魯能海西州塔式定日鏡支架制造工藝研究

張希強(qiáng)

（山東電力建設(shè)第三工程有限公司，山東 青島 266100）

1 項(xiàng)目概況

魯能海西州格爾木多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范項(xiàng)目是國家能源局于2017 年2 月公布的首批23 個(gè)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程之一，也是國際領(lǐng)先的“風(fēng)、光、熱、儲(chǔ)”多能互補(bǔ)、智能調(diào)度的純清潔能源綜合利用創(chuàng)新基地。該項(xiàng)目總裝機(jī)容量700MW，其中200MW 光伏發(fā)電項(xiàng)目、400MW風(fēng)電項(xiàng)目、50MW 光熱發(fā)電項(xiàng)目及50MW 儲(chǔ)能系統(tǒng)，建成后年發(fā)電量約12.625 億kWh，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約40.15 萬t，減少煙塵排放量約5 431.96t，將形成集風(fēng)電、光伏、光熱、儲(chǔ)能多種能源優(yōu)化組合，有效減少煤炭消耗，降低大氣污染，對(duì)促進(jìn)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

作為該項(xiàng)目的EPC 總承包方，我公司承擔(dān)了項(xiàng)目鏡場(chǎng)4 400 套液壓驅(qū)動(dòng)定日鏡支架的制作工作，每套定日鏡采光面積138m2，定日鏡場(chǎng)面積為610 000m2，年凈發(fā)電量預(yù)計(jì)達(dá)1.6 億kWh。

2 研究背景

塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是大型太陽能熱發(fā)電中最為經(jīng)濟(jì)的發(fā)電形式。由于我國在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域的相關(guān)研究起步較晚，目前尚未有對(duì)定日鏡支架加工制作進(jìn)行研究的著作文獻(xiàn)，因此本文將對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)型定日鏡支架加工制作進(jìn)行研究，以期達(dá)到拋磚引玉，為后續(xù)國內(nèi)光熱項(xiàng)目定日鏡支架加工提供理論支持和經(jīng)驗(yàn)參考。

定日鏡支架全天候暴露在惡劣的自然環(huán)境下，經(jīng)受大風(fēng)、紫外線、雨雪等的考驗(yàn)，還要持續(xù)保持高精度和穩(wěn)定性，要滿足如此苛刻的使用要求，需要加工制作打破常規(guī)，另辟蹊徑。有些人認(rèn)為定日鏡支架是光熱電站中無足輕重的部件，與光伏支架混為一談，但事實(shí)并非如此。兩者主要區(qū)別如下。

1）技術(shù)成熟程度 常規(guī)的光伏支架結(jié)構(gòu)固定，加工制作簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟；定日鏡支架結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，需要與機(jī)電液一體化配合，國內(nèi)技術(shù)尚不成熟。

2）使用方向 光伏支架一般用規(guī)模小、安裝分散；定日鏡支架規(guī)模大、安裝集中。

3）投資成本 定日鏡支架投資成本遠(yuǎn)高于光伏支架。

4）建設(shè)條件 定日鏡支架對(duì)建設(shè)條件要求較高，需要配備專業(yè)的組裝車間，光伏支架對(duì)建設(shè)條件要求較低。

通過分析定日鏡支架結(jié)構(gòu)件加工制作的整個(gè)過程，研究定日鏡各組成部件的加工工法，實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度大型定日鏡支架結(jié)構(gòu)制作從無到有，從有到優(yōu)的加工難度及制作成本轉(zhuǎn)變過程，從而推動(dòng)太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，使得大型定日鏡支架加工制作技術(shù)可以得到更加成熟、廣泛的應(yīng)用。

3 定日鏡支架組成

定日鏡支架結(jié)構(gòu)由鏡框、桁架、扭矩管、立柱、回轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5 大部分構(gòu)成（圖1）。

整個(gè)定日鏡支架主部件為5.29m 立柱和11.6m 長(zhǎng)扭矩管，二者通過1 個(gè)裝有特殊軸承的液壓回轉(zhuǎn)支撐部件連接到一起。通過對(duì)液壓裝置的控制，實(shí)現(xiàn)定日鏡的定向。

