风电塔筒升降机运行能耗研究
牛永朝 谢丽蓉 李进卫 晁勤 王晋瑞
关键词： 风电场; 风力发电机; 塔筒升降机; 能耗; 概率分布; 变频电控系统
中图分类号： TN876?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 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 system0 ?引 ?言
自2006年《可再生能源法》實施以来，我国风电产业持续高速发展[1]。我国大功率风电机组安装量逐年增加且平均高度达80 m以上，在进行风电机组检修维护时，不仅会给风电场工作人员的人身安全带来危害，还会降低检修效率，而在风电机组上安装风电塔筒升降机可很好地解决这些问题。文献[2]从塔筒升降机的设计结构、属性等安全性进行分析，建议国家出台统一的安全标准，为风电产业保驾护航。文献[3]通过对风电机组相关要求及塔筒内部结构进行分析，提出在机组塔筒内部安装塔筒升降机的设计方案，并从设计原理、设计过程进行详细分析并给出计算方法。文献[4]介绍塔筒升降机的设计安全性，并与人工攀爬和助力器攀爬方式进行分析对比，对比结果表明，塔筒升降机相对其他两种攀爬方式在保障工作人员人身安全和检修效率方面具有显著优势。相对于人工攀爬，塔筒升降机具有显著优点的同时，其运行能耗问题成为影响塔筒升降机在风电场能否普及使用的因素之一。
在能耗研究方面，文献[5]采用层次分析方法对建筑物建造能耗进行计算。文献[6?7]给出电梯能耗的预测计算模型，大大简化了复杂电梯运行耗电分析流程。文献[8]使用电能表测量电梯每天的总能耗，但不能说明具体工况下的能耗情况。文献[9]通过数据图表查找的方式对带式升降机运行功耗进行计算，由研究结果可知查表计算结果与实际运行测量能耗误差较小。文献[10]提出一种操作简易和实用的施工升降机运行能耗测试方法，并对两台不同配置的施工升降机样机进行能效比对测试。从现有文献分析，目前研究学者对建筑电梯、矿井升降机、施工升降机等能耗的研究较多，对风电塔筒升降机研究的文献较少，且计算能耗的方法大多是通过现场试验来测试电流电压，再由大量测试数据进行分析。因此，本文在上述文献研究的基础上，提出一种风电塔筒升降机运行能耗的推算方法。通过分析风电塔筒升降机运行状况及受力情况，依据直流或交流变频电控系统的提升设备电耗计算分析方法，结合风电塔筒升降机设计说明书等资料对风电塔筒升降机单次运行能耗进行推算。最后对风电场进行实例计算，并与风电场初期安装风电塔筒升降机时试运行总能耗数据进行比较，验证该方法的准确性。
3 ?实例验算
本文以新疆达坂城某风电场为研究对象，所有计算数据均来源于该风电场。风电场装有25台2 MW的风力发电机组，但目前只有个别风电机组安装了塔筒升降机，为简化计算，假设在风电场25台风机都装有塔筒升降机的情况下运用本文的推算方法进行推算。由风电塔筒升降机设计手册得知塔筒升降机所用型号为TS?240/9，额定载重为240 kg，整机自重为250 kg，提升速度为9 m/min，升降机所用的电动机型号为YEJ90L?4，功率为1.5 kW。
根据EN1808规定及要求[14]，升降机正常工作时，提升平台对升降机的作用力系数为1.25，即升降机效率为0.8，另外该升降机电动机传动效率取0.8。为方便验算，本文考虑的塔筒升降机载荷量[M]为额定载荷量240 kg，由式（18）结合所知参数，则塔筒升降机在额定载荷的情况下运行一次能耗为0.175 kW[?]h。根据风电场安装塔筒升降机初期满载试运行1 000次所记录的总耗电量为182 kW[?]h可知，风电塔筒升降机平均提升一次实际耗电量为0.182 kW[?]h。本文所用推算方法计算结果与风电场实测记录数据绝对误差为0.007 kW[?]h，其相对误差为3.85%，结果表明，本文算法结果误差小，该理论推算方法可用于风电塔筒升降机运行能耗分析。
利用Matlab对2016年内每日风电场风机检修时塔筒升降机运行次数进行统计，结果如图4所示。
通过对图4风电场2016年检修攀爬次数概率情况分析，人工攀爬次数大多集中在8，12，14，16次，由式（20）计算1日内风机检修人工攀爬次数均值结果约为13次，安装塔筒升降机代替人工攀爬后，结合式（21）计算可知风电场各时期内利用塔筒升降机检修风机时的能耗情况，如表2所示。
由表2可知，塔筒升降机安装后，利用塔筒升降机进行风机检修时，塔筒升降机运行时所消耗的电量较小。4 ?结 ?论
为更进一步了解风电塔筒升降机，本文从风电塔筒升降机运行能耗方面入手。通过对风电塔筒升降机运行能耗推算及能耗量化结果分析，得出以下结论：
1） 在风电塔筒升降机运行时，加速度与减速度绝对值相等、升降机辅助设备内部能耗不变的情况下，风电塔筒升降机运行能耗大小取决于提升高度和升降机载荷量大小。
2） 风电塔筒升降机运行能耗推算结果比风电场给出实测数据误差小，方法可行，该推算方法可用于风电塔筒升降机运行能耗计算。
3） 风电场风机检修时，利用塔筒升降机搭载检修人员上下风机时其运行能耗较小，为风电场评价塔筒升降机能效提供参考。
参考文献
[1] 丁坤，吕清泉，蔡旭，等.采用样板机法计算风电场弃风电量的实测数据统计分析[J].可再生能源，2016，34（1）：56?63.
