風力發電機組采用圓筒塔與格構式塔架的綜合管理經濟效益分析

■曾 鐸 ■江西省建筑設計研究總院，江西 南昌 330046

自1980 年以來，風力發電機單機發電能力提高500 倍，相應風電機組塔架的高度也從最初的30 米左右達到現在的100～200 米［1，2］。目前，在國內外，風電機組塔架多為圓筒結構，圓筒結構具有結構簡單、美觀，各方向具有相同的強度、剛度、穩定性，塔架直徑從上到下變化緩慢、葉片與塔身的距離從上到下相差不大，運行維護方便等優點，便于做整體防蝕處理，投入運行后便于日常維護管理［3，4］。但是也有鋼材消費量大、運輸難度大、安裝場地要求高、塔筒安裝和轉運需要大型設備、塔架整體剛度小等明顯缺點。然而格構式塔架可以克服圓筒式鐵塔造價高、運輸難度大、塔架整體剛度小的缺點。特別是對山地風場來講，塔筒運輸是風場建設過程中最艱難的工作之一，運輸大型塔筒存在隧道及橋涵洞口的高度不夠的難題;存在大型塔筒運輸道路建造對山體植被破壞的難題;存在塔筒基礎土石方開挖量大的難題。為此，文中通過對圓筒塔和格構式塔架分別進行制作工藝、運輸工程、施工工藝方面的綜合經濟效益的對比分析，得出兩種塔架的優缺點，為塔架的選型及設計提供一些合理、科學的建議。

1 綜合管理對比分析

1.1 制作工藝對比分析

圓筒式塔架的加工制作，一般在大型鋼結構廠房中完成，一般需經過以下幾種工序:材料數控切割、卷板機加工成形、筒節組對、焊接、檢測等工序。圓筒式塔架由于其體積較大，每一工序幾乎都涉及到一些大型、專業的設備和吊車輔助加工，對加工設備的投資較大［5］，如圖1所示。

相比之下，格構式塔架的制作工藝優勢十分突出，由于整個設計過程中所采用的材料大都是圓鋼管，可以依照圖紙，直接與鋼管廠家訂購所需鋼管型號，在鋼結構的廠房中僅需將鋼管按圖紙進行下料，許多拼裝過程可以在安裝現場完成。因此，格構式塔架相對圓筒式塔架而言，在塔架制作加工過程中需要的大型設備較少，鋼管材可以直接在市場上購買，具有一定的優勢。

圖1 塔筒制作圖

1.2 運輸過程對比分析

實際工程中，風力發電機的裝機現場與塔架的生產車間往往相距很遠，塔架的遠距離運輸問題不容忽視，這也是完成風電機組裝機的必備環節。與此同時，隨著塔架高度的增加，運輸費用在建造成本中所占的比例也越來越高。所以本節將針對兩種結構形式塔架的運輸過程可行性及運輸成本進行對比分析。對于圓筒式塔架的運輸，根據其外形尺寸，并結合交通部下發的《大件運輸管理辦法》中對大型物件分級標準的規定進行分析，本設計中的圓筒式塔架在實際運輸中屬于二級大型構件，運輸過程中對公路路寬、橋高、拐彎半徑空間等均有特殊要求。由于運輸中的諸多限制，導致塔筒運輸前期的工作復雜且重要，如前期的溝通、協商、勘測、設計、施工等，同時也造成運輸成本難以控制。同時也正是因為這些原因，導致了一部分風能資源豐富的風場，由于塔筒運輸困難，未能得到大范圍的開發，如圖2 所示。隨著圓筒式塔架高度的增加，這一現象還將更加明顯，主要是由于公路運輸限高4.8m 造成。

圖2 塔筒上山運輸圖

對山區風場而言，塔筒運輸上山是最為艱難的一件工作，上山道路要求寬，轉彎半徑要求大，運輸塔筒道路的建造對山體環境的破壞較大;相比之下，對于格構式塔架構件的運輸屬于一般運輸，運輸工具選擇靈活;格構式塔架構件的運輸對道路的要求低。

根據上述兩種塔架在運輸過程中的對比分析可知，圓筒式塔架在運輸中，易受運輸條件限制，所以需要在運輸前期投入很大的精力，導致運輸成本的提高難以控制。而格構式塔架的構件運輸，均屬于一般運輸，運輸中不必考慮交通方面的限定，而且由于運輸工具的選擇靈活，相對運輸圓筒型塔筒的大型運輸工具，格構式塔架的運輸條件相對低一些，同時也擴大了風場的建造范圍和風力發電塔的高度。圓筒式塔架與格構式塔架運輸對比，如表1 所示。

表1 圓筒式塔架與三角式塔架運輸對比

1.3 塔架施工過程對比分析

圓筒式塔架的施工過程，首先是對基礎進行檢查，驗收合格后，在天氣、風速、設備等均滿足要求的情況下吊車進場開始塔筒的吊裝，整個吊裝過程需要主吊和副吊兩臺吊車配合完成［6-7］。吊裝完成后，僅需按照設計要求，禁錮螺栓組，完成法蘭連接。從施工過程來看，圓筒式塔架的施工工序簡單，易于保證施工質量，如圖3 所示。

格構式塔架的施工主要是對塔架開始進行吊裝前，需按設計圖紙對塔架進行現場拼裝，完成拼裝后再進行塔架的吊裝。通過對比分析兩種結構形式的實際施工過程可知，圓筒式塔架的組裝施工時需要大型吊裝設備進場，而格構式塔架可以在大型吊裝設備進場前先行安裝。

2 圓筒塔與格構塔架綜合造價比較

假定開發一個50WM山地風電場，采用圓形塔筒道路長度約25km，單價約125 萬/km;而采用格構式塔架可縮短至21km，單價約110 萬/km，道路最大縱坡由16%可以優化至20%。可以得出圓筒塔與格構式塔架綜合造價，如表2 所示。

表2 圓筒塔與格構式塔架綜合造價比較

3 結論

通過上述對比分析可以看出:(1)建設一個50MW 的山地風場，風電機組塔架采用格構式塔架較圓筒塔的直接工程費用可減少25%-30%;(2)隨著市場對高塔架的需求，格構式塔架又重新被應用，特別是對于大功率山地風電機組采用格構式塔架，有較好的經濟、社會效益、環境效益;(3)通過格構式塔架在風力發電中的應用研究，解決了運輸大型塔筒存在隧道高度不夠難題，解決存在大型塔筒上山道路建造對山體植被破壞大的難題，為風力發電塔架的選型及設計提供了一些合理、科學的建議。

［1］方永，胡明輔.風電機組的現狀與進展［J］.能源與環境，2007.

［2］張建民.風電機組在國外的發展現狀及在我國的發展前景［J］.甘肅科技，2000.

［3］賀德馨.我國風電工程研究現狀與展望［J］.力學與實踐，2002.

［4］靳靜，艾竿.我國風電場建設及運行現狀評估與發展前景研究［J］.華東電力，2007.

［5］陳達，張偉.風能利用和研究綜述［J］.節能技術，2007.

［6］GL2010.Guideline for the Certification of Wind Turbines［S］.Germanischer Lloyd，2010.

［7］JB/T10300-2001.風力發電機組設計要求［S］.北京:中國機械工業聯合會，2001.