向上突破 鋼混塔筒更廣闊

在“30·60”雙碳目標(biāo)的指引下，國(guó)內(nèi)風(fēng)電行業(yè)迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。面對(duì)近期市場(chǎng)的大規(guī)?？蛘?，各主機(jī)商的競(jìng)爭(zhēng)也愈演愈烈，長(zhǎng)葉片、大兆瓦、輕量化塔筒等關(guān)重部件也在不斷刷新。業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，以河南、山東、江蘇、安徽等為代表的中東南部低風(fēng)速地區(qū)，高塔項(xiàng)目也將在良好的大環(huán)境下綻放異彩。

在低風(fēng)速地區(qū)的解決方案中，全鋼柔性塔筒”憑借其較好的經(jīng)濟(jì)性、完善的供應(yīng)鏈、較短的吊裝周期等方面優(yōu)勢(shì)，在120-140米高度區(qū)間受到國(guó)內(nèi)市場(chǎng)偏愛(ài)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上在運(yùn)的120-140米高度風(fēng)機(jī)已超6000余臺(tái)，其中“柔塔”占比超過(guò)八成。盡管在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)接受度尚可，但面對(duì)平價(jià)市場(chǎng)，隨著塔筒高度的進(jìn)一步攀升，“柔塔”的可靠性也出現(xiàn)了諸多不確定因素。

我國(guó)低風(fēng)速地區(qū)分布示意圖

頻率降低、高度增加引發(fā)的現(xiàn)象和問(wèn)題

柔性塔筒與剛性塔筒的區(qū)別在于，塔筒自身一階固有頻率與機(jī)組運(yùn)行時(shí)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)頻率1P相交或小于1P的即為柔性塔筒。近年來(lái)，隨著大葉輪、大兆瓦機(jī)組的不斷發(fā)展，為獲取更好的發(fā)電收益率，不少業(yè)主已將傳統(tǒng)鋼塔高度要求推升至110米。從各主機(jī)商110米塔筒設(shè)計(jì)上來(lái)看，盡管塔筒一階固有頻率介于1P與3P之間仍然屬于剛性塔筒范圍，但由于輕量化的設(shè)計(jì)，塔筒一階固有頻率與1P之間的安全范圍已逐步透支。

坎貝爾圖-塔筒頻率示意圖

高度在120米及以上的鋼制塔筒，已屬于柔性塔筒范疇。盡管近年“柔塔”應(yīng)用已較為廣泛，但其與風(fēng)電機(jī)組的配合仍然是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，機(jī)組的安全與可靠運(yùn)行仍存在著不確定性。

一方面，頻率的降低會(huì)導(dǎo)致“渦激振動(dòng)”和“塔筒共振”現(xiàn)象。“柔塔”吊裝時(shí)，為抑制“渦激振動(dòng)”引發(fā)的塔筒振動(dòng)，常常需要加裝擾流條或臨時(shí)阻尼器。同時(shí)，隨著高度的增加導(dǎo)致吊裝時(shí)發(fā)生“渦激振動(dòng)”的臨界風(fēng)速在不斷降低。運(yùn)行期間需要依賴(lài)控制策略來(lái)規(guī)避“塔筒共振”帶來(lái)的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，目前業(yè)內(nèi)主要通過(guò)“共振穿越”、“不平衡補(bǔ)償”、增加阻尼器等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

另一方面，塔筒高度增加會(huì)帶來(lái)塔頂擺幅的增大，這對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行、后期運(yùn)維以及結(jié)構(gòu)的疲勞都帶來(lái)了不少困擾。此外，低空急流現(xiàn)象會(huì)造成的風(fēng)輪軸向力和切向力變化，這對(duì)“柔塔”的抗剪能力提出更高挑戰(zhàn)。

突破瓶頸，各類(lèi)嘗試

隨著風(fēng)輪直徑增長(zhǎng)、單機(jī)容量提升、輪轂高度增加，“柔塔”的安全隱患及風(fēng)險(xiǎn)也不斷上升；與此同時(shí)，“柔塔”的用鋼量也將大幅上升，經(jīng)濟(jì)性降低，運(yùn)輸便利性也將受限。為突破瓶頸，各類(lèi)解決方案層出不窮，如分片式、斜拉式等。

以Enercon為代表的分片式，在國(guó)內(nèi)并未廣泛應(yīng)用。盡管可以解決塔筒運(yùn)輸尺寸受限問(wèn)題，但如此高密度的螺栓連接，將極大程度削弱柔塔的吊裝優(yōu)勢(shì)。此外，針對(duì)螺栓的監(jiān)測(cè)及后期維護(hù)等也將帶來(lái)諸多問(wèn)題。

以Vestas為代表的斜拉式，通過(guò)鋼絲繩的拉伸緊固，以達(dá)到降低塔筒受載為目的，但這種典型的桅桿式結(jié)構(gòu)，雖然能夠提升部分塔筒的剛度，但增加的縱向受力仍然會(huì)給塔筒穩(wěn)定性埋下隱患。

