風電塔筒升降機運行能耗研究

牛永朝 謝麗蓉 李進衛(wèi) 晁勤 王晉瑞

關鍵詞： 風電場; 風力發(fā)電機; 塔筒升降機; 能耗; 概率分布; 變頻電控系統(tǒng)

中圖分類號： TN876?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）03?0107?04

Abstract： In the research of wind power energy efficiency evaluation and energy saving of tower hoist， the research on operation energy consumption is also essential. A calculation method of operation energy consumption of wind turbine tower hoist is proposed. The lifting equipment power consumption calculation method of DC or AC variable frequency electronic control system is used to calculate the operation energy consumption of the wind turbine tower hoist. The example verification results of wind farm show that the error of calculation result and measured result is small while the internal energy consumption of the tower hoist auxiliary equipment maintains the same， and the method provides a reference for evaluating the energy consumption of the wind farm tower hoist.

Keywords： wind farm; wind turbine generator; tower hoist; energy consumption; probability distribution; variable frequency electronic control system

0 ?引 ?言

自2006年《可再生能源法》實施以來，我國風電產業(yè)持續(xù)高速發(fā)展[1]。我國大功率風電機組安裝量逐年增加且平均高度達80 m以上，在進行風電機組檢修維護時，不僅會給風電場工作人員的人身安全帶來危害，還會降低檢修效率，而在風電機組上安裝風電塔筒升降機可很好地解決這些問題。文獻[2]從塔筒升降機的設計結構、屬性等安全性進行分析，建議國家出臺統(tǒng)一的安全標準，為風電產業(yè)保駕護航。文獻[3]通過對風電機組相關要求及塔筒內部結構進行分析，提出在機組塔筒內部安裝塔筒升降機的設計方案，并從設計原理、設計過程進行詳細分析并給出計算方法。文獻[4]介紹塔筒升降機的設計安全性，并與人工攀爬和助力器攀爬方式進行分析對比，對比結果表明，塔筒升降機相對其他兩種攀爬方式在保障工作人員人身安全和檢修效率方面具有顯著優(yōu)勢。相對于人工攀爬，塔筒升降機具有顯著優(yōu)點的同時，其運行能耗問題成為影響塔筒升降機在風電場能否普及使用的因素之一。

在能耗研究方面，文獻[5]采用層次分析方法對建筑物建造能耗進行計算。文獻[6?7]給出電梯能耗的預測計算模型，大大簡化了復雜電梯運行耗電分析流程。文獻[8]使用電能表測量電梯每天的總能耗，但不能說明具體工況下的能耗情況。文獻[9]通過數(shù)據圖表查找的方式對帶式升降機運行功耗進行計算，由研究結果可知查表計算結果與實際運行測量能耗誤差較小。文獻[10]提出一種操作簡易和實用的施工升降機運行能耗測試方法，并對兩臺不同配置的施工升降機樣機進行能效比對測試。從現(xiàn)有文獻分析，目前研究學者對建筑電梯、礦井升降機、施工升降機等能耗的研究較多，對風電塔筒升降機研究的文獻較少，且計算能耗的方法大多是通過現(xiàn)場試驗來測試電流電壓，再由大量測試數(shù)據進行分析。因此，本文在上述文獻研究的基礎上，提出一種風電塔筒升降機運行能耗的推算方法。通過分析風電塔筒升降機運行狀況及受力情況，依據直流或交流變頻電控系統(tǒng)的提升設備電耗計算分析方法，結合風電塔筒升降機設計說明書等資料對風電塔筒升降機單次運行能耗進行推算。最后對風電場進行實例計算，并與風電場初期安裝風電塔筒升降機時試運行總能耗數(shù)據進行比較，驗證該方法的準確性。

3 ?實例驗算

本文以新疆達坂城某風電場為研究對象，所有計算數(shù)據均來源于該風電場。風電場裝有25臺2 MW的風力發(fā)電機組，但目前只有個別風電機組安裝了塔筒升降機，為簡化計算，假設在風電場25臺風機都裝有塔筒升降機的情況下運用本文的推算方法進行推算。由風電塔筒升降機設計手冊得知塔筒升降機所用型號為TS?240/9，額定載重為240 kg，整機自重為250 kg，提升速度為9 m/min，升降機所用的電動機型號為YEJ90L?4，功率為1.5 kW。

根據EN1808規(guī)定及要求[14]，升降機正常工作時，提升平臺對升降機的作用力系數(shù)為1.25，即升降機效率為0.8，另外該升降機電動機傳動效率取0.8。為方便驗算，本文考慮的塔筒升降機載荷量[M]為額定載荷量240 kg，由式（18）結合所知參數(shù)，則塔筒升降機在額定載荷的情況下運行一次能耗為0.175 kW[?]h。根據風電場安裝塔筒升降機初期滿載試運行1 000次所記錄的總耗電量為182 kW[?]h可知，風電塔筒升降機平均提升一次實際耗電量為0.182 kW[?]h。本文所用推算方法計算結果與風電場實測記錄數(shù)據絕對誤差為0.007 kW[?]h，其相對誤差為3.85%，結果表明，本文算法結果誤差小，該理論推算方法可用于風電塔筒升降機運行能耗分析。

利用Matlab對2016年內每日風電場風機檢修時塔筒升降機運行次數(shù)進行統(tǒng)計，結果如圖4所示。

通過對圖4風電場2016年檢修攀爬次數(shù)概率情況分析，人工攀爬次數(shù)大多集中在8，12，14，16次，由式（20）計算1日內風機檢修人工攀爬次數(shù)均值結果約為13次，安裝塔筒升降機代替人工攀爬后，結合式（21）計算可知風電場各時期內利用塔筒升降機檢修風機時的能耗情況，如表2所示。

由表2可知，塔筒升降機安裝后，利用塔筒升降機進行風機檢修時，塔筒升降機運行時所消耗的電量較小。

4 ?結 ?論

為更進一步了解風電塔筒升降機，本文從風電塔筒升降機運行能耗方面入手。通過對風電塔筒升降機運行能耗推算及能耗量化結果分析，得出以下結論：

1） 在風電塔筒升降機運行時，加速度與減速度絕對值相等、升降機輔助設備內部能耗不變的情況下，風電塔筒升降機運行能耗大小取決于提升高度和升降機載荷量大小。

2） 風電塔筒升降機運行能耗推算結果比風電場給出實測數(shù)據誤差小，方法可行，該推算方法可用于風電塔筒升降機運行能耗計算。

3） 風電場風機檢修時，利用塔筒升降機搭載檢修人員上下風機時其運行能耗較小，為風電場評價塔筒升降機能效提供參考。

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