鲁能海西州塔式定日镜支架制造工艺研究

张希强

（山东电力建设第三工程有限公司，山东 青岛 266100）

1 项目概况

鲁能海西州格尔木多能互补集成优化示范项目是国家能源局于2017 年2 月公布的首批23 个多能互补集成优化示范工程之一，也是国际领先的“风、光、热、储”多能互补、智能调度的纯清洁能源综合利用创新基地。该项目总装机容量700MW，其中200MW 光伏发电项目、400MW风电项目、50MW 光热发电项目及50MW 储能系统，建成后年发电量约12.625 亿kWh，每年可节约标准煤约40.15 万t，减少烟尘排放量约5 431.96t，将形成集风电、光伏、光热、储能多种能源优化组合，有效减少煤炭消耗，降低大气污染，对促进节能减排，实现能源可持续发展具有重要的意义。

作为该项目的EPC 总承包方，我公司承担了项目镜场4 400 套液压驱动定日镜支架的制作工作，每套定日镜采光面积138m2，定日镜场面积为610 000m2，年净发电量预计达1.6 亿kWh。

2 研究背景

塔式太阳能热发电技术是大型太阳能热发电中最为经济的发电形式。由于我国在太阳能热发电领域的相关研究起步较晚，目前尚未有对定日镜支架加工制作进行研究的著作文献，因此本文将对液压驱动型定日镜支架加工制作进行研究，以期达到抛砖引玉，为后续国内光热项目定日镜支架加工提供理论支持和经验参考。

定日镜支架全天候暴露在恶劣的自然环境下，经受大风、紫外线、雨雪等的考验，还要持续保持高精度和稳定性，要满足如此苛刻的使用要求，需要加工制作打破常规，另辟蹊径。有些人认为定日镜支架是光热电站中无足轻重的部件，与光伏支架混为一谈，但事实并非如此。两者主要区别如下。

1）技术成熟程度 常规的光伏支架结构固定，加工制作简单，技术成熟；定日镜支架结构形式复杂，需要与机电液一体化配合，国内技术尚不成熟。

2）使用方向 光伏支架一般用规模小、安装分散；定日镜支架规模大、安装集中。

3）投资成本 定日镜支架投资成本远高于光伏支架。

4）建设条件 定日镜支架对建设条件要求较高，需要配备专业的组装车间，光伏支架对建设条件要求较低。

通过分析定日镜支架结构件加工制作的整个过程，研究定日镜各组成部件的加工工法，实现对高精度大型定日镜支架结构制作从无到有，从有到优的加工难度及制作成本转变过程，从而推动太阳能光热发电产业链的发展，使得大型定日镜支架加工制作技术可以得到更加成熟、广泛的应用。

3 定日镜支架组成

定日镜支架结构由镜框、桁架、扭矩管、立柱、回转执行机构5 大部分构成（图1）。

整个定日镜支架主部件为5.29m 立柱和11.6m 长扭矩管，二者通过1 个装有特殊轴承的液压回转支撑部件连接到一起。通过对液压装置的控制，实现定日镜的定向。

2 个安装在回转支撑部件上的液压缸与连接立柱的支架连接，实现定日镜平面方位角调整功能。另一个安装在回转支撑部件上的液压缸与扭矩管连接，实现定日镜立面方位角调整功能。

镜面通过方管桁架将外力载荷传递到定日镜支架结构上。有6 个桁架以立柱平面为中心对称布置于扭矩管两侧；另外32 个镜面框架（4 列8行）连接到桁架上，每个框架通过35 个可调节不锈钢托架通过硅胶与2 片镜面相连。

4 过程难点分析

4.1 立柱

法兰孔与圆管中心线要求同心度1mm、垂直度1.5mm，上法兰平面度0.5mm，下法兰平面度1mm，采用常规做法无法满足设计要求，通过机加工才能实现，成本较高（图2）。

图2 立柱细部图

4.2 横梁

与液压执行机构连接部位配合精度较高，同心度0.1mm，位置度0.5mm，由于外形尺寸较大，铆焊完机加工需采用大型龙门数控镗铣床，成本极高（图3）。

图3 横梁细部图

4.3 桁架

所有杆件壁厚薄（1.5/2mm），焊接变形量大，加工数量大。桁架与镜框连接部位，孔距间要求精度小于1mm（图4）。

图4 桁架细部图

4.4 架转动装置部件

不同平面大孔要求同心度0.5mm、平行度0.5mm，位置度0.5mm，孔径偏差0.03mm，机加工工作量大、要求高，需要制作专用工装。其中，对于回转轴承要求使用年限25 年，极限使用环境温度-33.6℃。本项目存在大型高精密轴承，0mm 游隙，2 个孔位置精度0.05mm，要求精度高，国内外只有少数厂家具备加工能力，加工周期长，采购成本高（图5）。

