100 kW鴨式波浪能發(fā)電裝置的建造要點(diǎn)

,

(廣州中船龍穴造船有限公司，廣州 511462)

海洋波浪能為典型的清潔無污染可再生能源，其能流密度大、分布范圍廣、易于大規(guī)模利用，因此受到眾多沿海國家的重視。[1-2]“100 kW鴨式波浪能發(fā)電裝置”是一種新型海洋波浪能發(fā)電裝置，該裝置的建造屬國內(nèi)首次，其投放和維修成本低，對(duì)于快速、安全和高效地開發(fā)、利用海洋波浪能具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。海上試驗(yàn)工作平臺(tái)和與大陸相距遙遠(yuǎn)的西沙、南沙的駐軍島嶼對(duì)電力的需求緊迫，因此研究和開發(fā)適合我國浪況的海洋波浪能裝置，對(duì)于彌補(bǔ)沿海電力不足、解決海島和海上裝備的電力供應(yīng)問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 鴨式波浪能發(fā)電裝置原理

鴨體部分受波浪驅(qū)動(dòng)進(jìn)行上下擺動(dòng)，鴨體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部液壓系統(tǒng)做功，由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部附帶的發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電作業(yè)，將波浪能轉(zhuǎn)化為液壓能，最后轉(zhuǎn)變成電能。兩級(jí)轉(zhuǎn)換效率在同類裝置中比較高，總效率達(dá)50%以上。原理見圖1。

圖1 波浪能發(fā)電裝置工作原理

2 總體的建造方案

根據(jù)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及建造精度要求，建造時(shí)將該裝置結(jié)構(gòu)(見圖2)劃分為三大部分并行建造(主軸部分、鴨體部分、水下支撐部分)，然后再將三大部分進(jìn)行總組，其中主軸、鴨體部分先組裝(以鴨筒胎架為基面組裝)，最后以基地浮箱為底總組，同時(shí)完成內(nèi)部系統(tǒng)的安裝預(yù)調(diào)試項(xiàng)目。其總組流程為以水下平臺(tái)為基底→吊裝兩側(cè)浮箱下半部分(內(nèi)部需涂裝完)→吊裝鴨體和主軸組裝部件(鴨體內(nèi)部及主軸外表面需涂裝完畢)→吊裝兩側(cè)浮箱上半部分(內(nèi)部需涂裝完畢)→阻尼板安裝(阻尼板浮箱密閉空間需涂裝完畢)→內(nèi)部管路液壓系統(tǒng)開始安裝→吊裝方管及阻尼箱的散件→整體打砂涂裝。

圖2 鴨式發(fā)電裝置組成

由于該裝置的結(jié)構(gòu)重量近300 t，因此總組場地需要有相應(yīng)的起重設(shè)備，在實(shí)際建造時(shí)把總組場地放在有350 t起重能力的吊機(jī)場地進(jìn)行制作。

2.1 主軸部分的建造要點(diǎn)

主軸為直徑6.05 m，長度12 m的圓通結(jié)構(gòu)，主軸兩端安裝有滾輪，內(nèi)部分為8個(gè)分隔艙室，每個(gè)艙室都要具有獨(dú)立調(diào)整壓載的功能，整個(gè)主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受力情況較為惡劣，受影響的有海浪的沖擊力，鴨體部分的擠壓力，液壓導(dǎo)柱的阻力等，同時(shí)作為整個(gè)發(fā)電裝置的“定子”，主軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和精度要求都是較高的。因此主要建造的要點(diǎn)如下(見圖3)。

圖3 主軸主視圖

1)按圖3所示沿主軸偏移100 mm位置將主軸分上下兩部分，上下兩部分分別在模板胎架上建造(上半部分按圖3以橫壁板分四部分建造)；其中①包含平臺(tái)板。

2)圖示圖框內(nèi)含平臺(tái)板部分以平臺(tái)板為底配合模板胎架制作。

3)②與①，②與③外板對(duì)接縫需與橫壁板錯(cuò)開至少100 mm。

4)吊裝順序按圖3的順序吊裝結(jié)構(gòu)，待主軸內(nèi)部設(shè)備(包括液壓鋼和液壓導(dǎo)柱)安裝到位后方可吊裝、定位①。

5)整體完工后安裝軸輪。

2.2 鴨體部分的建造要點(diǎn)

鴨體部分外板結(jié)構(gòu)都是薄板，板厚4～6 mm之間，整體結(jié)構(gòu)都是以裝配焊接為主(見圖4)。

圖4 鴨體剖視圖

薄板由于其板厚特點(diǎn)，容易焊穿及變形較大，因此選擇工藝的范圍較小，工藝參數(shù)的選擇也非常嚴(yán)格，還需要考慮到如何減少變形。主要建造的要點(diǎn)如下。

1)同樣采取胎架模板制作，鴨體部分的下半部分制作完畢吊裝主軸定位，定位后方可吊裝鴨體上半部分(模板制作同主軸建造方案，但模板上需增加縱向結(jié)構(gòu)的安裝線)。

2)鴨體部分板厚都在4～6 mm之間，基本上都帶有復(fù)雜線形，為了既保證質(zhì)量又提高效率，主要選擇CO2氣體保護(hù)焊，焊絲選用實(shí)心焊絲，直徑1.2 mm。

3)接焊坡口要求4 mm不開坡口，但需要裝配間隙保證在2～4 mm以內(nèi)；5～6 mm需要開設(shè)坡口，裝配間隙為1～3 mm，雙面進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)選擇在90～110 A以內(nèi)，在保證熔透的情況下減小變形。

