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漫谈风电机组大型化中的塔架

日期:2023-01-10    来源:五指冠风  作者:崔新维

国际风力发电网

2023
01/10
14:17
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关键词: 双机头机组 水平轴风电机组 风电机组

在陆续推出机组、齿轮箱、叶片和主轴承漫谈小文之后,受到同行的广泛关注和鼓励。已有计划继续推出若干漫谈文字,涉及双机头机组、机组偏航、机组冷却散热、再谈机组大型化、再谈齿轮箱、再谈主轴承等内容,与国内同行交流沟通,并希望引起共鸣和认同。

风电机组中的塔架是一个支撑部件,它本身并不直接参与机组的能量转换,却对能量转换的程度有着直接的影响,其影响的大小取决于它的高度。一直以来,在人们的视野中,可见的是机组越来越大,塔架也越来越高;不可见的是,塔架在整个机组系统中的成本占比也越来越大,于是又可见越来越多样化的塔架。

1.风电机组中的塔架

众所周知,风功率正比于风速的三次方,也即风速是影响风功率的最主要因素。要想获得最大化的风功率,通常有自然和人为两种途径。自然方式是选择风资源丰富的区域,人为方式是提高机组的塔架高度(利用风剪切效应)。对于最常见的水平轴风电机组而言,从风力发电量的角度看,塔架的高度是越高越好。但是高塔架要受制于塔架本身成本和运输吊装成本,因此人们总是在塔架高度和项目成本之间寻找某种平衡,试图找到度电成本最低点。

今天谈起塔架时,人们可能很自然地认为,塔架就是将风电机组机头支撑到某一高度的圆筒形结构物。但细细想来,塔和架本是两个不太相干的东西。塔是古时就有的宗教建筑,特征是高耸;架主要指支撑物,特征是通透。同时符合这两个特征是格构塔,早期的风电机组选用格构塔也就很自然了。

随着机组容量的加大,尤其是偏航的需要,格构塔各向不同性以及扭转刚度不足的劣势越发凸显。而随着钢材的普及,加上从机头到地面安全防护上的需求,塔身封闭似乎是更好一种选择,参照同是早先采用的混凝土塔筒的结构样式,风电塔架就从20年前分类时谈到的格构式、混凝土式、圆管拉索式和钢筒式逐步归一成钢筒塔架一种。风电机组进入兆瓦级以后,钢筒塔在支撑高度、批量化生产效率和质量、现场安装便利性、安全防护性能、抗弯能力、扭转刚度、结构动力特性、可维护性、疲劳寿命等综合性能都有优异的表现,因此逐渐成为风电机组的标配,也是人们默认的塔架。

在设计风电机组时,首先要做的一项工作是载荷计算。载荷计算的理论基础是结构动力学,此时,将风电机组视为叶片-机舱-塔架结构动力系统,塔架被当作仅次于叶片的柔性体看待。在这个柔性体顶端支撑着越来越重的刚性体(机舱)后,塔架的结构动态特性备受关注,尤其是塔影效应。以至于按叶片扫过塔架的频率,将塔架分为刚塔(Stiff Tower——固有频率大于3P)、柔塔(Soft Tower——固有频率介于1P和3P之间)和超柔塔(Soft-soft Tower——固有频率小于1P)三类。从采用钢塔筒以来,最常用的塔架属于柔塔。需要特别说明的是,此“柔塔”非前几年热过一阵的彼“柔塔”。

但是,正如一切事务都有一个量变到质变的过程一样,近年来风电塔架也面临两大挑战,一是随着风电机组容量的增大,塔架的高度越来越高,随之的成本占比也越来越高;二是随着大规模商业化开发风电项目,较低高度层的风资源越来越贫乏,也需要更高的塔架。于是塔架高度从先前的几十米,到上百米,目前正逼近两百米。于是,面临越来越高的塔架,人们开展了各种各样的探索。

2.不断增高的风电塔架

在风电机组大型化中,有必要回顾一下两个和塔架高度有关的现象。

现象1——塔架高度与叶轮直径的尺度关系。从中小型机组、到百千瓦级机组和兆瓦级机组、再到多兆瓦级以上的机组,塔架高度也按照大于、约等于再到大于叶轮直径的规律演变。

现象2——风电场塔架高度的配置。在同等容量陆地机组,国外整机商和开发商倾向于配置较高的塔架。

现象1说明,风电机组的需要避开地表的基本障碍物,塔架高度不能太低;机组大型化后叶轮直径加大,简单提升塔架高度经济上不划算。

现象2说明,为了获得更多的风能,应使塔架更高,同时为了减小叶轮最高和最低位置的风速差,减缓叶轮的俯仰程度,进而减缓主轴系、偏航和塔架与基础的弯曲疲劳,也应尽量提高塔架的高度。

