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低风速时代下的“高塔”大比拼!

日期:2021-04-12    来源:欧洲海上风电  作者:奥夫少

国际风力发电网

2021
04/12
08:21
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关键词: 风电塔筒 风电设备 风电塔架

这两天,一篇讨论塔筒类型的文章引起了业内的关注。对于“高塔”未来的技术路线,以及“柔塔”的来龙去脉,且听小编慢慢道来……

在“3060目标”的指引下,全国各地都掀起了一股新能源投资热潮。陆上风电一直是新能源的主战场,但近年来,战斗在第一线的风电开发人员明显感觉到,受制于环保等因素,“找地”越来越难了。开发商不得不把目光放到了前几年“看不上”的低风速地区。

为了在低风速地区保障风机的发电量,让不可行的项目变为“可行”,加长风机叶片,并抬升轮毂高度捕获更多的风能成为行业追求的风向。

陆上风电瓶颈何在?

下图为中国气候中心朱蓉老师分析显示的因为技术突破所带来的全国风电新增可开发区域(粉红色区域)。通过进一步调研分析,针对30m及以上高度的剪切值,发现超过0.2的区域主要集中于苏北平原与安徽东部,距离海岸线10km范围向内陆延伸至洪泽湖一带,面积约3.28万平方公里;山东省西北部至河北省南部平原、天津和冀东平原一带,约5.5万平方公里,开发前景广阔。可以说除去长叶片,高塔筒技术为风电行业带来前景无限。

欧洲地区对高塔筒的应用较为普遍,目前全球最高的塔筒记录也由欧洲国家保持。其中,世界上最高的全钢制塔架风机在风电巨头Vestas芬兰开发的Viinam?ki风电项目中安装使用,塔架采用全新“斜拉式”风机塔架技术。

目前世界上最高的塔架记录由位于德国斯图加特Gaildorf的Max Bgl 风场创造。风场安装4台GE 3.4-137风机,轮毂高度178米,上部是钢制塔筒,下部是40米高的抽水蓄能混凝土基础。

那么问题来了,升高塔筒增加的发电收入是否能覆盖增加的成本呢?一般来说,90米的传统塔筒重量约300吨,而120米的传统塔筒重量则接近600吨,可想而知140米的传统塔筒在这非线性的增长下会达到什么重量。寻求经济可靠的高塔筒形式成为当下行业的“痛点”。

高塔筒分类

全球范围内高塔筒技术已研制多年,具有多种技术路线,比如全钢柔性塔架、混凝土塔架、钢混塔架、桁架结构塔架、斜拉索结构塔架等。经过多年的发展,现在有较多应用的有全钢柔性塔筒、混凝土结构(全混和半混均有批量应用)、桁架结构。各种主要路线的对比介绍如下。

1、全钢柔性塔筒

全钢柔性塔筒是指通过智能控制技术突破频率对塔架设计的约束,大幅降低塔架的用钢量,整机频率低于风轮一倍转频的全钢高塔筒。最早在1982年便有成熟的应用。

一般设计要求塔架的自然频率要显著高于风机的风轮转动频率,从而避免塔架的自然频率和风机风轮的旋转频率相交而产生共振。柔性高塔架技术就是通过先进的控制算法,在塔架高度增加的情况下确保塔架的极限和疲劳强度满足设计要求,但是不需要维持塔架的频率必须显著高于风机的风轮旋转频率的约束条件,这可以显著降低塔架成本。

1982年,NASA旗下的United Technology就研发出了全球首台采用柔塔的风机——WTS-4。

全球首台采用柔塔的风机——WTS-4

采用柔塔的远景能源分布式风电项目

全钢柔性塔筒

优点

经济性好。相较于其它技术路线,柔性设计使得用钢量大幅降低。

生产制造运输工艺成熟。柔性塔筒的外形结构与传统塔架并无区别,所以生产制造质量能够充分保障,供应链也很成熟,同时因为外径保持常规塔筒的设计,运输也非常的方便。

吊装效率高。圆锥钢塔筒的吊装工艺已经非常成熟,而柔性塔筒与常规塔筒的吊装工艺差别不大,熟练工和设备市场存量丰富,所以柔性塔筒的吊装效率和现场吊装质量可以得到保证。相比于钢混塔筒、桁架式塔筒,柔塔的产业链已完全成熟。

