風(fēng)力發(fā)電機(jī)組鋼混結(jié)構(gòu)塔架研究

朱少輝

(太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 前言

我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模和技術(shù)水平不斷提高，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量和成本的要求也日益提升，特別是進(jìn)入風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代后，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈程度進(jìn)一步增加，風(fēng)電度電成本急劇上升。提升單機(jī)容量、增加風(fēng)輪直徑、發(fā)展大兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成為降低度電成本的主要技術(shù)途徑，作為支撐結(jié)構(gòu)的塔架高度與塔筒的壁厚、直徑也隨之增大[1]。我國(guó)低風(fēng)速資源區(qū)(風(fēng)速<6 m/s)占比較高，約占全國(guó)風(fēng)能資源68%，隨著優(yōu)質(zhì)風(fēng)資源的日漸稀缺，更加需要采用低成本的高塔架技術(shù)降低度電成本。

高塔架技術(shù)通過(guò)將輪轂托舉至更大高度以提高捕獲高空風(fēng)能的效率[2]，進(jìn)而提升項(xiàng)目收益和降低度電成本，我國(guó)風(fēng)電機(jī)組塔架平均高度已經(jīng)從2015年的79 m提升至2019年的96 m；中東南部低風(fēng)速區(qū)塔筒高度已攀升到160 m級(jí)別，個(gè)別試驗(yàn)項(xiàng)目將突破180 m高度；在風(fēng)資源較好的三北地區(qū)，4.X MW及以上風(fēng)電機(jī)組的塔筒高度也超過(guò)110 m，未來(lái)還將持續(xù)增長(zhǎng)。

本文基于某項(xiàng)目2 MW/116風(fēng)電機(jī)組分別設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)剛塔、柔塔、鋼混塔架(分段直塔筒鋼混塔架方案)，分析了不同類型高塔架的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益，為風(fēng)電塔架設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

1 高塔架技術(shù)背景

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率公式(1)及垂直風(fēng)廓線冪指數(shù)公式(2)[3]，對(duì)于特定機(jī)位的風(fēng)電機(jī)組，增加塔架高度可以獲得更高風(fēng)速，從而提升發(fā)電量，減少發(fā)電波動(dòng)性；此外，塔架增高后，由于湍流減小，葉片受力更加均勻，風(fēng)電機(jī)組疲勞壽命得到延長(zhǎng)。風(fēng)切變?cè)酱螅ㄟ^(guò)增加塔架高度提升的風(fēng)速效果越顯著，發(fā)電量越多，但風(fēng)切變系數(shù)過(guò)大，也會(huì)加劇葉片整體掃風(fēng)面載荷的不均衡性。我國(guó)江蘇、安徽、湖北、河北、河南等地區(qū)，具有豐富的低風(fēng)速高切變風(fēng)資源，80 m高度的年平均風(fēng)速僅5～6 m/s，但在100 m高度可超過(guò)6 m/s，而內(nèi)蒙古、山西等地風(fēng)切變通常較小[4]。

(1)

vn=vi(zn/zi)α

(2)

式中，P為風(fēng)電機(jī)組輸出功率；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，ρ為空氣密度；A為風(fēng)輪掃掠面積，vn、vi為高度zn、zi處的風(fēng)速；α為垂直風(fēng)速切變指數(shù)。

不同風(fēng)切變下的高度-風(fēng)速變化曲線如圖1所示。

圖1 不同風(fēng)切變下的高度-風(fēng)速變化

隨著切變系數(shù)的增加，相同高度差下的風(fēng)速增大更為顯著。不同風(fēng)速下2 MW/116、2.5 MW/133風(fēng)電機(jī)組年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)(基于標(biāo)準(zhǔn)功率曲線計(jì)算，綜合折減取75%)如表1所示。在表2中，風(fēng)切變系數(shù)為0.1、0.15、0.2、0.3時(shí)，輪轂中心高度從80 m到120 m，風(fēng)速由5 m/s增加到5.21～5.65 m/s，2 MW/116風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量分別增加約9.1%、13.8%、18.6%、28.2%，激活了低風(fēng)速區(qū)風(fēng)資源的開(kāi)發(fā)價(jià)值。

表1 風(fēng)電發(fā)電量增加率

表2 不同風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)

2 高塔架技術(shù)方案

2.1 主要技術(shù)問(wèn)題

塔架主要有鋼筋混凝土、桁架、鋼制錐筒等三種結(jié)構(gòu)形式，以及三種形式的組合或變異形式。塔架承受機(jī)組自重以及復(fù)雜風(fēng)載荷(推力、彎矩、扭矩)[5]，需要在經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的前提下，根據(jù)載荷、發(fā)電量、氣候、尺寸限制等因素解決如下問(wèn)題[6]：

(1)結(jié)構(gòu)選型。考慮加工、運(yùn)輸、吊裝等因素，確定結(jié)構(gòu)型式。如我國(guó)一級(jí)和二級(jí)公路運(yùn)輸?shù)淖畲笙薷邽? m，三級(jí)和四級(jí)公路限高4.5 m。

