風力發電機組鋼筋混凝土型式塔筒應用研究

黃加佳

摘要：近年來，風電機組的單機容量在日益增大，隨著風機功率的增加，塔架高度、筒體壁厚以及承受載荷都隨之迅速增大。目前風電機組塔筒大部分采用的是鋼結構型式，此結構相對來說耗資較大，而且易腐蝕、維修費用比較昂貴。因此已有不少研究人員對鋼筋混凝土型式的塔筒進行了研究，并且已經開始嘗試建設鋼筋混凝土型式塔筒。而本文將會從設計和綜合造價兩個角度對鋼筋混凝土型式塔筒進行分析，發現鋼筋混凝土型式塔筒與鋼結構型式相比前景更加廣闊。因此，現有傳統型式塔筒轉變為新型式塔筒則將成為國內未來幾年的風力發電機工程發展的主要目標。

Abstract： In recent years， the unit capacity of wind turbines is increasing day by day. As the fan power increases， the tower height， cylinder wall thickness and bearing load increase rapidly. At present， most of the tower and tube of wind turbines are steel structure， which is relatively expensive and relatively easy to corrode. Therefore， the maintenance cost is relatively expensive. Therefore， many researchers have studied the tower of reinforced concrete type， and have begun to try to build reinforced concrete tower. This article analyzes the tower of reinforced concrete type from two aspects of design and comprehensive cost， and find that the type of reinforced concrete tower and steel structure is more promising than the prospect. Therefore， the transformation from the existing traditional tower to the new one will become the main goal of wind turbines development in the coming years.

關鍵詞：風力發電機組;鋼筋混凝土;塔筒;應用研究

Key words： wind turbines;reinforced concrete;tower tube;application research

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）07-0133-02

1 鋼筋混凝土型塔筒設計

1.1 鋼筋混凝土型式塔架的荷載計算

對于風電機的塔架來說，它所要承受的外部荷載包括這幾種：通過風輪傳達的水平氣動荷載、塔身風荷載、塔頂機艙（包括內部零件、葉片輪轂）的重力荷載以及自身的地心引力荷載。而依據國內外科學家們對于風力發電機的實驗顯示，當風輪處于正常運作時，就可以使用已知的風速來運算風輪的推動力。所以，本文以某1.5MW錐臺型風力發電機塔筒為參考對象，該塔筒的風輪直徑為64m，并且將計算風輪推力分成在已知風速的條件下和惡劣天氣這兩種情況來進行相對應的分析。

1.1.1 已知風速（額定風速）

依據國家機械行業對于標準風電機組設計的要求（JB/T 10300-2001），設單位面積上的風輪的平均壓力為Px1可以根據式（1）來進行求算：

1.1.2 惡劣天氣情況

本文挑選了惡劣天氣中的一種極端現象——暴雨停機進行了具體分析，但是這一狀況的前提是確保風力發電機塔架不會被刮倒。而在此之前很多國家已經給出了適應他們國家的風輪推力計算公式，但是考慮到我國的風力發電機場所多建立于荒漠草原、荒山野嶺，所以相對來說，德國所給出的計算公式比較保守。因此本文將采用德國所給出的這個公式來對暴風停機狀況下的風輪推力進行計算。

根據對于額定風速和惡劣天氣這兩種不同情況的分析，我們可以看出在由于惡劣天氣造成的停機情況下，塔架頂端的風輪的推力達到了最高值，而我們知道鋼筋混凝土型式的塔筒則具有較強的承載能力，也就是說即使在惡劣的環境下，鋼筋混凝土型式的塔筒也是相對來說比較穩定的，這就可以大大地避免由于極端惡劣條件而出現的風力發電機組塔筒發生斷裂、傾斜、倒塌的幾率。

1.2 鋼筋混凝土型式風力發電塔架內力計算

本文以1.5MW風電機組匹配的錐臺型風力發電機塔筒為參考對象，并且將風力發電機組塔架設計為圓鋼管混凝土格構式三肢柱，交叉式腹桿，塔架高度為63m。鋼筋混凝土型式風力發電機塔架可以被看成柱肢連續的桁架塔結構，所以本文將借助SAP2000來對鋼筋混凝土型式塔筒進行內力的求算，但是在計算之前需要對于塔架做適當的理想化：