缺点

柔性塔筒对控制技术的要求较高,一般厂家难以掌握。如果控制技术不佳,塔架可能与轮毂发生共振而引发事故。

应用业绩

全球100m以上的柔性塔筒应用业绩接近万台,最高达到166米,主要应用厂商集中在控制技术优异的一流风机厂家,比如维斯塔斯、歌美飒、西门子等,国内掌握该技术的厂家主要有远景和金风。

2、混凝土结构塔筒

全球也有很多采用了混凝土结构的塔架设计,包括全混凝土塔架、半钢半混凝土塔架、圆环结构混凝土预制塔架、方管结构混凝土预制塔架、现浇塔架等。

混凝土结构塔架

优点

结构刚度大,阻尼比高,相对稳定,对于控制技术的要求不高。同时保持刚度设计的前提下,材料成本提高不多。

缺点

现浇混凝土现场施工周期长;预制混凝土结构件现场施工工艺复杂,模具成本高,工厂预制运输繁琐,现场预制质量较难控制。

应用业绩

欧洲地区因为钢价很高所以应用较多,在南美地区因为基础工业水平低因此业绩也不少,全球总计各种不同结构形状的超过120m混凝土结构塔架有过千业绩。

3、桁架结构塔筒

进入高塔架时代,桁架结构效率高、刚度大,与传统锥筒塔架相比用钢量大大节省,又开始被应用。桁架结构也有因结构型式不同的细分,包括3腿结构、4腿结构、5腿结构,还有半筒半桁架结构等。

桁架结构塔架

优点

用钢量节省,经济性较好。桁架结构对于钢材的利用效率高,如不考虑螺栓的维护,整体经济性较好。目前桁架结构的设计厂家大多声称螺栓连接件是免维护设计。

结构刚度大,相对稳定。因为桁架结构底部跨距较大,整体结构刚度很大,因此机头稳定性较好,对于控制要求不高。

运输便利,用集装箱就可以分批运送到机位处,在复杂山地,或者穿越村庄的小路会有较大的优势。

缺点

现场安装工序繁琐,周期较长。螺栓的紧固工作量很大,如果是超过120m的设计,螺栓数量近万,存在质量风险。

全生命周期维护工作存在风险。虽然现在大多桁架塔架的设计方都声称免维护,但是高塔架还没有得到时间的验证。

美观性比较差,所以有些国家地区禁止采用该类设计。

同时爬塔舒适性较差。

应用业绩

超过120m的高塔架全球装机量200台左右,大多集中在德国、美国和印度。因为现场人工消耗多,所以在欧洲的应用也没有太广,在印度比较容易被接受。国内目前有部分机构在探索,尚无成熟应用。

分片式:未来高塔新趋势

随着塔筒不断升高,大直径钢塔陆上运输的限制也需要解决,大直径分片式技术可以使全钢塔承载更大载荷和高度,并让运输问题迎刃而解,目前主要应用在陆上中低风速区域的高塔。

分片式在全球已有不少应用。2020年1月19日,维斯塔斯在河北省秦皇岛市昌黎县完成的162米高度V136-3.8MW风机即采用了分片式塔筒结构。

采用分片式塔筒结构的维斯塔斯V136-3.8MW风机

该技术早几年已经运用在了维斯塔斯位于德国的166米高度机组上,使运输更加方便。

另一个风电届的传奇公司Enercon也很早就启用了分片式塔筒。塔筒钢板通过螺栓连接进行组装,形成一个类圆形的塔筒,这种形式下不用考虑大直径法兰的生产难题。

Enercon风机的分片式塔筒

据悉,天顺风能股份有限公司在2014年就承接制造了大直径分片式钢制塔筒项目,其技术经理张华称,2014年3月份,公司生产的大直径分片式钢制塔筒高度达到138米,用以满足风电开发商的需求,提高低风速风区风机的发电量及效率。

大直径钢制塔筒增大了底部塔筒的直径,能有效提高塔筒的载荷能力。直径最大的底端塔筒将纵向分为3瓣,有利于运输便利,到现场后再通过纵向法兰组装在一起。

分片式继承了全钢塔的一系列优势,同时可实现轻量化,提高经济性。高柔塔分片式的设计考验主机厂的设计和全套解决方案能力,金风科技、远景能源等厂家均有技术储备。

“对于维斯塔斯、远景、金风等高柔塔技术掌握比较好的,完全可以通过常规全钢柔塔或全钢分片来解决高塔高度增加的需求。”张华表示。


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