图5 回转部件细部图

4.5 镜框

框架壁厚薄（1.2/1.5mm），焊接变形量大，构件数量大。镜框安装孔位置公差0.5mm（图6）。

图6 镜面框架

5 制造难点攻克及创新

针对立柱、横梁、桁架、转动部件、镜框等加工结构特点，设计专用工装，以提高加工制作准确性及效率。引入数字建模模拟加工过程，节约试制时间，降低试制成本，实现试制一次成功。通过不断试验，调整各部件的焊接顺序，最终焊接完成后达到图纸设计公差要求，达到批量化生产要求。除采用工装外，对各部件进行拆解，复杂结构利用模块化预组装原理，控制焊接变形，消除累积变形。

1）立柱工装 立柱根据设计图要求，需要对端部法兰进行机加工，工作量大，加工周期长，成本高。为解决此问题，通过设计工装、采取焊接变形等控制措施，经试制样件检验，在不进行端面机加工的前提下，最终满足上述公差要求（图7、图8）。

图7 立柱工装建模

图8 立柱工装实物

2）横梁组装 通过基准转换原理，将精基准从工件转移到工装上，使原本需要大型龙门铣床加工的扭矩管，能够使用小型镗床预加工到位，然后通过装配工装实现基准精准定位，成功解决加工难题（图9、图10）。

图9 横梁组装胎架建模 图10 横梁组装胎架实物

3）回转体组装 通过试制采用装配工装实现基准精准定位，采用模块化组装原理，将累积误差一一化解，控制了焊接变形，成功解决整体加工精度问题（图11、图12）。

图11 回转体组装胎架建模 图12 回转部件实物

4）桁架组件 桁架组件数量大，使用专用机床冲剪开孔一次成型，焊接采用焊接机器人，以满足大批量合格供货要求。通过方案设计，大幅减少了工序，降低了累积误差，提高了加工效率（图13）。

图13 焊接机器人和变位机示意图

5）镜框组件 镜框组件数量大，精度要求高，批量生产采用焊接机器人焊接，工装采用自动变位机，提高工作效率，满足加工要求。镜面托架圆板采用开模冲孔成型，圆杆采用冷镦成型，焊接采用栓钉焊。质量及效率完全满足项目进度需要（图14）。

图14 镜框变位机

6 成果分析

1）经济效益 通过创新优化，在各加工工序降低了定日镜加工制作成本，整个项目预计共节约成本超过1 000 万元，但项目运行过程中仍需将人工费、材料费、运输费进行综合考量，尤其加工厂到现场之间的运输成本也非常关键，需仔细斟酌后选定最优方案实施。

2）工期分析 由于定日镜支架需要在现场进行组装安装，各组件部件数量庞大，部分精密部件加工周期长，现场组装需要配套供货，对生产厂造成的供货压力巨大。通过新工法的引入，大大提高了加工制作效率，各环节综合考虑，根据安装需求调整生产流水线各工装机具配比，以满足现场大批量配套供货需求。

3）可行性分析 目前制约大型定日镜支架加工制作主要有以下3 个因素：①定日镜支架零部件加工的精度控制与最终组装的精度控制；②焊接与镀锌热变形问题；③规模化生产效率和良品率的控制。本文通过新工法的研究试用，已经较大程度实现了对上述3 个问题的控制，使大型定日镜短期批量合格加工制作成为现实。

4）质量分析 在进行新工法的研究同时，引入了严格的品控管理制度，为各环节各工序制定专用检验记录文件，做到所有设计参数均有据可查，实行闭环控制，消除质量隐患，以满足定日镜支架高精密度加工制作要求。

7 结语

通过对本项目定日镜支架整体加工制造工艺的研究，总结了国内最大镜面支架加工制作方案的合理性、经济性、可行性，为后续项目运行及其他项目成本工期控制提供了理论及实践依据，打通了国内塔式光热产业链条上重要的一环。