各主機(jī)商為突破“柔塔”瓶頸所嘗試的各項(xiàng)技術(shù)，大多數(shù)還處于樣機(jī)或小批量階段，能否在保證 “柔塔”可靠性和安全性的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性，還需要充分驗(yàn)證。

向上突破，鋼混塔筒更廣闊

鋼混塔筒技術(shù)，可完美解決塔筒高度與可靠性之間的矛盾關(guān)系。鋼混塔筒設(shè)計(jì)頻率、剛度適中，無(wú)需穿越共振點(diǎn)，機(jī)組擺幅小運(yùn)行更穩(wěn)定，無(wú)需過(guò)度依賴(lài)控制策略的保護(hù)。區(qū)別于“柔塔“技術(shù)路線(xiàn)，鋼混塔筒技術(shù)更偏重于塔筒本身。

以某140米鋼混塔筒為例，塔筒一階固有頻率位于0.27~0.3Hz區(qū)間，與傳統(tǒng)的90~100米鋼塔頻率相當(dāng)。同時(shí)隨著塔筒的高度提升，通過(guò)調(diào)整混凝土段的尺寸、形狀，以及鋼混比例，仍然可將塔筒頻率控制在剛性區(qū)間內(nèi)，從而解決頻率問(wèn)題，塔筒方能向上突破。

鋼混塔筒在海外市場(chǎng)經(jīng)歷了充分的時(shí)間檢驗(yàn)，吊裝運(yùn)行的機(jī)組多達(dá)上萬(wàn)臺(tái)。同時(shí)在“柔塔”設(shè)計(jì)方面沉淀頗深的某知名廠商，與在混凝土結(jié)構(gòu)方面有著豐富經(jīng)驗(yàn)的Max B?gl于2020年宣布聯(lián)手合作，意在拓寬各類(lèi)高塔技術(shù)路線(xiàn)，重點(diǎn)針對(duì)混凝土塔筒。其匹配166m和169m輪轂高度的V162/150-5.6MW機(jī)組，已獲得相關(guān)認(rèn)證。

我國(guó)作為基建強(qiáng)國(guó)，是全球大型工程應(yīng)用最多國(guó)家，擁有完善的體系及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)混凝土的控制水平也屬?lài)?guó)際領(lǐng)先，這些都是我國(guó)大規(guī)模發(fā)展混凝土塔筒產(chǎn)業(yè)的有力支撐；同時(shí)，我國(guó)交建、中鐵等諸多企業(yè)的業(yè)務(wù)范圍覆蓋了中東南部地區(qū)，生產(chǎn)基地交織組成輻射網(wǎng)，這對(duì)混塔生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)提供了有利條件。

面對(duì)“30·60”目標(biāo)，基建企業(yè)也在積極拓展布局新能源產(chǎn)業(yè)，混塔將迎來(lái)合作共贏之局面。近年來(lái)，鋼混塔筒的批量化裝機(jī)，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)吊裝技術(shù)的不斷提升，吊裝工藝逐漸完善，吊裝成本大幅下降。產(chǎn)學(xué)研深度融合的背景下，國(guó)內(nèi)高校科研機(jī)構(gòu)等與各主機(jī)商也在積極推動(dòng)鋼混塔筒的技術(shù)革新。

中國(guó)海裝推出的分片式鋼混塔筒，從樣機(jī)到批量化裝機(jī)，已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、安裝等各方面經(jīng)驗(yàn)，獲得業(yè)主一致好評(píng)。分片式鋼混塔筒產(chǎn)品覆蓋120-160米輪轂高度范圍，匹配機(jī)組涵蓋了2.X~4.XMW。

作為國(guó)內(nèi)首個(gè)“分片式”鋼混塔筒批量項(xiàng)目，在3月28日舉辦的中國(guó)風(fēng)能新春茶話(huà)會(huì)暨2021風(fēng)電發(fā)展論壇上，江蘇國(guó)源寶應(yīng)巳豐項(xiàng)目，因其產(chǎn)品的優(yōu)越性和對(duì)采用鋼混塔筒機(jī)組的示范引領(lǐng)，獲得了2020年中國(guó)風(fēng)能創(chuàng)領(lǐng)先鋒獎(jiǎng)。

江蘇國(guó)源寶應(yīng)巳豐項(xiàng)目采用30臺(tái)中國(guó)海裝H136-2.2MW機(jī)組，搭配140m分片式鋼混塔筒。項(xiàng)目自并網(wǎng)以來(lái)，機(jī)組運(yùn)行良好、故障率低、可利用率高，風(fēng)機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)均圓滿(mǎn)達(dá)成。在年平均風(fēng)速5.72m/s的條件下，預(yù)計(jì)項(xiàng)目年發(fā)電量可達(dá)186186MW.h，年等效滿(mǎn)發(fā)小時(shí)數(shù)約為2821h。

相信在“30·60”目標(biāo)的指引下，鋼混塔筒技術(shù)憑借其自身的優(yōu)勢(shì)不斷向上突破，將成為低風(fēng)速地區(qū)的優(yōu)選解決方案，為業(yè)主帶去更高、更安全、更穩(wěn)定的發(fā)電收益。