玻璃鋼屋頂風機_風電機組優化設計與風電場優化配置 模具設計的幾

1. 引言

在國家支持可再生能源發展和積極研發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。風電裝備制造業發展迅速，產業體系已逐步形成。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，如設備制造低水平重復建設嚴重，產能過剩;基礎研究薄弱，風電機組核心技術主要依靠國外引進;風電場開發與運行效率低，風電資源浪費嚴重，風電裝機容量與電網接納能力不相匹配等。

尤其在風機設計與風電場開發建設過程中，風電行業長期存在兩大誤區：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量。這兩大誤區是導致我國風電設備設計水平低下、風電場低水平開發、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，提出面向發電能力最優、優化并統一各風場等級風輪直徑的風機設計理念;通過風電場裝機數量與配套電力設施的優化配置，實現風電場最佳投資收益，大幅提高電網投資收益，借以加快推進風機核心技術的自主研發與創新，提高我國風電場規劃建設的科學性和經濟性，促進風電裝備產業和風能開發利用的良性健康發展。

2. 我國風電資源稀缺性及當前開發模式對風電資源造成的巨大浪費

目前，我國風電開發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、調試并網、運行維護的開發流程。其中，獲取風電資源是風電開發最為艱難也是最為重要的環節。所謂風電資源，是由風場資源、電網資源和政府審批額度三個要素共同組成的。開發建設風電場，首先要有風能富集、適宜開發的風場資源，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，也就是并網條件，這需要電網公司的并網許可。

既是資源，就會因其存量有限和開發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;受電網建設滯后的制約，風電并網成為開發瓶頸;此外，國家對于風電場建設的審批愈加嚴格、規模不斷壓縮。為獲得電網公司的上網許可和政府的審批額度，投資風電的電力企業都需要通過層層審批，方能獲得最終開發許可。風場資源、電網資源和政府審批額度三個要素在當前中國的現實條件下，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、愈發昂貴的風電資源。

然而，在我國當前風電發展現狀下，風電主機廠家設計水平低下，核心技術依賴國外引進，整機主要設計參數未經系統優化，致使風電場運行風機的發電能力遠低于預期;另一方面，由于風電場風機數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，作為風電開發主體的電力公司經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

風機的性能和品質直接決定了風能資源的開發效率。有限的風能資源富集區被未經優化設計、低品質的風機占據，造成風電場發電能力不足，故障頻發，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。若選用經過優化設計的風輪直徑87m或100m機型，則風場理論發電收益將提升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有機型與優化機型的理論發電能力與發電收益對比

表格

由此可見，當前已建成的風電場實際上并未充分發揮其發電潛能，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尚處于探索階段，基礎施工和風機安裝缺乏經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電收益，導致大部分風電運營商長期處于虧損或薄利經營中，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 電網建設的浪費

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

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

3. 統一各風場等級風輪直徑的風機優化設計

3.1 風機設計的誤區：風場等級與風機風輪直徑的簡單對應

在現行的風機設計觀念中,塑料水簾，風場按照年平均風速區段劃分為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，并無統一的設計規范。

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。從風機性能優化設計、提高發電能力的角度，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電能力和風電場的發電收益。

實際上，在保障設計安全和當前技術發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，通過葉片材料和內部結構的區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：按照風電場核準容量和風機額定功率簡單確定裝機數量

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。這是風電開發公司普遍存在的一大誤區。

風機額定風速通常在10-13m/s之間，以Ⅲ類風場為例，其全年滿發時間也僅有10%左右;加之，同一風場數十臺風機，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、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統一各風場等級風輪直徑、面向發電能力最優的風機優化設計

為追求最優發電能力、最低度電成本，引入通用化設計理念，同功率風機統一風輪直徑，在保證設備安全運行的前提下，最大程度增大風輪直徑，優化風機傳動鏈各部件結構，達到發電能力與度電風機成本的最優設計。運用上述理念進行風機系統優化設計，具有以下優勢：

首先，同功率風機統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電能力，提高風電場發電收益和運行效率，從而更加科學、高效地開發利用有限的風電資源。

其次，風機采用通用化設計理念、優化并統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，從而整機質量和可靠性亦得到大幅提升，推動風電全產業鏈設計水平和技術實力持續增強。

4. 風電場系統優化配置

由于同一風電場各臺風機同時滿發時間十分有限，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。為實現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、以確定裝機數量的僵化思維，在風機發電能力優化設計的基礎上，以預期最低度電成本為優化目標，以單機容量和裝機數量為變量，建立風電場系統優化配置模型：

式中，U——風電場度電成本函數

x——單機容量

y——裝機數量

W1——風電場建設成本函數

W2——風電場運行維護成本函數

E——風電場預期發電量函數

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，裝機數量可多于33臺，以實現增加發電收益、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將部分風機停機，使風電場輸出功率限制在5萬kW;當風速小于額定風速時，通過中央監控室調度各臺風機運行，使風電場最大限度發揮其發電能力，提高發電收益。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，適量增加裝機數量，可使風電場在低風速時段的發電出力大幅增加;優化配置后，雖然增加風機數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，從而實現風電場開發的最佳投資收益。

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量關系曲線

5.小結

針對當前風電機組設計與風電場開發建設過程中將風場等級與風輪直徑、核準容量與裝機數量簡單對應的兩大誤區，本文提出了面向發電能力最優、優化并統一各風場等級風輪直徑的風機設計理念，建立了基于最優度電成本的風電場裝機配置模型，可實現風電場最佳投資收益，對于系統、科學、高效地開發我國風電資源具有重要的指導意義。

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第一步工作：對所設計模具之產品進行可行性分析，以電腦機箱為例，首先將各組件產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：在產品分析之后所要進行的工作，對產品進行分析采用什么樣的模具結構，并對產品進行排工序，確定各工序沖工內容，并利用設計軟件進行產品展開，在產品展開時一般從后續工程向前展開，例如一產品需要量五個工序，沖壓完成則在產品展開時從產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省很多時間，對每一工程所沖壓的內容確定好后，包括在成型模中，產品材料厚度的內外線保留，以確定凸凹模尺寸時使用，對于產品展開的方法在這里不再說明，將在產品展開方法中具體介紹。
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    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。
 
經過以上的工作，一個產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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