论文部分内容阅读
【摘 要】阐述了世界风力发电及设备产业现状，大型化、变速运行、变浆距、直接驱动技术、离岸发电技术等是风力发电设备的发展趋势；介绍了管塔式风机塔架的焊接工艺，控制法兰角变形及平面度是焊接技术的关键。
【关键词】风电设备；发展趋势；管塔式塔架；焊接工艺；变形控制
1.世界各国风电发展现状
地球上的风能资源十分丰富，开发潜力巨大，全球已有不少于70个国家正在利用风能，风力发电是风能的主要利用形式。近年来，风电装机容量增长迅猛。
世界风电装机容量的增长，20世纪80年代主要集中在美国。但从1986年起，美国过早地停止了对发展风电的优惠政策，而90年代初，欧洲一些国家却建立了较全面的支持可再生能源政策，所以，90年代以后，欧洲取得了更快的发展，到2008年底，全球风电累计装机总量已超过12080万kW，欧洲约占65%，中国风电累计装机总量突破1300万kW。从2003年到2008年，中国风电装机容量快速增长：累计装机容量从2003年末的56.7万kW增加到了2008年末的1324.22万kW，增加了22.3倍；年新增装机容量从2003年的9.8万kW增加到了2008年的719.02万kW，增加了72.4倍。
2.世界风电设备产业状况
在风电场造价构成中，风电机组造价通常占60-70%以上，国内甚至有占85%以上的情况。德国的产业数据显示，风电机组本身的成本占陆上风电项目的65%，其余的成本是电气系统设备、地价、基础设备、输电线路建设等。
全球风电设备市场的集中度比较高，前四名厂商份额占70%以上。印度是发展中国家发展风电的典范。2004年印度风力发电装机容量达298.5万kW，位居全球第五，而且建立了风电设备产业，能生产70%的风机零部件及1000kW以上级别的风机整机，风机及部件出口欧美。由于我国国内市场庞大、机械制造业较印度发达，预计我国也将步印度后尘。
2010年后，中国将成为世界上最大的风电市场和风能设备制造中心。中国正逢发风电的大好时机。按“十一五”规划，到2010年，我国风电装机容量将达到500万千瓦，2015年达到1000万kW，2020年达到3000万kW。中国风电市场将越来越大，成为世界最大的风电市场指日可待。
3.世界风电设备技术发展趋势
大型化：目前，世界上兆瓦级的风电机组已具备商业化价值，单机容量可达2～3兆瓦。最大的风电机组是德国repower公司生产的单机容量为5兆瓦的海上风电机组。
变速运行：与恒速运行的风力发电机组相比，变速运行的风机具有发电量大、对风速变化的适应性好、生产成本低、效率高等优点。德国enercon公司是生产变速风电机组最多的公司。
变桨距：定桨距在向变桨距方向发展，变桨距调节的优点是机组起动性能好，输出功率稳定，机组结构受力小，停机方便安全。但其缺点是增加了变桨装置与故障几率，控制程序也比较复杂。
叶片材料：由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。
控制与监控技术不断完善。包括先进控制规律的应用、快速无冲击并网技术、远程监控技术、独立桨叶控制技术、孤立风机或弱电网运行技术以及风电与光伏混合控制技术等。
直接驱动技术：齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪音，同时是造成机械故障的主要原因，而且为了减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。采用无齿轮箱的直驱方式虽然提高了电机的设计成本，但却有效地提高了系统的效率以及运行可靠性。德国enercon公司在开发直驱发电机方面居于世界领先地位，已批量生产1.8兆瓦的直驱发电机组。
