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百舸争流!论风电全钢柔塔、钢混塔架、桁架式塔架优劣分析

日期:2023-08-23    来源:旭峰追风

国际风力发电网

2023
08/23
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关键词: 风电机组 风电塔架 风电技术

安装明阳风电机组的各种塔型展示

风机大型化是大势所趋,与之相对应的是塔筒高度的提升,传统刚性塔筒重量呈直线上升。90米高的传统塔架一般重约200余吨,140米高则已接近600吨...出于轻量化、钢材价格等考量,全钢柔塔、混塔、桁架塔应势而生,赢得了一席之地并被市场认可。

对高塔架技术的孜孜追求,同大多数风电技术市场化过程异曲同工,那就是提高发电量—控制成本—确保可靠性为达目的,几乎所有整机商甚至设计院,都在高塔架技术上倾入了大量资源。基本三个方向

减轻重量、改变结构、材料替代。

全钢柔塔筒

迭代产品

柔塔

柔塔的“柔”,与叶轮额定转速有关,叶轮额定转速下的频率在塔筒自身频率以上的是传统刚性塔筒,以下则是柔塔。塔筒自身频率与塔筒材料有密切关系。

高度在120米-140米风电机组,已多数采用柔塔,相对于刚性塔筒,塔筒重量明显降低,造价明显降低,材料、工艺、运输、吊装和传统刚性塔架并无实质区别。

因为柔性塔筒与叶轮旋转频率相交,就有可能产生机组共振问题。这就需要柔塔机组采用与刚性塔筒不同的控制策略,来避开共振区。

采取策略

1、当叶轮达到一定转速,接近塔筒频率可能产生的共振点前,控制系统将叶轮转速压制于共振点转速之下,直到转速明显高于共振点时,再将叶轮直接跳过共振点进行高转速运行。

2、塔筒内增加阻尼器装置,改变塔筒自身固有频率。

分片式柔塔

在不改变材料性质条件下通过增大塔筒直径,提高结构抗弯模量和惯性矩,大直径塔筒应运而生,但直径过大会影响运输,通过分片技术解决,根据机型不同将塔架一部分做成分片结构,可以使柔塔直径从4.5米增加到6米以上,目前已有很多成功案例。

柔塔前景分析

塔筒重量明显降低,经济性提高,但存在一定技术风险点。柔塔在叶轮转速到某一个点上会产生共振,容易导致“塔筒共振”和“涡激振动”;塔筒高度增加带来摆幅增大,影响机组稳定运行。

相比120米-140米柔塔只需考虑一阶振动时的自动偏航、变桨抗涡功能,二阶振动的液体阻尼器设置,吊装时的涡激振动而言,160米及以上的柔塔则需要考虑高阶振动问题。这就要根据仿真及实物样机运行情况进行先进的风机控制策略开发。

钢混塔架

当前宠儿

混塔

钢混塔一般指钢材和混凝土共同构成的塔架系统,其下部是混凝土段,上部是钢塔段,整体结构刚度大,可靠性更强,有现场浇筑、现场工厂整环预制、集中工厂分片预制3种方案。

对于160m级别以上超高风机,全钢柔塔技术方案存在太大不确定性,同时,钢材等原材料成本上升,混塔技术成为提升风机高度与保障机组可靠性运行的另一选择。

6月4日,中国混凝土与水泥制品协会风电混塔分会在南京成立,标志着风电混塔市场正愈发成熟,混塔技术或将成为未来风电高塔筒项目的主流选择。

混合塔架由下半段预应力混凝土结构和上半段钢塔筒组成。混凝土塔筒、钢塔筒、风机基础通过预应力钢绞线连接。

目前国内混合塔架形式多种多样。

按混凝土段分片可分为长片和短片。

按混凝土段连接方式

可分为灌浆连接和螺栓连接。

按预应力形式可分为

体内预应力和体外预应力。

按截面形式可分为

圆形、倒角正方形、正多边形。

归纳目前已有混塔形式,国内混合塔架技术三个主要的发展过程

(1)体内预应力+灌浆连接。

(2)体外预应力+灌浆连接。

(3)体外预应力+螺栓连接。

从发展过程中可以看出,混合塔架技术一直朝着施工便捷方面发展。

当然,我们也应该看到,对比钢塔,虽然混塔有着成本低、结构刚度大、运输限制少这些显著的优点。其无可避免的天生缺陷依旧是业界长期以来的痛。

首先,混塔生产及吊装周期长,对环境要求较为严苛。三北地区寒冷干燥的环境往往是混塔生产制造和储存养护的大敌。干燥会使水泥缺乏足够的粘结力,从而会在混凝土表面出现片状或粉状脱落。而其远超钢塔的吊装周期,也不断地考验着开发商们有限的耐心。

其次,混塔质量管控难度大。预制管片对环境温度、湿度等因素较为敏感,养护过程中易产生裂缝,修复困难;运输和安装过程更是管片发生损伤的重灾区。混塔预应力拉索工艺复杂,每个关键质量控制点都需要在施工工程中持续关注。

再次,混塔吊装完成后还有着一些难以克服的小毛病。比如混塔内部渗雨,混凝土边角掉渣,外观灰不溜秋不够美观等。这些虽是疥癣之疾,但也同样值得业界关注。

新兴技术与传统主流技术是相互转化的。在基础环作为主流技术的时代,锚栓原本也不被接受,而现在的新增市场上已再难找到基础环的身影。同样的,混塔技术也正依靠着它难被取代的优势开辟着一个新的时代。

不难预见,混塔会随着产业集群的不断发展,供应链的协同降本,技术的持续创新,项目经验的持续积累,不断优化和解决已知问题,成为风电产业的发展的重要支撑。

桁架式塔架

新型塔架

桁架塔

同外表简单、控制复杂的柔塔相比,桁架塔的技术发展方向恰恰相反。在结构上,桁架塔与筒状塔架有着明显差别,正是由于底部跨度大使承载力更强,天生适合做高塔架。

桁架塔的基础类似于输电塔架的点式分布,占地面积很小,使其不再局限安装于一块完整而平整的土地上。由于几个支脚独立浇筑,桁架塔甚至可以跨河道、水塘、农田、道路应用,机组运行不影响土地原始用途。可以这样理解,桁架塔如果大规模应用,将在一定程度上使风电摆脱用地限制。

但现在的问题是,桁架塔的基础用地还是以征为主,而不是以租为主。这不但无法发挥其优势,还使优势成为劣势:由于基础跨度大,征地时比普通塔筒征地面积多一倍左右。

“目前我国风电项目根据其所用土地性质及用途不同,适用政策也不同,对于永久用地及占用农用地的,需办理征地审批手续。但现实中桁架塔对农业生产的实际影响与输电线路铁塔十分接近,完全可以参考输电铁塔采用‘以租代征’的用地形式。

高塔架趋势分析

业内分析,“如果风切变在0.2以上,140米塔架再往上总体收益仍呈现上升趋势,直到发电量与投入成本达到一个平衡点。”以目前的技术水平,这个高度被大致定位在180米至185米间。而将塔架高度从140米提高到185米,可以提高项目收益率一个百分点左右。

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