(2)承載分析。塔架模態(tài)分析、靜強(qiáng)度計(jì)算、疲勞分析、屈曲分析、連接件強(qiáng)度計(jì)算及抗震分析。

(3)內(nèi)件設(shè)計(jì)。便于安裝及后期維護(hù)。如圖2所示，傳統(tǒng)上風(fēng)電機(jī)組多采用“半剛性塔”，塔筒一階固有頻率位于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率的1～3倍之間，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)塔筒振動(dòng)頻率與風(fēng)輪運(yùn)行頻率保持不低于10%間隔[7]。塔筒一階固有頻率可用公式(3)計(jì)算，對(duì)于特定的機(jī)型，影響塔筒頻率最顯著的參數(shù)為高度，其次是直徑、壁厚、重量等參數(shù)。隨著高度增加，塔筒剛度及頻率快速下降，在直徑受限的情況下，只能大幅增加壁厚以保持適當(dāng)強(qiáng)度與剛度，重量/成本近似指數(shù)增長(zhǎng)，需要采用低成本高塔架技術(shù)解決該問(wèn)題。

(3)

式中，E為塔筒材料彈性模量；I為塔筒截面慣性矩；為機(jī)艙及風(fēng)輪質(zhì)量；為塔筒自重；λ為塔筒質(zhì)量分布系數(shù)；L為輪轂中心高度(略大于塔筒高度)。

圖2 塔架與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速之間的振動(dòng)頻率關(guān)系

2.2 高塔架類型

基于傳統(tǒng)塔架的升級(jí)、變異和組合，較適宜的高塔架方案主要有全鋼柔性塔筒、分片式塔筒、鋼混塔筒以及桁架式塔架。此外，還有部分企業(yè)開(kāi)發(fā)全混凝土塔筒、全鋼塔+副塔支撐塔架、拉索牽引型塔架、復(fù)合材料/竹木塔架等[8]。

(1)全鋼柔塔的材料、制造技術(shù)與傳統(tǒng)鋼塔無(wú)本質(zhì)區(qū)別，但焊接質(zhì)量要求嚴(yán)格，重量輕、剛度小、阻尼比低，塔筒頻率低于一倍風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻，運(yùn)行過(guò)程中必然經(jīng)過(guò)共振區(qū)，且塔筒擺幅大。需要通過(guò)配備阻尼裝置、調(diào)整控制策略來(lái)抑制共振，會(huì)損失一定發(fā)電量，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速范圍較小的機(jī)型發(fā)電量受限更為明顯。同時(shí)，在安裝過(guò)程中可能發(fā)生渦激振動(dòng)，嚴(yán)重降低塔筒疲勞壽命，需要采用擾流條加阻、變槳?dú)鈩?dòng)加阻、斜拉索等安全措施。柔塔對(duì)整機(jī)控制水平要求高，異常振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)較大，近幾年國(guó)內(nèi)風(fēng)電搶裝期間已經(jīng)發(fā)生多起倒塔事故[9]。

(2)塔筒承載能力取決于其截面直徑和壁厚，在適當(dāng)增大直徑的同時(shí)減小壁厚，可以達(dá)到足夠的抗彎模量和慣性矩，并減小截面面積，實(shí)現(xiàn)塔筒降重；但塔筒直徑受到運(yùn)輸限制，因此大直徑分片式塔筒沿縱向分為三片以上以解決運(yùn)輸限高問(wèn)題，其技術(shù)難點(diǎn)在于縱向法蘭與筒體的焊接質(zhì)量。此外，當(dāng)高度、直徑之比增加到一定程度后，分片式塔筒成為柔塔，也需要采取相應(yīng)安全手段，提升塔筒的使用可靠性。國(guó)外有企業(yè)進(jìn)一步升級(jí)了分片式塔筒，改為數(shù)量更多但寬度更小的分片，將縱向法蘭與筒體一體式?jīng)_壓成型，更易于保證加工質(zhì)量。分片式塔筒縱向連接螺栓數(shù)量多，安裝及后期維護(hù)工作繁重，可使用免維護(hù)的鉚接螺栓，同時(shí)配套螺栓預(yù)緊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)減少維護(hù)難度。

(3)桁架式塔架下部采用角鋼、鋼管等材料拼接成空間構(gòu)架，通過(guò)過(guò)渡段與上部的鋼制錐筒完成連接，解決全桁架塔頂部與葉片凈空不足的問(wèn)題。桁架式塔架底部跨度大，材料利用率高，因此重量輕、剛度大、承載好，基礎(chǔ)占地面積小，散件運(yùn)輸便利。但桁架結(jié)構(gòu)塔架螺栓數(shù)量龐大，后期維護(hù)困難；塔架焊接節(jié)點(diǎn)眾多，焊接質(zhì)量保證也需要更多關(guān)注。