离岸风力发电：海上风速大且稳定，利用小时数可达到3000小时以上。同容量装机，海上比陆上成本增加60%，电量增加50%以上。风速较陆上大20%，获得风能增加72%，且塔架不必太高；气流较陆上稳定，机组疲劳载荷小，寿命较陆上长25%；远离陆地，噪音及光影问题小，可自由提高转速；取用地较陆上单纯，不易发生争端，还会引来鱼群栖息；静风期少，每年满负荷小时数较陆上长，有利于增加发电量；未来机组可更大型化，易形成规模经济，缩短回收期。
4.风机塔架焊接技术
并网风电设备主要有叶片、齿轮箱、发电机、偏航系统、控制系统、塔架等。风机叶片材料为玻璃纤维增强树酯、碳纤维，其余部件的原材料主要为钢材。并网型风机的设计寿命一般为20年，塔架高度40m以上，位于塔架顶部的机舱重达几十吨。随着单机容量的不断增大，塔架高度也越来越高，目前最高达70余米，这对塔架的制造焊接提出了更为严格的要求。
4.1塔架结构形式与材料
图1 风电塔筒结构外形
塔架类型主要有桁架式和管塔式两种。桁架式塔架造价低廉，但维护不便。管塔式塔架采用钢板卷制焊接而成，形成上部小下部大的圆锥管，内部装设扶梯直通机舱。管塔式塔架具有结构紧凑、安全可靠、维护方便、外形美观等特点，被广泛采用，其外形如图1所示。筒体板厚由最底部的40mm左右向顶端的12mm左右变化。整个塔架分3～5个大节制造、运输和安装，其中最底节为基础节，其2/3高度埋入钢筋混凝土基础中，其余2～4个大节竖立安装于基础节之上，节间采用法兰组用高强螺栓连接，法兰与筒体及大节内各短管节之间采用对接焊缝连接。
基础节底法兰为Q345D或Q345E钢板拼焊法兰，其余法兰为S355J2G3-Z25或S355NL-Z35钢锻造法兰，筒体材料为Q345D或Q345E。寒冷地区采用Q345E钢板，非寒冷地区多采用Q345D钢板，这2种钢材的焊接性良好。
4.2基础节底法兰焊接工艺
基础节底法兰材质与塔架筒体材料相同，根据直径大小，一般由4～6瓣扇形钢板拼焊而成。焊接施工多采用CO2气体保护药芯焊丝焊接工艺。坡口采用小角度、大间隙、不对称双V形，焊接时先焊接小坡口侧，然后，大坡口侧清根焊接。底法兰焊接时应控制环瓣接缝处的角变形，焊前应通过试验确定两侧坡口的填充量比例。
4.3法兰焊接工艺
制造管塔式塔架的关键问题之一就是控制法兰与筒体焊接后的角变形。法兰与筒体焊接后的角变形要求如图2所示：法兰与筒体焊接后，要求法兰角变形内倾0～1.5（2.0）mm。如何保证法兰与筒体焊接后的角变形控制在要求的范围之内，是影响塔架生产进度和质量的关键性技术问题。
图2 焊后法兰角变形范围示意图
为了保证法兰与筒体焊接后的角变形符合要求，采用单个法兰分别与筒体组装定位焊接成一体，然后把两段配对法兰筒体利用高强度螺栓连接在一起刚性固定，如图3所示，必要时采取反变形。焊接时线焊接内侧，然后外出清根焊接，并适当调整内外两侧焊接线能量的差别。
图3 法兰组焊连接示意图
4.4筒体纵、环缝焊接工艺
塔筒是由宽度2.0～2.5m的定尺钢板卷制焊接而成，纵、环缝的焊接工作量非常大，一套高约60m的塔筒纵环缝约长400m，其焊接效率直接决定合同进度。同时，由于塔架高度高，风机运行过程中，风力和风向是随时改变的，且变化幅度大，塔筒环缝所受载荷为交变载荷，所以必须保证焊接接头的冲击韧性。
5.结语
中国正逢风电发展的大好时机，风电设备市场需求增加。另外，除了风电设备整机需求不断增加之外，叶片、齿轮箱、大型轴承、电控等风电设备零部件的供给能力仍不能完全满足需求，市场增长潜力巨大。进行焊接接头、焊接工艺设计时，必须考虑产品实际情况和企业现有技术条件，尽量使工艺简单适用，具有良好的可操作性，避免过于理想化，这样才能兼顾工程质量、交期及成本。
