垂直轴风力发电机建设项目工程技术方案

垂直轴风力发电机建设项目工程技术方案1.1项目组成1.1.1项目组成表序号工程类别工程名称规模备注1主要生产工程主车间年产5000套10kw垂直轴风力发电机的设备和主厂房5500m2新建2辅助生产工程办公室2000m2新建原料、成品库3800m2新建3公用工程供、排水系统水量50m3/h新建供电系统500KVA变电所新建供热系统新建4其它工程厂区外网1.1.2项目组成说明本项目系新建工程，项目新增生产设施、辅助生产设施、公用工程设施，总建筑面积11300m2，达到设计生产能力5000台套的规模。1.2项目产品的主要应用范围活固叶升阻复合垂直轴风力发电机是风能转化电能的一种装置，主要应用于清洁能源风力发电场作发电设备。此外，还可用于远行船、偏远地区农牧民、边远哨所以及航标灯、路灯、交通公路监视等供电。本项目产品采用的大功率活、固叶升阻复合垂直轴风力发电机，其设计构想具有创新性，升阻复合结构优势大，启动风速低，风速4-4.5m/s即可以起动，风能利用率达到45%，可在风紊流区域、风速风向无规则频繁条件下使用。不仅可突破风机大功率10KW设计限制，而且还可制成中小功率机型。由于该项目产品在低风速环境下的优秀表现，包括城市市区、内地、山区等广大地区都可以应用，无论是居民用户、各类船只、离岸小岛等各类民用、军用设施，都可以使用该产品发电。1.3项目技术技术创新点产品风车叶片采用垂直轴半活动半固定升阻复合型的风力发电结构，实现风力机在启动过程中或低风速时，以阻力型机制运转，当风速较大或者风轮转速升高到一定值时，以升力型机制运转。对于每个叶片，在旋转到不同相位时，具有不同的运行机制，在迎风边，活动叶片依次处于闭合-打开-闭合状态，因而叶片的运行机制也相应地呈升力-阻力-升力的周期性变化，在阻风边，活动叶片则一直处于闭合状态，此时主要以升力型和减小风阻为主要特征；风车同时采用H型垂直轴风车结构，在迎风面充分利用阻力和升力复合做功，可以最大限度的捕获风能、在图1的背风面从3到5的位置之间，还可利用叶片的阻力做功，也可有效利用风能，而在5到7位置之间，叶片的顺风摆动，可最大限度地减小风阻，使风能利用率大大增加；采用独特的顺桨卸荷机构，使风机具有优良的抗强风和抗台风的能力，特别是该机构在风速减弱时，叶片具有自动恢复工作位置的功能，使其发电效率更高，更易于维护；项目产品与水平轴风力机相比，风能利用率提高5%以上，可达45%。本项目采用升阻复合结构，风速4-4.5m/s即可以启动，风速适应范围广，可以实现兆瓦级的大功率设计目标。图1甲风轮正常风向运转示意图乙风轮正常风向运转示意图5．4项目技术成熟程度本项目产品已经研制出模型样机，经哈尔滨工业大学检验测试，主要技术指标优于水平轴风力发电机和其他垂直轴风力发电机。性能稳定，安全可靠。经检测项目产品主要技术指标达到：额定功率10KW、启动风速≥3m/s、工作风速≥4.5-25m/s、额定风速12m/s、最大风速＜45-60m/s、风轮直径5-8m、风轮高度8-10m。1.5主要设备选择风力机主要组成部分有：风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能系统、逆变器等。（1）风轮是风力机从风中吸收能量的部件，其作用是把空气流动的动能转变为风轮旋转的机械能。风轮是由8个叶片组成的。叶片的结构形式多样，材料因风力机型号和功率大小而定，如木心外蒙玻璃钢叶片、玻璃纤维增强塑料树脂叶片等。（2）发电机，在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。小型风力发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。（3）塔架，塔架用于支撑，发电机和调向机构等。因风速随离地面的高度增加而增加，塔架越高，风轮单位面积捕捉的风能越多，但造价、安装费等也随之加大。（4）调向机构，垂直轴风力机可接受任何方向吹来的风，因此不需要调向机构。（5）限速机构，当风速高于风力机的设计风速时，为了防止叶片损坏，需要对风轮转速进行控制。