2 個(gè)安裝在回轉(zhuǎn)支撐部件上的液壓缸與連接立柱的支架連接，實(shí)現(xiàn)定日鏡平面方位角調(diào)整功能。另一個(gè)安裝在回轉(zhuǎn)支撐部件上的液壓缸與扭矩管連接，實(shí)現(xiàn)定日鏡立面方位角調(diào)整功能。

鏡面通過方管桁架將外力載荷傳遞到定日鏡支架結(jié)構(gòu)上。有6 個(gè)桁架以立柱平面為中心對(duì)稱布置于扭矩管兩側(cè)；另外32 個(gè)鏡面框架（4 列8行）連接到桁架上，每個(gè)框架通過35 個(gè)可調(diào)節(jié)不銹鋼托架通過硅膠與2 片鏡面相連。

4 過程難點(diǎn)分析

4.1 立柱

法蘭孔與圓管中心線要求同心度1mm、垂直度1.5mm，上法蘭平面度0.5mm，下法蘭平面度1mm，采用常規(guī)做法無法滿足設(shè)計(jì)要求，通過機(jī)加工才能實(shí)現(xiàn)，成本較高（圖2）。

圖2 立柱細(xì)部圖

4.2 橫梁

與液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接部位配合精度較高，同心度0.1mm，位置度0.5mm，由于外形尺寸較大，鉚焊完機(jī)加工需采用大型龍門數(shù)控鏜銑床，成本極高（圖3）。

圖3 橫梁細(xì)部圖

4.3 桁架

所有桿件壁厚?。?.5/2mm），焊接變形量大，加工數(shù)量大。桁架與鏡框連接部位，孔距間要求精度小于1mm（圖4）。

圖4 桁架細(xì)部圖

4.4 架轉(zhuǎn)動(dòng)裝置部件

不同平面大孔要求同心度0.5mm、平行度0.5mm，位置度0.5mm，孔徑偏差0.03mm，機(jī)加工工作量大、要求高，需要制作專用工裝。其中，對(duì)于回轉(zhuǎn)軸承要求使用年限25 年，極限使用環(huán)境溫度-33.6℃。本項(xiàng)目存在大型高精密軸承，0mm 游隙，2 個(gè)孔位置精度0.05mm，要求精度高，國內(nèi)外只有少數(shù)廠家具備加工能力，加工周期長(zhǎng)，采購成本高（圖5）。

圖5 回轉(zhuǎn)部件細(xì)部圖

4.5 鏡框

框架壁厚薄（1.2/1.5mm），焊接變形量大，構(gòu)件數(shù)量大。鏡框安裝孔位置公差0.5mm（圖6）。

圖6 鏡面框架

5 制造難點(diǎn)攻克及創(chuàng)新

針對(duì)立柱、橫梁、桁架、轉(zhuǎn)動(dòng)部件、鏡框等加工結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)專用工裝，以提高加工制作準(zhǔn)確性及效率。引入數(shù)字建模模擬加工過程，節(jié)約試制時(shí)間，降低試制成本，實(shí)現(xiàn)試制一次成功。通過不斷試驗(yàn)，調(diào)整各部件的焊接順序，最終焊接完成后達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)公差要求，達(dá)到批量化生產(chǎn)要求。除采用工裝外，對(duì)各部件進(jìn)行拆解，復(fù)雜結(jié)構(gòu)利用模塊化預(yù)組裝原理，控制焊接變形，消除累積變形。

1）立柱工裝 立柱根據(jù)設(shè)計(jì)圖要求，需要對(duì)端部法蘭進(jìn)行機(jī)加工，工作量大，加工周期長(zhǎng)，成本高。為解決此問題，通過設(shè)計(jì)工裝、采取焊接變形等控制措施，經(jīng)試制樣件檢驗(yàn)，在不進(jìn)行端面機(jī)加工的前提下，最終滿足上述公差要求（圖7、圖8）。