4)角焊縫要求焊接時(shí)進(jìn)行間斷焊接，減少連續(xù)焊接引起的變形的增大；嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的焊腳尺寸進(jìn)行，不允許隨意增大焊腳。

5)制作模板胎架，薄板拼裝時(shí)固定在模板胎架上，以確保變形量最小。

2.3 水下支撐部分的建造要點(diǎn)

水下支撐部分有底部平臺(tái)、兩側(cè)浮箱、兩側(cè)阻尼板。主要以平直結(jié)構(gòu)為主，主要的作用是作為發(fā)電裝置承載平臺(tái)，調(diào)整整個(gè)裝置平衡穩(wěn)性。裝置結(jié)構(gòu)較為簡單，建造過程主要注意幾點(diǎn)。

1)底部平臺(tái)。以平臺(tái)頂板為底拼板焊接、劃線、安裝結(jié)構(gòu)、翻身扣平臺(tái)底板片體、焊接。

2)兩側(cè)浮箱。分上下兩部分建造，分別以浮箱側(cè)板為底建造。

3)阻尼板建造方案。以縱壁為底建造，吊裝平臺(tái)組件、浮箱組件(其中浮箱部分采用外部結(jié)構(gòu)保型建造)及其他散裝件。

水下支撐結(jié)構(gòu)分布了大量的小封閉艙室，空間狹小緊湊，每一個(gè)艙室體對(duì)密性的要求都比較高，集中焊接時(shí)的焊接變形控制要求高，因此焊接作業(yè)要求參照鴨體制作部分嚴(yán)格執(zhí)行。

3 涂裝要求及涂層保護(hù)

100 kW鴨式發(fā)電裝置的涂層保護(hù)要求是5年，該裝置大部分板厚都是4～8 mm之間，由于海水的腐蝕性很強(qiáng)，該裝置有多個(gè)封閉艙室，每個(gè)艙室都作為獨(dú)立的小壓載艙進(jìn)行整體壓載調(diào)整，涂層保護(hù)工作的質(zhì)量直接決定了該裝置的連續(xù)使用壽命。

影響涂層質(zhì)量的主要因素有施工環(huán)境、表面處理方式以及施工過程的現(xiàn)場監(jiān)控。該裝置建造過程中有專人負(fù)責(zé)組織實(shí)施現(xiàn)場施工環(huán)境的5S工作，并由專職的安全員負(fù)責(zé)監(jiān)督，驗(yàn)收合格后才能進(jìn)行表面二次除銹工作。

該裝置對(duì)鋼板表面可溶性鹽有限制，使得涂裝工序和工藝相對(duì)之前有所改變。根據(jù)對(duì)涂裝前鋼材表面可溶性鹽的測量情況來看，可溶性鹽含量均超過標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，該裝置在鋼材預(yù)處理和二次除銹前鋼材表面的淡水清洗必不可少，清洗工序的設(shè)置和工藝制定，也增加了預(yù)處理和分段的抽水和干燥程序除銹工作。

另外從下料、小合攏、中合攏到大合攏分階段實(shí)行跟蹤結(jié)構(gòu)處理和檢查，避免了除銹后才進(jìn)行大量的結(jié)構(gòu)處理工作，減少對(duì)涂裝周期和勞動(dòng)力的耗費(fèi)造成的影響。根據(jù)工藝要求，涂裝采用表面打磨和沖砂的處理方式(表面處理等級(jí)需達(dá)到Sa2.5)，經(jīng)報(bào)油漆商代表確認(rèn)合格后，才開始涂油漆，且三度油漆都要對(duì)油漆商進(jìn)行報(bào)驗(yàn)。

施工中堅(jiān)持推行結(jié)構(gòu)組合、封閉曲面體密試、設(shè)備預(yù)裝完整性、工序完整性檢查、總段組合后涂裝、跟蹤補(bǔ)涂和涂層保護(hù)，每個(gè)環(huán)節(jié)都制定專人進(jìn)行跟蹤協(xié)調(diào)，盡最大的可能減少對(duì)涂層的損壞，確保了涂層的質(zhì)量。

4 其它系統(tǒng)

除了上述基本構(gòu)造，該裝置還根據(jù)需要配備了電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)整壓載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、潤滑設(shè)備、液壓導(dǎo)向系統(tǒng)、壓縮空氣設(shè)備、發(fā)電機(jī)設(shè)備以及其它電氣設(shè)備。

5 結(jié)束語

廣州中船龍穴造船有限公司建造的國內(nèi)第一臺(tái)100 kW鴨式波浪能發(fā)電裝置，已順利投入海上試驗(yàn)性發(fā)電階段，并成功地在海上進(jìn)行了發(fā)電作業(yè)。該裝置實(shí)際造價(jià)為4萬元/kW,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陸上或岸邊固定式裝置的造價(jià)(約15萬元/kW)。該裝置解決了目前鴨式發(fā)電裝置存在的主要問題：即施工和加工困難，大幅降低了發(fā)電成本。據(jù)估算，該波浪能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本約為1.5元/(kW·h)，而我國邊遠(yuǎn)的沿海地區(qū)、島嶼、海上孤立場所的發(fā)電成本超過2.0元/(kW·h)，以電價(jià)2.0元/度計(jì)，年平均發(fā)電功率100 kW的海洋波浪能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)每年可盈利43.8萬元。

[1] 高大曉，王方杰，史宏達(dá)，等.國外波浪能發(fā)電裝置的研究進(jìn)展[J].海洋開發(fā)與管理,2012(11):21-26.

[2] 明 浩,譚 祺,石世寧,等.擺式海洋波浪發(fā)電原理與事例[J].流體傳動(dòng)與控制,2012(5):5-9.