（6）贮能装置，贮能装置对独立运行的小型风力机是十分重要的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。（7）逆变器，用于将直流电转换为交流电，以满足交流电气设备用电的要求。2)大型风力发电机组由两大部分组成：气动机械部分和电气部分。气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴，其功能是驱动发电机转子，将风能转换为机械能。电气部分包括异步发电机、电力电子变频器、变压器和电网，其功能是将机械能转换为频率恒定的电能。近年来，又研制成功了直驱式变速恒频风力发电机组（无增速齿轮箱）。

风电设备关键技术：风力发电系统中，发电机是能量转换的核心部分，风力发电机系统按照发电机运行的方式来分主要有恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。恒速恒频风力发电机系统一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值继而保证发电机端输出电压的频率和幅值的恒定，其运行范围比较窄。变速恒频风力发电系统通过变桨距控制风轮使整个系统在很大的速度范围内按照最佳的效率运行，这是当前风力发电发展的一个趋势。变速系统主要分为同步发电机系统和异步发电机系统。其中同步发电机系统包括永磁同步发电机系统和电励磁同步发电机系统;异步发电机系统主要是绕线异步发电机系统。永磁同步发电机是利用永久磁铁取代转子励磁磁场，其结构比较简单、牢固。永磁同步发电机变速恒频风力发电系统是通过控制一套整流逆变装置，将发电机输出的变频变压交流电转换为满足电网要求的恒频恒压交流电。永磁同步风力发电系统结构框图：采用电励磁的同步风力发电系统，发电机定子通过变频器和电网相连接，转子采用AC/DC整流装置给发电机提供励磁。发电机可以采用变速箱驱动，也可以使用直接驱动。电励磁同步风力发电系统结构框图：目前，兆瓦级风力发电机组普遍采用绕线式异步电机的变速恒频风力系统。其典型结构是采用双馈异步发电机的系统。这是一种比较合适的变速恒频方案，该结构定子和电网直接相连接，转子和功率变换器相连接，通过变换器的功率仅仅是转差功率，双馈调速将转差功率回馈到电机轴或者电网，这是各种传动系统中效率比较高的。该结构适合于调速范围不宽的风力发电系统，尤其是大、中容量的风力发电系统。双馈异步变速恒频风力发电系统按照转子变频器拓扑结构主要可以分为交交变频器、矩阵变换器和交直交变频器三大类。交交变频器采用晶闸管自然换流方式，工作稳定，可靠，适合作为双馈电机转子绕组的变频器电源，交交变频的最高输出频率是电网频率的1/3～1/2，在大功率低频范围有很大的优势。交交变频没有直流环节，变频效率高，主回路简单，不含直流电路及滤波部分，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈容易。虽然交交变频双馈系统得到了普遍的应用，但因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄，使用元件数量多使之应用受到了一定的限制。矩阵式变频器是一种交交直接变频器，由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成。矩阵变换器没有中间直流环节，输出由三个电平组成，谐波含量比较小;其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压;矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作。虽然矩阵变换器有很多优点，但是在其换流过程中不允许存在两个开关同时导通的或者关断的现象，实现起来比较困难。矩阵变换器最大输出电压能力低，器件承受电压高也是此类变换器一个很大缺点。应用在风力发电中，由于矩阵变换器的输入输出不解耦，即无论是负载还是电源侧的不对称都会影响到另一侧。另外，矩阵变换器的输入端必须接滤波电容，虽然其电容的容量比交直交的中间储能电容小，但由于它们是交流电容，要承受开关频率的交流电流，其体积并不小。