①將塔架頂端的重量簡化成為垂直作用于鋼筋混凝土型式塔架的頂端;

②將每根塔柱視為連續體;

③利用三維梁柱單元來模擬塔柱。

在建設鋼筋混凝土型式塔架時應該通過實驗綜合來考慮這個結構的最大荷載值。通過計算可以得到，當把鋼筋混凝土型式塔筒放在最大受力狀態時，此時的最大牽引力是5431kN，最大壓力是4359kN，而且最嚴重受力部位都是整個塔架的最底端;斜腹桿的最大內力是310kN，斜腹桿則處在整個塔架的最高處;橫腹桿所擁有的力僅為25kN，可以看出橫腹桿所受的內力值遠遠小于斜腹桿。可見其作用主要是減小柱肢的計算長度。從結構整體而言，塔架內力在空間分布不均，斜腹桿的內力從頂層到底層逐漸減小，同一節點斜腹桿內力比值的變化范圍在1.0～1.35 之間，塔柱內力由頂層到底層內力則逐漸增大。endprint

剛度驗算：風力發電機塔架在水平風荷載作用下，塔架往往因為頂部過大的位移而造成停機的現象，因此實際工程中對塔架頂部的位移有較嚴格的限值。風力機正常工作時，塔架頂部的許用撓度[f]一般取塔架總高度的0.5%～0.8%，即315mm～504mm。本文設計的鋼管混凝土格構式風電塔架在暴風停機工況下，塔架頂端的撓度最大為 312mm，滿足塔架頂部許用撓度[f]的要求。

2 兩種型式塔筒的綜合造價對比

2.1 鋼結構型式塔筒

現在國內的風力發電場使用的一般是鋼結構型式塔筒，這種結構是將鋼板卷成環狀，再將其拼接起來組成塔節，隨后用電焊的方式拼接起法蘭盤，就僅僅在整個塔筒的基礎段它所用的鋼板的厚度就已經大于40mm，而法蘭盤的厚度就會遠遠超過50mm。為了保證塔架結構的整體性就需要減少組成塔架的筒節數目，但是也需要考慮現有的運輸能力，一般來說，一節塔節的高度在20～30m之間。而整個塔筒一般高60～90m，最大筒徑達4.5m。塔筒通過高強螺栓連接，因此使得整個工程的造價大大提高。

2.2 鋼筋混凝土型式塔筒

表1則是對于新型式和傳統形式塔筒的成本的對比圖表，可以看出，這兩種不同型式的塔筒的造價相差還是比較大;可以看到圖1、圖2則是鋼結構的塔筒和鋼筋混凝土型式塔筒的單臺造價和單千瓦時造價以及的對比曲線。

通過圖1的對比圖可以看出，隨著風力發電機組建設量的增多，鋼結構型式每臺的造價也在不斷增加，而且漲幅相對來說還是比較大。通過圖2的對比曲線可以看出，隨著風力發電機組建設數量的增多，鋼結構型式單位千瓦時的造價是呈現出一條直線的形式。通過圖1和圖2的對比曲線，可以明顯發現，無論是從單臺風力發電機的成本來說，還是從單千瓦時的成本來說，鋼筋混凝土型式塔筒建造所使用的花費要遠遠小于現在正建造的風力發電機的花費，因此，不難看出使用新型式塔筒將會得到更高的效益。

3 結論

本文通過分析鋼筋混凝土型塔筒的設計和效益，得到了以下這幾點結論：

①鋼筋混凝土型式塔筒可以在今后的風電機建設中進行廣泛應用，尤其是在低風速地區。

②鋼筋混凝土型式的塔架具有良好的承載性能和極強的穩定性。

③使用鋼筋混凝土型式的塔筒相較于鋼結構型式的塔筒來說成本更低。建造過程節省鋼材用量，減少環境污染，具有相當可觀的經濟效益。

參考文獻：

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