DING Kun， L? Qingquan， CAI Xu， et al. Statistical analysis of measured data for calculation of curtailed wind power using modal machine method [J]. Renewable energy resources， 2016， 34（1）： 56?63.
[2] 马彬锐.风力发电机组塔筒电梯的设计与使用[J].电气制造，2012（6）：42?44.
MA Binrui. Design and use of tower crane for wind turbines [J]. Electric manufacturing， 2012（6）： 42?44.
[3] 王廷锋.风电塔筒升降机安全性能分析[J].中国特种设备安全，2011，27（7）：13?15.
WANG Tingfeng. Safety analysis of wind turbine tower lifts [J]. China special equipment safety， 2011， 27（7）： 13?15.
[4] 丁增杰.一种风电机组塔筒升降設备的设计[C]//第三届中国风电后市场专题研讨会.北京：中国风电协会，2017：5.
DING Zengjie. Design of a tower crane lifting device for wind turbines [C]// The 3rd Wind Power Industry Conference. Beijing： China Wind Power Committee， 2017： 5.
[5] 王士琴.电梯能耗测量与能效评价方法的研究[D].上海：上海交通大学，2009.
WANG Shiqin. Research on elevator energy consumption measurement and energy efficiency evaluation method [D]. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2009.
[6] 余曉明，王海霞.电梯能耗的简易估算方法[J].河南建材，2016（5）：189?190.
YU Xiaoming， WANG Haixia. A simple estimation method for elevator energy consumption [J]. Henan building materials， 2016（5）： 189?190.
[7] 顾德仁.电梯电气原理与设计（现代电梯技术系列教材）[M]. 苏州：苏州大学出版社，2013.
GU Deren. Elevator electrical principles and design （modern elevator technology series textbook） [M]. Suzhou： Suzhou University Press， 2013.
[8] DONALD Cooper. Energy consumption of various elevator drives [J]. Elevator world， 1987， 35（3）： 20?23.
[9] 吴景云.带式输送机功率的简易计算法[J].起重运输机械，1997（3）：10?11.
WU Jingyun. A simple calculation method for the power of belt conveyor [J]. Lifting and transport machinery， 1997（3）： 10?11.
[10] 黄冀，郭凯，陈永继，等.施工升降机能耗测试方法的研究与应用[J].建筑机械化，2017（2）：63?65.
HUANG Ji， GUO Kai， CHEN Yongji， et al. Research and application of energy consumption test method for construction elevators [J]. Construction mechanization， 2017（2）： 63?65.
[11] 漆安慎.普通物理学教程：力学[M].北京：高等教育出版社，1997.
QI Anshen. General physics： course mechanics [M]. Beijing： Higher Education Press， 1997.
[12] 李玉瑾，寇子明.矿井提升系统基础理论[M].北京：煤炭工业出版社，2013.
LI Yujin， KOU Ziming. Basic theory of mine hoisting system [M]. Beijing： Coal Industry Press， 2013.
[13] 庞启淮.小功率电动机选择与应用技术[M].北京：人民邮电出版社，1998.
PANG Qihuai. Selection and application technology of small power motors [M]. Beijing： People′s Posts and Telecommunications Press， 1998.