【关键词】风电设备；发展趋势；管塔式塔架；焊接工艺；变形控制
1.世界各国风电发展现状
地球上的风能资源十分丰富，开发潜力巨大，全球已有不少于70个国家正在利用风能，风力发电是风能的主要利用形式。近年来，风电装机容量增长迅猛。
世界风电装机容量的增长，20世纪80年代主要集中在美国。但从1986年起，美国过早地停止了对发展风电的优惠政策，而90年代初，欧洲一些国家却建立了较全面的支持可再生能源政策，所以，90年代以后，欧洲取得了更快的发展，到2008年底，全球风电累计装机总量已超过12080万kW，欧洲约占65%，中国风电累计装机总量突破1300万kW。从2003年到2008年，中国风电装机容量快速增长：累计装机容量从2003年末的56.7万kW增加到了2008年末的1324.22万kW，增加了22.3倍；年新增装机容量从2003年的9.8万kW增加到了2008年的719.02万kW，增加了72.4倍。
2.世界风电设备产业状况
在风电场造价构成中，风电机组造价通常占60-70%以上，国内甚至有占85%以上的情况。德国的产业数据显示，风电机组本身的成本占陆上风电项目的65%，其余的成本是电气系统设备、地价、基础设备、输电线路建设等。
全球风电设备市场的集中度比较高，前四名厂商份额占70%以上。印度是发展中国家发展风电的典范。2004年印度风力发电装机容量达298.5万kW，位居全球第五，而且建立了风电设备产业，能生产70%的风机零部件及1000kW以上级别的风机整机，风机及部件出口欧美。由于我国国内市场庞大、机械制造业较印度发达，预计我国也将步印度后尘。
2010年后，中国将成为世界上最大的风电市场和风能设备制造中心。中国正逢发风电的大好时机。按“十一五”规划，到2010年，我国风电装机容量将达到500万千瓦，2015年达到1000万kW，2020年达到3000万kW。中国风电市场将越来越大，成为世界最大的风电市场指日可待。
3.世界风电设备技术发展趋势
大型化：目前，世界上兆瓦级的风电机组已具备商业化价值，单机容量可达2～3兆瓦。最大的风电机组是德国repower公司生产的单机容量为5兆瓦的海上风电机组。
变速运行：与恒速运行的风力发电机组相比，变速运行的风机具有发电量大、对风速变化的适应性好、生产成本低、效率高等优点。德国enercon公司是生产变速风电机组最多的公司。
变桨距：定桨距在向变桨距方向发展，变桨距调节的优点是机组起动性能好，输出功率稳定，机组结构受力小，停机方便安全。但其缺点是增加了变桨装置与故障几率，控制程序也比较复杂。
叶片材料：由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。
控制与监控技术不断完善。包括先进控制规律的应用、快速无冲击并网技术、远程监控技术、独立桨叶控制技术、孤立风机或弱电网运行技术以及风电与光伏混合控制技术等。
直接驱动技术：齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪音，同时是造成机械故障的主要原因，而且为了减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。采用无齿轮箱的直驱方式虽然提高了电机的设计成本，但却有效地提高了系统的效率以及运行可靠性。德国enercon公司在开发直驱发电机方面居于世界领先地位，已批量生产1.8兆瓦的直驱发电机组。