目前利用矩阵变换器的双馈异步风力发电系统还处于研究开发阶段。交直交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。传统的电流型交直交变频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电中应用的不多。采用电压型交直交变频器这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点，可以明显地改善双馈发电机的运行状态和输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离，是目前变速恒频风力发电的一个代表方向。5．6主要工艺技术指标 风车效率:12.1% 额定功率:22.0624216442218kW 额定转速:4.6855215246254r/min 旋转力矩:44.9641745466477kN*m 尖速比:2.66666666666667 风能密度:62.78172W/m2 扫风面积:2900m2 空气密度:1.29kg/m3 平均风速:4.6m/s 翼尖半径:25m（直径50m） 叶片数量:20 叶片高度:58m 叶片宽度:5m 叶片厚度:.008m 叶片密度:2100kg/m3 叶片摆动范围: 从:64度 到:90度 尖速比计算范围: 从:2.4 到:3 采样点:10个 叶片缓冲机构: 类型:线性弹簧 初拉力:0N K:2500m/N1.7总平面布置与运输1.7.1厂区总平面布置现状概述本项目厂址位于黑龙江省市西郊，厂区邻202国道。厂区界址呈长方形形，厂区地势平坦，南部为服务性工程区域，而生产区位于厂区北部。厂区现有出入口共两处，一处位于厂区北端，另一处位于厂区西侧，分别与当地的道路相通。厂内道路畅通，各建筑物之间的间距均符合防火规范的要求。1.7.2总平面布置的原则a、本项目总平面布置应符合企业厂区内现有建筑红线和当地规划的要求。b、在满足建筑防火规范要求的建筑物防火间距的前提下，尽量减少占地，方便生产管理与联络，节省工程费用。c、根据自然条件，力求使工艺流程合理，减少货物倒运距离。d、总体布置上应注意新增建筑物与原有建筑群体及厂区环境的和谐。1.7.3总平面主要设计指标序号项目单位指标备注1厂区占地面积M2370002建（构）筑物占地面积M2113003厂区建筑系数%344厂区场地利用系数%575厂区绿化系数%161.8土建工程本项目建筑面积为11300m2。生产车间按照标准厂房建筑要求设计，钢骨架结构，举架高度5米，外墙采用聚苯乙烯彩钢板。内部隔断成组装车间、发电机车间、机加车间、电子器件车间等。1.9给水工程1.9.1项目用水量估算表序号用水部门水质要求用水量（m3）备注小时最大小时平均1工艺生产用水生活饮用水标准3．82．62锅炉用水软化水523循环水补充水4全厂生活及其它生活饮用水标准0.50.2合计9.34.8消防用水3L/S10其中室内10L/S；室外20L/S循环水1001001.9.2水源、取输水工程及净化设施方案说明a、水源：由于本项目用水量较小，因此，以城市自来水为供水水源即可满足企业生产、生活对水的需求。b、取输水工程：需要引进供水管线，给水管网全部埋地敷设，枝状布置，管材选用pvc塑料管。1.9.3消防给水及应急设施本项目消防水量为3L/S，10m3/h。按火灾延续时间2小时计，需贮1.10排水工程1.10.1全厂排水量估算表序号排水部门水质排水量（m3）备注小时最大小时平均1工艺生产废水BOD5≈60mg/L2锅炉定期排水基本无污染523生活及其它排污水0.10.054合计1.12.051.10.2废水排放地点：本项目生活污水和无污染的锅炉定期排水直接进入城市排水管网中。1.11供电1.11.1外部供电源条件本项目厂址位于市市区，为该区域供电的10万KV公共架空线路有两条，企业现工作电源引自其中的变电所，备用电源引自其中的农电变电所。1.11.2用电负荷特点a、装机容量：本项目实施后，全厂用电设备装机容量为300KVA，生产时计算负荷为436.7kw。