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            风电柔塔、桁架塔、钢混塔......百米之上的进化!
            来源:风能 时间:2022-01-11 字体:[ ]

            风电柔塔、桁架塔、钢混塔不再泾渭分明,交叉、重组与融合凸显未来高塔技术的进化。

            百米之上的空气,藏着多少可被利用的能量?

            国家气候中心评估结果显示,我国100米高度陆上风能资源技术可开发量有86.94亿千瓦,在140米高度为101.79亿千瓦。普遍观点认为,高度100米以上的风电塔架就可以被称为高塔架。那么从100米到140米之间的技术可开发量,就是高塔架所创造的市场规模,这14.86亿千瓦中,还不包括140米高度以上的未统计数据。一项可对比的数据是,截至2020年我国累计风电装机量为2.81亿千瓦。这意味着,仅100米至140米高度的风资源,就可以创造超出目前5倍累计装机量的广阔市场。

            当然,资源能被利用多少,很大程度上也要看成本的眼色。90米高的传统塔架重量约200吨,120米高则已接近300吨,高度再增加重量就是指数级增长。以眼下的钢价,每吨塔架背后就是1.1万元投入。

            正因如此,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,那就是突破“提高发电量——控制成本——确保可靠性”这样一个三角循环的限制。不仅发电要好,更要便宜可靠。

            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。它们基本被用在三个方向上,那就是减轻重量、改变结构、材料替代。

            不易的减重

            设计传统塔架要求自然频率要显著高于叶轮转动频率,以避免两者相交产生共振。但为了大幅减少钢材用量,一种自然频率低于叶轮转动频率的塔架被开发出来,被形象地称为柔塔。

            直接大幅减轻塔重不难,问题在于,减重后如何确保可靠性。

            “柔塔存在一定技术门槛,主要表征为塔筒频率降低容易导致‘塔筒共振’和‘涡激振动’。需要先进的控制技术规避风险,对整机技术能力提出较高要求。”金风科技研发中心机械技术部部长张紫平认为。

            用先进性去保证可靠性,看上去有一定矛盾,化解矛盾的能力就产生了技术门槛。

            具体来说,就是当叶轮达到一定转速,接近与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,直到转速可明显高于共振点时,再将叶轮直接跳过共振点进行高转速运行。这一系列操作,被形象地称为“跳转速”。但这种控制对电量的影响不大,甚至可以忽略不计。

            据记载,首台采用柔塔的风电机组由United Technology于1982年开发,这家企业的东家是NASA,技术能力可见一斑。至今全球实现柔塔应用的厂家也为数不多,包括维斯塔斯、西门子歌美飒、金风科技、远景能源、运达股份、三一重能、东方风电等。但它们仍旧取得了令人瞩目的成绩,有统计称全球100米以上柔塔装机量已近万台,最高高度166米。

            为了跟上整机大型化步伐,柔塔技术专家仍在努力解决一些新问题。

            “在不改变材料用量条件下提高结构抗弯模量和惯性矩,必须加大直径。直径过大则影响运输,要通过分片技术解决。”张紫平介绍,“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。”

            在张紫平看来,开发分片塔的挑战更多存在于结构专利与生产组拼工艺上。“有人问100多米塔架上出现如此多的螺栓连接结构件,如何保证可靠性。从承载力角度而言,柔塔安全性最敏感区域在环向连接,因为这是主要受力方向。纵向连接主要受剪切力影响,不是塔架设计的主导因素,所以我们沿纵向分片。纵向连接使用免维护铆接螺栓,又严格控制焊缝,安全性上和常规塔架没有区别。”他谈到。

            据了解,大金重工是我国最早接触与参与分片塔制造的企业之一,也是我国第一个140米柔塔塔架的生产者,这款塔架由远景能源设计。大金重工主管制造技术的副总经理告诉《风能》,2016年该公司在进入维斯塔斯全球供应商过程中所试制的正是分片塔。“分片塔制造的核心技术之一是三组纵向法兰与筒体的焊接,如果采用手工焊接一次成品合格率太低,焊接外形质量不易保证,大金重工是通过应用二氧化碳气体保护自动跟踪焊接车,才使焊缝质量一次合格率提升了40%。”

            金风科技则通过自主研发设计,在2018年实现我国首台分片塔样机在山东德州的并网发电,塔架高度120米、直径6.6米。

            基于分片技术的柔塔下一步规模化应用,施工周期与难度是一项绕不开的挑战,甚至可能影响开发商的最终决策。就目前来看,相比德国整机商ENERCON动辄1.6万颗纵向螺栓连接8个塔片的工程量而言,我国整机商已在尽可能减少分片数量。有信息显示,2021年12月5日远景能源在江苏射阳安装的160米高度、17X米叶轮直径的大直径分片式全钢塔架,吊装用时不到70小时,这使分片塔规模化应用成为可能。