离岸风力发电：海上风速大且稳定，利用小时数可达到3000小时以上。同容量装机，海上比陆上成本增加60%，电量增加50%以上。风速较陆上大20%，获得风能增加72%，且塔架不必太高；气流较陆上稳定，机组疲劳载荷小，寿命较陆上长25%；远离陆地，噪音及光影问题小，可自由提高转速；取用地较陆上单纯，不易发生争端，还会引来鱼群栖息；静风期少，每年满负荷小时数较陆上长，有利于增加发电量；未来机组可更大型化，易形成规模经济，缩短回收期。
4.风机塔架焊接技术
并网风电设备主要有叶片、齿轮箱、发电机、偏航系统、控制系统、塔架等。风机叶片材料为玻璃纤维增强树酯、碳纤维，其余部件的原材料主要为钢材。并网型风机的设计寿命一般为20年，塔架高度40m以上，位于塔架顶部的机舱重达几十吨。随着单机容量的不断增大，塔架高度也越来越高，目前最高达70余米，这对塔架的制造焊接提出了更为严格的要求。
4.1塔架结构形式与材料
图1 风电塔筒结构外形
塔架类型主要有桁架式和管塔式两种。桁架式塔架造价低廉，但维护不便。管塔式塔架采用钢板卷制焊接而成，形成上部小下部大的圆锥管，内部装设扶梯直通机舱。管塔式塔架具有结构紧凑、安全可靠、维护方便、外形美观等特点，被广泛采用，其外形如图1所示。筒体板厚由最底部的40mm左右向顶端的12mm左右变化。整个塔架分3～5个大节制造、运输和安装，其中最底节为基础节，其2/3高度埋入钢筋混凝土基础中，其余2～4个大节竖立安装于基础节之上，节间采用法兰组用高强螺栓连接，法兰与筒体及大节内各短管节之间采用对接焊缝连接。
基础节底法兰为Q345D或Q345E钢板拼焊法兰，其余法兰为S355J2G3-Z25或S355NL-Z35钢锻造法兰，筒体材料为Q345D或Q345E。寒冷地区采用Q345E钢板，非寒冷地区多采用Q345D钢板，这2种钢材的焊接性良好。
4.2基础节底法兰焊接工艺
基础节底法兰材质与塔架筒体材料相同，根据直径大小，一般由4～6瓣扇形钢板拼焊而成。焊接施工多采用CO2气体保护药芯焊丝焊接工艺。坡口采用小角度、大间隙、不对称双V形，焊接时先焊接小坡口侧，然后，大坡口侧清根焊接。底法兰焊接时应控制环瓣接缝处的角变形，焊前应通过试验确定两侧坡口的填充量比例。
4.3法兰焊接工艺
制造管塔式塔架的关键问题之一就是控制法兰与筒体焊接后的角变形。法兰与筒体焊接后的角变形要求如图2所示：法兰与筒体焊接后，要求法兰角变形内倾0～1.5（2.0）mm。如何保证法兰与筒体焊接后的角变形控制在要求的范围之内，是影响塔架生产进度和质量的关键性技术问题。
图2 焊后法兰角变形范围示意图
为了保证法兰与筒体焊接后的角变形符合要求，采用单个法兰分别与筒体组装定位焊接成一体，然后把两段配对法兰筒体利用高强度螺栓连接在一起刚性固定，如图3所示，必要时采取反变形。焊接时线焊接内侧，然后外出清根焊接，并适当调整内外两侧焊接线能量的差别。
图3 法兰组焊连接示意图
4.4筒体纵、环缝焊接工艺
塔筒是由宽度2.0～2.5m的定尺钢板卷制焊接而成，纵、环缝的焊接工作量非常大，一套高约60m的塔筒纵环缝约长400m，其焊接效率直接决定合同进度。同时，由于塔架高度高，风机运行过程中，风力和风向是随时改变的，且变化幅度大，塔筒环缝所受载荷为交变载荷，所以必须保证焊接接头的冲击韧性。
5.结语
中国正逢风电发展的大好时机，风电设备市场需求增加。另外，除了风电设备整机需求不断增加之外，叶片、齿轮箱、大型轴承、电控等风电设备零部件的供给能力仍不能完全满足需求，市场增长潜力巨大。进行焊接接头、焊接工艺设计时，必须考虑产品实际情况和企业现有技术条件，尽量使工艺简单适用，具有良好的可操作性，避免过于理想化，这样才能兼顾工程质量、交期及成本。