝置抱住塔筒，施加預(yù)緊力后，起重過程中傾覆彎矩通過一對力偶的形式傳遞給塔筒，起作用在塔筒上表現(xiàn)為抱塔圓環(huán)處對塔筒增加橫向力。

塔筒受力如下:

整機(jī)(包括被起吊電機(jī))的重量G3和由其產(chǎn)生的附加彎矩M3;

風(fēng)電機(jī)艙自重G2及附加彎矩M2，風(fēng)電葉片自重G1及附加彎矩M1;

上下抱塔裝置預(yù)緊力F1。

有限元計算以JF750.60－6.000(60 m兩段)Ⅱ類塔筒尺寸建立有限元模型，用shell63單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸100 mm。風(fēng)電塔筒有限元模型約束加載，塔筒有限元模型局部加載如圖:

圖8 塔筒有限元模型局部加載圖

按實(shí)際受力工況，對有限元模型進(jìn)行模擬加載:

圖9 塔筒有限元計算整體應(yīng)變云圖a

圖9 塔筒有限元計算局部應(yīng)變云圖b

表1 抱塔環(huán)處塔筒最大應(yīng)節(jié)點(diǎn)變形量

塔筒強(qiáng)度及剛度:最大應(yīng)力70.137 MPa，發(fā)生在下抱塔裝置底部;整體最大應(yīng)變30.273 mm，發(fā)生在塔筒頂端處。預(yù)緊力對塔筒最大擠壓變形=18.716－18.064=0.752 mm。塔筒的強(qiáng)度，剛度均滿足使用要求。

門架油缸:門架變幅需要經(jīng)歷從壓到拉的過程，變幅油缸進(jìn)行過充分計算后并與油缸廠家設(shè)計人員確認(rèn)，此種起重形式可以滿足要求。

門架:設(shè)計中起吊重物時的速度為6 m/min，空鉤下放的速度為10 m/min;門架上工裝偏向一邊的設(shè)計，經(jīng)過有限元施加偏載計算，強(qiáng)度與剛度均能滿足要求。

3 裝置控制系統(tǒng)簡介

整機(jī)電氣系統(tǒng)控制通過地面和機(jī)艙兩個遠(yuǎn)程遙控器操作，遙控器上配有顯示屏，整機(jī)操作狀態(tài)可視化。另有專用維修遙控器，方便特殊情況操作，無線遙控器接收器通過CAN總線與控制器通訊，精準(zhǔn)、高效傳輸命令。整機(jī)起升、臂架變幅、輔助起升電液比例控制，根據(jù)負(fù)載調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)，節(jié)能高效。各動作極限位置設(shè)置安全保護(hù)開關(guān)，超過極限位置后限制危險方向動作。整機(jī)工作安全、可靠。

4 新檢修裝置與舊檢修裝置優(yōu)勢

4.1 價格優(yōu)勢

目前市場對于750 kW風(fēng)機(jī)維修檢測普遍采用200噸位的汽車起重機(jī)，該起重機(jī)的價格大概在960萬元/臺，租賃使用10萬元/臺，維修的成本很高;研發(fā)的750 kW風(fēng)機(jī)維修檢測裝置價格約200萬元，租賃費(fèi)用初步估算為4萬元/臺。以下按照使用年5年為基礎(chǔ)，對兩款產(chǎn)品的成本費(fèi)用進(jìn)行分析，分析表如下所示:

表2 兩款產(chǎn)品的成本費(fèi)

4.2 時間優(yōu)勢

目前市場上750 kW機(jī)組基本都屬于較早的一批風(fēng)電機(jī)組，已經(jīng)運(yùn)行數(shù)年，且大部分機(jī)組都安裝在地理偏僻，交通復(fù)雜地帶。最初安裝風(fēng)電設(shè)備所修的路面，有些已經(jīng)開始損壞，如要汽車起重機(jī)進(jìn)入風(fēng)電場作業(yè)，需要對風(fēng)場道路狀況進(jìn)行改善。一般從聯(lián)系吊車出發(fā)至吊裝工作作業(yè)結(jié)束平均需60小時左右(其中吊裝作業(yè)時間約5小時)，一般裝有750機(jī)組的區(qū)域多為風(fēng)資源優(yōu)質(zhì)地段(二類風(fēng)區(qū)及以上)，按照一、二類風(fēng)區(qū)年平均風(fēng)速9 m/s計算，每一臺機(jī)組損失的電量約為21000 kWH，折合成人民幣保守計為1萬元。如果風(fēng)電場配置專用起吊裝置，可以即時便捷的安裝使用，不會再出現(xiàn)大型起重吊車因?yàn)榈缆返仍驅(qū)е逻M(jìn)場緩慢的現(xiàn)象，預(yù)計作業(yè)時間縮短為為12 h(其中包括協(xié)調(diào)發(fā)電機(jī)備件進(jìn)場8 h，起吊裝置作業(yè)4 h)，較起重吊車作業(yè)時間節(jié)省48 h，爭取了16800 kWH的發(fā)電量損失，同時提高了風(fēng)機(jī)的可利用率。

5 結(jié)論

根據(jù)我國目前風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)數(shù)量及風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，損壞的大部件現(xiàn)象將越來越頻繁。同時我國各風(fēng)電場大都建立在交通偏僻，地形復(fù)雜等地帶，而依靠傳統(tǒng)大型起重吊車進(jìn)場作業(yè)更換大部件，一方面大型起重吊車進(jìn)場作業(yè)費(fèi)用較高，另一方面由于道路情況的復(fù)雜嚴(yán)重影響了機(jī)組的及時修復(fù)，不僅降低了風(fēng)機(jī)的可利用率，更對發(fā)電廠商的發(fā)電量也造成了一定的損失。如果選用新型的風(fēng)機(jī)起吊裝置，可以方便即刻的進(jìn)場安裝使用，快速恢復(fù)機(jī)組，不僅縮短了機(jī)組維修時間，保證了風(fēng)機(jī)的可利用率及發(fā)電量，更重要的是與傳統(tǒng)大型起重吊車相比更遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低了維修費(fèi)用。相信在不久的將來風(fēng)力發(fā)電新型專用起吊檢修裝置的使用將越來越普遍。

［1］ 中國風(fēng)能協(xié)會.2012年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計［J］.風(fēng)能，2013，(3):44 －55.

［2］ 徐灝.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001，第二版.

［3］ 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.GB50017－2002.

［4］ 起重機(jī)設(shè)計規(guī)范.GB3811－83.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1984.

［5］ 張相庭.工程結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷理論和抗風(fēng)計算手冊［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1990.