从这两种现象可以看出,当叶轮平面垂直迎风时,既要将叶轮置于一定的高度最大限度捕获风能,又要将叶轮的上下风速差最小化,提高机组的疲劳强度,还要控制叶轮的高度使项目成本最低化。这是一项在风能捕获及发电量、机组疲劳与安全、项目建设与运维成本等经济性和技术性之间的权衡,绝不是单位千瓦售价最低、买机组送塔架这么简单的逻辑。

由于开发商越来越注重风电项目的度电成本,因此风电机组必然会大型化,塔架的高度也不得不持续增高。为了解决高塔架对机组发电量的积极贡献与自身成本消极影响之间的矛盾,一方面需要满足对塔架不断更新的基本要求,另一方面持续研发各类新型塔架技术。

众所周知,大型化机组配高塔架,对塔架提出的挑战是,机组大型化带来了塔顶气动推力和俯仰弯矩的增加,塔架增高导致了塔底力臂的增加。两者叠加起来使塔底的弯矩载荷大幅度增加,这是机组大型化中塔架面临的基本问题。为了维持塔底的抗弯能力,可行的办法就是提高塔底截面的抗弯模量。材料力学告诉我们,提高抗弯模量最有效的办法是将截面的材料尽可能地分布在远离截面中心的位置上。基本的策略就是,对于周向材料连续的圆形,加大圆形的直径;对于周向材料不连续的多边形,扩大多边形的边长。具体的技术方案有:

1)全钢材大直径圆筒塔架

这种圆筒直径已经超出了公路运输的限制,不能像常规塔筒那样工厂制作,长途运输,现场吊装,必须要纵向剖分。由于塔架高度本身需要横向法兰,瓦片拼装又需要纵向法兰,这就出现了超静定结构的难题,大大增加了现场安装的难度以及法兰连接的风险。

2)钢筒-混凝土混合塔架

这类技术十多年前发源于国外,目前已有规模化应用。引入混凝土是为了代替钢材降低塔架的成本,一般是将混凝土塔筒置于塔架下部,承受巨大的弯矩。但是混凝土本身的抗拉能力远低于抗压能力,需要增加拉索抗拉,如果加上混凝土筒节的预制,大大增加了现场施工的周期,降低塔架成本的效果也并不理想。

3)钢筒-格构式组合塔架

这种技术是将原始的钢筒塔和格构塔叠放组合起来使用,其中的钢筒可作为机组的标配,格构塔根据场地定制。该方案中的钢筒与格构塔架都不是新技术,但是两者联接的接头是一个关键部件,除了有着复杂的受力状况外,本身的制作和运输也是难点。

上述塔架无论采用哪种技术,都还是局限在单根塔柱上。深究一下“塔”宗教建筑本源以及其他如电视塔、通讯塔、测风塔、烟囱等高耸结构物,它们的顶端既不安放一个巨大超重的质量体,也不会作用一个很大的横向载荷,因此将风电塔架简单看作高耸建筑物是远不够的。对于日益大型化的机组,可能需要基于风电机组的结构和承载特征上,重新思考一番,从塔架顶端的机组结构入手,研发新型的高塔架。

另外,海上风电的兴起,催生了浮动基础。海上浮动基础与陆地固定基础相比,除了本身浮动而不固定外,最明显的特征是,由于抵抗倾覆的需要,浮动支点是多个分布的,而固定式基础是单个支点集中布置。如果仅仅将固定基础换成浮动基础,上面原样不动,就可以从陆地机组变成海上机组,似乎浪费了浮动基础的代价。

基于上述两点,一个很自然的概念就是,突破现有的简单放大机型而大型化的思路,从另一种意义上开展机组、塔架和基础一体化设计,不失为一种突破。

3.结束语

在机组日益大型化的过程中,塔架作为一个支撑部件,其成本占比越来越高,承受的载荷越来越大,动态特性越来越复杂。

人们对于高塔架技术的探索从来没有停止过,有的机构似乎遍历了各种可能的高塔架技术而始终无法确定哪种高塔架方案行之有效。

如果仅从塔架上做文章,局限性可能很大。虽然是塔架面临的问题,但真正有效的解决方案并不一定局限在塔架上。

风电塔架是否存在卡脖子的问题?如何解决?都需要思考一番。

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