b、负荷等级：根据工艺专业的要求，结合GB50052-95《供配电系统设计规范》的有关规定，本项目为三类负荷。c、供电参数：全厂用电设备均为交流低压设备，因此，配电压为380/220V。1.11.3供电方案选择企业增设400KVA电力变压器一台，根据本项目建成后的用电负荷情况，以后再应增加315KVA电力变压器一台，同时新建变电所一座，这样，两台变压器同时运行，可满足全厂的用电需求。新变电所与原有变电所接建，变电所内设有高压配电室、变压器室、低压配电室、值班室和维修间等。1.11.3供电方案选择企业新建变电所一处，内设400KVA电力变压器两台，可满足项目用电需求。1.11.4供电系统选择变电所内10KV、0.4KV母线均为单母线，不分段，10KV外电源用电缆引入高压配电室高压开关柜后，通过变压器、低压配电柜用电缆埋地敷设向全厂用电部门。变电所采用双回路进线，当工作电源事故停电时，备用电源自动切换，投入运行。1.11.5防雷、防静电设施地区属轻雷区，本项目建（构）筑物防雷接地装置的设置执行《建筑物防雷接地设计规范》(GB50057-94)。车间内全部电气设备均采用接零保护系统，低压联络电源在进户处应重复接地。另外，应将上述建筑物的防雷接地、防静电接地、低压配电线路的重复接地与变压器工作接地装置连接在一起，其接地电阻不应大于4Ω。1.11.7主要供电设备选择序号设备名称型号及规格单位数量备注1电力变压器S9-10/0.4，400KVA台22高压开关柜GG1台23低压配电柜GGD2台64低压电容器柜GGJ1-01、96KVAR台15动力配电箱XL-21台66照明配电箱PXTR-2台71.12供热1.12.1全厂热负荷及供热要求全厂办公室个生产车间冬季供暖使用1.12.2供热方案选择接入城西供暖系统，1500米接入管线和内部供暖设施。1.12.3室外气象参数冬季室外采暖计算温度-32℃；冬季室外通风计算温度-26℃；冬季室外主导风向NNW46%全年室外主导风向NW10%室外风速3.5m/s；冬季大气压力974hpa夏季大气压力985hpa；平均温度不高于+5℃的天数192天。1.12.4采暖方案仍沿用企业现有的采暖系统，采暖热媒为95～70℃的热水，采暖方式为单管顺流式，散热器采用M132型。1.13通风方案为保证生产车间工作环境良好，空气新鲜，在生产车间设置了轴流风机进行有组织的通风换气，通风换气次数为每小时3次。1.14地震设防根据《全国地震烈度区划度（1990）》，市属六度地震烈度区。因此，本项目抗震设防按此标准，严格执行国家《建筑抗震设计规范》（GBJ11-89）。1.15消防1.11.1简述工程环境及火灾危险性序号主要生产性建筑物名称建筑物占地面积（m2）建筑物体积（m2）耐火等级生产火灾危险性类别1主车间55005500二级戌类2办公室20002000二级戌类3原料库成品库38003800二级戌类1.11.2四邻环境对本项目安全影响因素本项目厂址西、北两侧邻市郊道路，东侧为空地，南侧百米外是齐北铁路。所以，四邻环境对本项目安全无不良影响。1.11.3有关消防设施的自然条件a、本项目厂址为项目厂区内设有容积为25m3的水塔一座，厂区分布着供水和输水管网，管网上适当处安置着地下式防冻消火栓。b、本项目厂址距市公安消防队的距离不足3KM。消防的社会协作条件较为优越。1.11.4消防措施简述a、本项目消防用水量为3L/S，10m3/h。按火灾一次延续时间2小时计，需贮存消防用水20m3。b、室内设置DN65的消火栓，室内消防管网设计为环状，并有两个DN100的进水口。c、在室外新增供水管网的适当处设置地下式防冻消火栓。d、所有消防设施和供水装置均作为二类负荷，采用双电源供电。e、本项目将严格按照《建筑灭火器配置设计规范》（GBJ140-90）的要求，在各建筑物内配置手提式化学灭火器。1.16职业安全卫生1.16.1设计依据国家及项目所在地的有关规定（1）《中华人民共和国劳动法》第六章第53条规定：“新建、改建、扩建工程的劳动安全卫生设施必须与主体工程同时设计、同时施工、同时投入生产使用。”（2）《黑龙江省劳动安全条例》第二章第11条规定：“生产性建设项目