            结构的力量

            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。这或许正是它能在较长一段时间里,保持我国风电塔架高度记录的真实原因。

            2020年9月,采用青岛华斯壮能源科技有限公司(以下简称华斯壮)160米预应力构架式钢管塔的风电机组在山东鄄城并网,一举刷新当时我国风电机组高度记录。一年后记录再次被更新:运达股份在山东胶州完成全球首台高170米桁架式机组的吊装。而在此之前,全球安装超过120米高度的桁架塔不超过200台,主要集中在德国、美国和印度。

            仔细观察可以发现,上面两款运用了桁架结构的高塔,与大多数从头至尾全部是桁架结构的塔架外观差异明显。由于要搭载更大的叶轮直径,塔身上部分与主机连接的位置,采用了筒状结构,规避净空问题。

            此外,对于鄄城 160 米塔架桁架结构的塔身部分,华斯壮的专家此前向《风能》介绍,其主要受力构件优先采用了圆截面钢管,该类截面材料均匀分布于四周,回转半径大,整体稳定性高,且风荷载体型系数相对较小,通过优化节点构造与工艺实现局部抗疲劳性能提升。华斯壮的技术团队以塔架过渡段的“钢管-插板焊接节点”为对象,进行了复杂的预应力抗疲劳试验研究。“最终决定采用预压力降低塔柱及其节点在疲劳载荷下的平均应力,从而提升疲劳寿命。”

            这都是为了更好地解决塔架焊接疲劳及共振矛盾等问题,让塔架提升到更高高度。

            “桁架塔与传统筒型高塔相比大大节省了用钢量,如果不考虑螺栓的维护问题,整体经济性很好。并且这样的结构使塔身刚度高,不需要特殊的控制策略。”一位曾参与过桁架塔技术工作的专家谈到,“还有就是便于运输,甚至可以用集装箱。”

            据称,鄄城 160 米塔架相比同等高度下传统塔架与基础的直接成本低 5%至20%。

            但这并不代表桁架塔在应用端没有软肋。有专家认为其螺栓紧固的工作量比较大,高度超过120米时螺栓数量甚至近万。“另外在整机迭代计算载荷时,因为目前的仿真软件对其做出的仿真结果不太准确,与样机实物存在一定偏差,需要重复验证,难以像传统钢塔一样快速进行调整。”上述专家认为。

            但上述专家也表示,这只是阶段性的挑战,是完全可以解决的。桁架塔的规模化应用,在技术上其实已经没有难点,关键在于机制。正如华斯壮董事长王同华此前对《风能》提到的,“预应力构架式钢管塔架不仅仅是单一产品的成功研制,更是一种模式、一套体系的重新建构。”

            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。”上述专家呼吁。

            材料的特性

            2008年,金风科技德国VENSYS公司技术专家,向该公司国内技术团队推荐了一种在欧洲应用的高塔架技术。这种钢混塔早在上世纪七十年代就已出现。1978年3月,全球首台风电钢混塔在丹麦TVIND学校正式运转,在这台54米高的混凝土塔架上,安装了叶轮直径为54米的风电机组,是迄今为止全球运行时间最长的风电机组之一。

            金风科技认识到,钢混塔能用价格更为低廉的低碳混凝土材料替代一部分钢材,在控制塔架成本的同时减少碳排放。随即成立专项小组对该技术进行调研。起初,该公司打算通过技术引进实现钢混塔在中国的应用。但在走访了整个欧洲后,发现技术转让费不仅高昂且有诸多应用限制。

            “干脆一跺脚自己设计。”天杉高科副总经理丛欧回忆说:“2011年,金风科技在863计划中将其立项为低风速风电机组核心技术,并为推广这项技术成立了天杉高科。”

            一项新技术的市场化应用,需要经历从设计、样机到产业化的一系列过程。据丛欧回忆,因为成本最低,他们在2013年先是采用了现浇式钢混塔技术,但这对高塔架市场需求最旺盛的中东南部区域并不算友好。由于一下雨就要停工,较长的交付周期导致最初的客户体验不佳。为了解决好现场施工问题,2015年天杉高科研制了分片预制式钢混塔,“首台样机在天津生产,分两片经过1000公里的运输,在山西夏县完成了安装。”这可以说是开启了国内钢混塔主流技术路线市场应用的元年。此后,天杉高科又不断更新优化这项技术,以适应分散式、大基地、防洪、防沙、山地等不同的场景需求。