圖7 立柱工裝建模

圖8 立柱工裝實(shí)物

2）橫梁組裝 通過基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換原理，將精基準(zhǔn)從工件轉(zhuǎn)移到工裝上，使原本需要大型龍門銑床加工的扭矩管，能夠使用小型鏜床預(yù)加工到位，然后通過裝配工裝實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)精準(zhǔn)定位，成功解決加工難題（圖9、圖10）。

圖9 橫梁組裝胎架建模 圖10 橫梁組裝胎架實(shí)物

3）回轉(zhuǎn)體組裝 通過試制采用裝配工裝實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)精準(zhǔn)定位，采用模塊化組裝原理，將累積誤差一一化解，控制了焊接變形，成功解決整體加工精度問題（圖11、圖12）。

圖11 回轉(zhuǎn)體組裝胎架建模 圖12 回轉(zhuǎn)部件實(shí)物

4）桁架組件 桁架組件數(shù)量大，使用專用機(jī)床沖剪開孔一次成型，焊接采用焊接機(jī)器人，以滿足大批量合格供貨要求。通過方案設(shè)計(jì)，大幅減少了工序，降低了累積誤差，提高了加工效率（圖13）。

圖13 焊接機(jī)器人和變位機(jī)示意圖

5）鏡框組件 鏡框組件數(shù)量大，精度要求高，批量生產(chǎn)采用焊接機(jī)器人焊接，工裝采用自動(dòng)變位機(jī)，提高工作效率，滿足加工要求。鏡面托架圓板采用開模沖孔成型，圓桿采用冷鐓成型，焊接采用栓釘焊。質(zhì)量及效率完全滿足項(xiàng)目進(jìn)度需要（圖14）。

圖14 鏡框變位機(jī)

6 成果分析

1）經(jīng)濟(jì)效益 通過創(chuàng)新優(yōu)化，在各加工工序降低了定日鏡加工制作成本，整個(gè)項(xiàng)目預(yù)計(jì)共節(jié)約成本超過1 000 萬元，但項(xiàng)目運(yùn)行過程中仍需將人工費(fèi)、材料費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)進(jìn)行綜合考量，尤其加工廠到現(xiàn)場(chǎng)之間的運(yùn)輸成本也非常關(guān)鍵，需仔細(xì)斟酌后選定最優(yōu)方案實(shí)施。

2）工期分析 由于定日鏡支架需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝安裝，各組件部件數(shù)量龐大，部分精密部件加工周期長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)組裝需要配套供貨，對(duì)生產(chǎn)廠造成的供貨壓力巨大。通過新工法的引入，大大提高了加工制作效率，各環(huán)節(jié)綜合考慮，根據(jù)安裝需求調(diào)整生產(chǎn)流水線各工裝機(jī)具配比，以滿足現(xiàn)場(chǎng)大批量配套供貨需求。

3）可行性分析 目前制約大型定日鏡支架加工制作主要有以下3 個(gè)因素：①定日鏡支架零部件加工的精度控制與最終組裝的精度控制；②焊接與鍍鋅熱變形問題；③規(guī)?；a(chǎn)效率和良品率的控制。本文通過新工法的研究試用，已經(jīng)較大程度實(shí)現(xiàn)了對(duì)上述3 個(gè)問題的控制，使大型定日鏡短期批量合格加工制作成為現(xiàn)實(shí)。

4）質(zhì)量分析 在進(jìn)行新工法的研究同時(shí)，引入了嚴(yán)格的品控管理制度，為各環(huán)節(jié)各工序制定專用檢驗(yàn)記錄文件，做到所有設(shè)計(jì)參數(shù)均有據(jù)可查，實(shí)行閉環(huán)控制，消除質(zhì)量隱患，以滿足定日鏡支架高精密度加工制作要求。

7 結(jié)語

通過對(duì)本項(xiàng)目定日鏡支架整體加工制造工藝的研究，總結(jié)了國內(nèi)最大鏡面支架加工制作方案的合理性、經(jīng)濟(jì)性、可行性，為后續(xù)項(xiàng)目運(yùn)行及其他項(xiàng)目成本工期控制提供了理論及實(shí)踐依據(jù)，打通了國內(nèi)塔式光熱產(chǎn)業(yè)鏈條上重要的一環(huán)。