(4)鋼混塔架由鋼制錐筒和下部的混凝土結(jié)構(gòu)組成，混凝土塔段施加預(yù)壓應(yīng)力，抵消或減少外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，可充分發(fā)揮鋼材承受拉力，混凝土承受壓力的材料力學(xué)性能[10]。鋼混塔架自重大、剛度大、阻尼大、擺動(dòng)小、承載好，其振動(dòng)特性為“半剛性塔”，與傳統(tǒng)全鋼塔架在可靠性上沒(méi)有差別，不需要改變整機(jī)控制策略，對(duì)發(fā)電量無(wú)任何影響。此外，鋼混塔架在原材料成本、低碳排放制造、耐久性和維護(hù)成本上具有明顯優(yōu)勢(shì)，主要缺點(diǎn)在于生產(chǎn)、安裝工期較長(zhǎng)，工業(yè)化程度低于全鋼塔[11]。

早期混凝土塔項(xiàng)目，采用現(xiàn)澆式施工方案，工期長(zhǎng)、質(zhì)控難；目前已優(yōu)化為標(biāo)準(zhǔn)化固定工廠或移動(dòng)工廠預(yù)制混凝土段，現(xiàn)場(chǎng)拼裝的技術(shù)方案，與基礎(chǔ)施工合理銜接，完全可以保證整體施工進(jìn)度。得益于較大的直徑和材料裕量，混凝土塔段可以采用嵌套式自提升技術(shù)完成現(xiàn)場(chǎng)吊裝。為了降低預(yù)制筒節(jié)的模具成本，普遍采用了模塊化設(shè)計(jì)，如縱向多板拼接，通過(guò)圓弧模塊與不同尺寸等腰梯形模塊的組合實(shí)現(xiàn)塔筒的錐度，截面為帶圓角的正多方形；也有部分廠家采用分段直塔筒+變徑錐塔筒組合式結(jié)構(gòu)[12]，如圖3、圖4所示。

圖3 縱向多板拼接鋼混塔架

圖4 分段直塔筒鋼混塔架

表3為主流高塔架技術(shù)方案的等權(quán)重對(duì)比，全鋼柔塔、鋼混塔架總體優(yōu)勢(shì)明顯，也成為了我國(guó)應(yīng)用最多的兩種高塔筒技術(shù)方案。其中，全鋼柔塔更符合工業(yè)化生產(chǎn)要求，但如果布置在湍流、尾流復(fù)雜，主風(fēng)向凌亂的地區(qū)，則存在較大風(fēng)險(xiǎn)，日常運(yùn)維管控要求也更高。相比較鋼混塔架更可靠、穩(wěn)定，能適應(yīng)風(fēng)況復(fù)雜的地區(qū)。

表3 高塔架技術(shù)方案對(duì)比

3 鋼混塔架設(shè)計(jì)

基于某項(xiàng)目2 MW/116風(fēng)電機(jī)組分別設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)剛塔、柔塔、鋼混塔架(分段直塔筒鋼混塔架方案)。2 MW/116機(jī)組風(fēng)輪最低轉(zhuǎn)速的三倍轉(zhuǎn)頻為0.373 Hz；風(fēng)輪最高轉(zhuǎn)速的一倍轉(zhuǎn)頻為0.229 Hz，混塔模態(tài)分析計(jì)算基本參數(shù)如表4所示，混塔設(shè)計(jì)方案如圖5所示，混塔總高度117.6 m時(shí)頻率為0.263 Hz，符合半剛性塔筒的特征要求。

表4 鋼混塔架模態(tài)分析基本參數(shù)

圖5 鋼混塔架設(shè)計(jì)方案

對(duì)三種塔架進(jìn)行了成本對(duì)比，如圖6所示，高度90 m以下三種塔筒成本差異不大，混塔較高；100 m以上傳統(tǒng)半剛性塔成本急劇上升，柔塔、混塔近似線性增長(zhǎng)。120 m以上，混塔成本明顯低于鋼制柔塔。這是由于材料力學(xué)性能的限制，混凝土塔段存在最小壁厚限制，在較小載荷、高度下，優(yōu)勢(shì)不明顯，風(fēng)電機(jī)組大型化更有利于充分發(fā)揮鋼混塔架承載性能。近年來(lái)在140 m以上風(fēng)電機(jī)組中，鋼混塔架占比超過(guò)1/3。當(dāng)然，在高度顯著提升后，鋼混塔架將“柔性化”，也需要調(diào)整控制策略。圖7所示為不同風(fēng)切變時(shí)，以80 m常規(guī)鋼塔為基準(zhǔn)，不同高度下的鋼混塔架收益。在切變達(dá)到0.15～0.2時(shí)，鋼混塔架具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 不同塔架成本對(duì)比

圖7 不同高度下鋼混塔架經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

4 結(jié)論

高塔架方案能顯著提升低風(fēng)速大切變風(fēng)資源區(qū)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量，激活低風(fēng)速風(fēng)資源開(kāi)發(fā)價(jià)值。在主流高塔架技術(shù)路線中，鋼混結(jié)構(gòu)塔筒穩(wěn)定性、安全性和耐久性好，特別是在鋼材價(jià)格上漲的情況下，具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，成為行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向。