            至此,钢混塔最大的工程挑战被克服,材料刚度大与成本低的优势得以凸显。据《风能》了解,ACCIONA、ENERCON、西门子歌美飒、恩德、金风科技、中国海装、明阳智能、运达股份、哈电风能、许继风电、华东院等国内外整机商及设计院,均已实现该技术的批量应用,全球120米以上钢混塔装机量超千台。目前我国最高的钢混塔达170米,混凝土塔段分为3节,每节45米到50米,钢塔段约为30米。值得一提的是,该塔架采用了3层嵌套式安装的方式,通过液压装置而非吊机吊装,将自身提升到轮毂高度。

            自提升技术最初也应用于欧洲,目的是在码头将基础、塔筒、主机组装好后,直接用船拖到机位点,免于采用安装船。但有专家认为,这种预制形式在陆上具有一定实施难度,并要留出较大设计余量,牵涉更高成本。“同时,国内塔吊的性能与价格也比国外更具优势,当市场需求达到一定程度,超高塔吊装瓶颈一定能解决。”这位专家相信:“自提升技术是一个很好的研究方向,目前更适合分散式小批量应用。”

            不仅是自提升技术,钢混塔的小批量成本也是让应用者挠头的问题。因为预制件模具是钢混塔成本的重要组成部分,可目前风电机组更新迭代速度较快,如果一款机型或项目达不到一定的量,那么模具成本就无处摊销。

            传统截面为正圆形的混凝土塔筒,由于要实现塔筒的锥度,截面圆的直径自下而上是不断减小的。受精度控制和运输限高的制约,每节预制单元高度一般在3米左右,也就是说,每间隔3米就需要一件不同尺寸的模具。随着机组容量的快速迭代,预制单元尺寸及模具尺寸也需要更新换代,成本压力很大。

            为解决这个问题,中国海装将钢混塔设计为竖向八分片形式,将截面圆等分为四个圆弧单元并延圆周向外扩展,相邻圆弧单元中间增加了梯形平板单元,这就实现了整个塔筒的圆弧单元尺寸全部一致,平板单元也只需要改变横向尺寸即可实现塔筒的锥度。

            “仅需要两种模具即可完成所有混凝土塔筒预制单元的生产,模具更加兼容,数量大大降低,对整体成本具有极为正向的影响,在保证经济性前提下,可以紧紧跟上机组的迭代速度。”中国海装塔筒事业中心副总经理(主持工作)兰涌森补充道:“在安装方面,相比整圆截面混塔预制单元,中国海装混塔单节尺寸高度在16米左右,以140米轮毂高度钢混塔筒为例,中国海装混塔仅分为四节,首节在基础上完成拼装,其余三节仅需要三次吊装即可完成混凝土塔筒段的安装,效率非常高。”

            钢混塔的设计如同砌墙,无论墙上放多重的东西,墙本身都必须达到一定厚度。当钢混塔承载2兆瓦级主机时,其必要的混凝土厚度承载力远高于安全余量要求;当承载3MW及以上的机组时,余量将得到释放,实现其更好的经济性。因此,“150米叶轮直径是塔架选型的分水岭,随着叶轮更大,钢混塔成本优势将更为明显。”丛欧认为,这还没有将因箱变内置而减少征地与碳减排的优势算进去。另据兰涌森介绍,目前140米以上钢混塔相比普通钢塔,成本可降低30%~50%。

            目前全球最高的塔架安装于德国斯图加特Gaildorf的Max B?gl风电场,是178米的钢混塔。我国已吊装的最高柔塔、桁架塔、钢混塔则分别为165米、170米、170米。

            “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。”张紫平分析,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。

            更高当然也会带来更多挑战。以柔塔为例,“相比做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,185米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控制策略开发。”张紫平谈道。同时丛欧也指出,机组轮毂高度提升至185米以上,钢混塔也没那么“刚”了,必须根据主机定制适宜的钢混塔解决方案。

            钢混塔变“柔”其实并不是一件新鲜的事情,有技术能力强的整机商已经做了尝试。而在另一个技术方向上,耦合结构桁架塔也被开发出来。

            “纯钢结构细长薄壁件抗屈曲能力偏弱,而混凝土结构承压及抗屈曲能力相对更强,我们在桁架塔四个主体支撑钢管中灌注混凝土,将两种材料组合形成耦合受力结构,在节省原材料的同时,可大幅提升结构抗屈曲能力,并增强整体结构的刚性,实现1+1>2的效果。”兰涌森说:“同时,仅需调整管壁厚度或直径尺寸,即可适配不同风轮直径与容量的机组,更为灵活。”

            上述变化似乎隐含着这样一个趋势:当塔架越来越高、叶轮越来越大、主机越来越重,受安全性、经济性的双重驱动,三种高塔架间原本泾渭分明的界限模糊了。未来的塔架结构与形式更为多样化,也更跨界融合。高塔架方案没有了最好,只有更好。CWE

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