[14] British Standards Institution. EN 1808： 1999 safety requirements on suspended access equipment： design calculations， stability criteria， construction， tests [S]. London： British Standards Institution， 1999.
关键词： 风电场; 风力发电机; 塔筒升降机; 能耗; 概率分布; 变频电控系统
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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 system0 ?引 ?言
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在能耗研究方面，文献[5]采用层次分析方法对建筑物建造能耗进行计算。文献[6?7]给出电梯能耗的预测计算模型，大大简化了复杂电梯运行耗电分析流程。文献[8]使用电能表测量电梯每天的总能耗，但不能说明具体工况下的能耗情况。文献[9]通过数据图表查找的方式对带式升降机运行功耗进行计算，由研究结果可知查表计算结果与实际运行测量能耗误差较小。文献[10]提出一种操作简易和实用的施工升降机运行能耗测试方法，并对两台不同配置的施工升降机样机进行能效比对测试。从现有文献分析，目前研究学者对建筑电梯、矿井升降机、施工升降机等能耗的研究较多，对风电塔筒升降机研究的文献较少，且计算能耗的方法大多是通过现场试验来测试电流电压，再由大量测试数据进行分析。因此，本文在上述文献研究的基础上，提出一种风电塔筒升降机运行能耗的推算方法。通过分析风电塔筒升降机运行状况及受力情况，依据直流或交流变频电控系统的提升设备电耗计算分析方法，结合风电塔筒升降机设计说明书等资料对风电塔筒升降机单次运行能耗进行推算。最后对风电场进行实例计算，并与风电场初期安装风电塔筒升降机时试运行总能耗数据进行比较，验证该方法的准确性。
3 ?实例验算本文以新疆达坂城某风电场为研究对象，所有计算数据均来源于该风电场。风电场装有25台2 MW的风力发电机组，但目前只有个别风电机组安装了塔筒升降机，为简化计算，假设在风电场25台风机都装有塔筒升降机的情况下运用本文的推算方法进行推算。由风电塔筒升降机设计手册得知塔筒升降机所用型号为TS?240/9，额定载重为240 kg，整机自重为250 kg，提升速度为9 m/min，升降机所用的电动机型号为YEJ90L?4，功率为1.5 kW。
根据EN1808规定及要求[14]，升降机正常工作时，提升平台对升降机的作用力系数为1.25，即升降机效率为0.8，另外该升降机电动机传动效率取0.8。为方便验算，本文考虑的塔筒升降机载荷量[M]为额定载荷量240 kg，由式（18）结合所知参数，则塔筒升降机在额定载荷的情况下运行一次能耗为0.175 kW[?]h。根据风电场安装塔筒升降机初期满载试运行1 000次所记录的总耗电量为182 kW[?]h可知，风电塔筒升降机平均提升一次实际耗电量为0.182 kW[?]h。本文所用推算方法计算结果与风电场实测记录数据绝对误差为0.007 kW[?]h，其相对误差为3.85%，结果表明，本文算法结果误差小，该理论推算方法可用于风电塔筒升降机运行能耗分析。
利用Matlab对2016年内每日风电场风机检修时塔筒升降机运行次数进行统计，结果如图4所示。
通过对图4风电场2016年检修攀爬次数概率情况分析，人工攀爬次数大多集中在8，12，14，16次，由式（20）计算1日内风机检修人工攀爬次数均值结果约为13次，安装塔筒升降机代替人工攀爬后，结合式（21）计算可知风电场各时期内利用塔筒升降机检修风机时的能耗情况，如表2所示。由表2可知，塔筒升降机安装后，利用塔筒升降机进行风机检修时，塔筒升降机运行时所消耗的电量较小。4 ?结 ?论为更进一步了解风电塔筒升降机，本文从风电塔筒升降机运行能耗方面入手。通过对风电塔筒升降机运行能耗推算及能耗量化结果分析，得出以下结论：
1） 在风电塔筒升降机运行时，加速度与减速度绝对值相等、升降机辅助设备内部能耗不变的情况下，风电塔筒升降机运行能耗大小取决于提升高度和升降机载荷量大小。
2） 风电塔筒升降机运行能耗推算结果比风电场给出实测数据误差小，方法可行，该推算方法可用于风电塔筒升降机运行能耗计算。
3） 风电场风机检修时，利用塔筒升降机搭载检修人员上下风机时其运行能耗较小，为风电场评价塔筒升降机能效提供参考。
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