兆瓦級風力發電機塔架荷載研究綜述

張福忠

摘要：介紹了兆瓦級風力發電機塔架荷載的發展應用狀況。首先，在討論幾種不同兆瓦級風機塔架結構的基礎上，闡述了塔架荷載的來源、類別及能力評估三方面的問題。其次，針對塔架荷載基礎從分類、設計與施工的角度分別進行了描述。再次，指出兆瓦級風機塔架荷載如何進行結構選型及性能分析。最后，總結全文并對兆瓦級風機塔架荷載研究的趨勢進行了展望，以供相關管理、技術部門決策參考。

關鍵詞：兆瓦級；風機制造；塔架荷載；可再生能源

大力發展風、光等可再生能源發電技術是解決傳統化石能源緊缺和環境污染問題的有效途徑[14]。近十年來，風力發電因具有產能量大、施工周期短、運維成本低、經濟效益高、便于集中管控的優勢而受到我國政府相關部門的高度重視并且發展迅猛。

由圖1可知[5]，2007年，我國風電的并網總裝機容量僅為420萬KW，經過十年的發展迅速增至2016年底的14864萬KW（是當年同期的35.39倍），位居世界第一。其中，兆瓦級風力發電機因量大價優成為了名副其實的主力軍。同時，國家政府會同企業、高校、科研院所等相關管理與應用部門從政策、技術、資金等各個方面開展相關攻關工作，以有效應對風力資源因并網難而頻繁出現的“棄風”難題，從而涌現了大批優秀的風電生產商、運維商，如維斯塔斯、金風科技、GE能源、北車風電以及各大發電企業下轄的風電公司等[67]。

由于風力發電機組構造復雜、所處氣候環境惡劣，使其在實際運行中故障頻發。為有效克服此類難題，學術界和產業從選材、制作、安檢、安裝、調試、運維等多個角度開展了大量相關研究。其中，兆瓦級風機塔架相關研究已成為前沿的熱點問題之一，主要是因為兆瓦級風機塔架垂直距離高、荷載量大，對剛度、強度、穩定性要求嚴格。同時，風機塔架還要承受水平風荷載產生的彎矩，且隨著風向、風力的不確定性變化而時刻發生改變，受力復雜。若設計、安裝不當，極易產生塔架偏斜、扭曲變形、斷裂甚至倒塌的事故，所以加強兆瓦級風機塔架荷載的相關研究已刻不容緩。

1 兆瓦級風機塔架分類及荷載分析[8]

1.1 兆瓦級風機塔架分類

兆瓦級風機塔架按材質、構造、安裝方式等差異可以分為如下幾類，如表1所示：

1.2 兆瓦級風機塔架荷載來源

不同氣流下葉輪對塔架的影響構成了兆瓦級風機塔架荷載的主要來源。此外，外界的風向、風速，發電機連續運行時長、機械特性等內外條件的變化也會引起兆瓦級風機塔架荷載的改變。具體而言，兆瓦級風機塔架荷載來源主要包括以下幾個方面：

1）空氣動力荷載：由于葉輪與氣流之間的相互作用而構成，與風向、風速、葉輪大小等要素相關；

2）慣性與重力荷載：葉輪受到外界風力、地球引力等作用并在旋動過程中施加給塔架的橫向側壓力；

3）操作荷載：在執行某些運行指令過程中，由于葉輪轉向、轉速改變而施加給塔架的壓力。

1.3 兆瓦級風機塔架荷載分類

根據時間方面的差異性，可將其分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載三類。其中，永久荷載表示在兆瓦級風機整個壽命期間無法改變的塔架自重、機身自重等；可變荷載表示兆瓦級風機在整個壽命期間，隨運行工況、檢修安排、風速風向改變等而出現的相對有規律的荷載，比如維修人員、設施荷載，機身轉動荷載等；偶然荷載主要包括地震、暴風雪、塔架倒塌等嚴重影響風機穩定運行的罕見現象。

1.4 兆瓦級風機塔架荷載能力評估

為了對兆瓦級風機塔架荷載性能進行有效評價，通常會引入最大極限荷載和疲勞荷載兩項指標。其中前者用于表征風機塔架在一定安全系數下所能承受的最大工作壓力；后者則通過風機的運行工況、外界條件（如風向、風速）等對兆瓦級風機塔架的使用壽命進行合理的預判。

2 兆瓦級風機塔架荷載基礎分類、設計與施工[9]

2.1 兆瓦級風機塔架荷載基礎分類

隨著風機容量、重量和塔架高度的不斷增加，使得塔架荷載基礎在受力方面變得復雜、多樣。兆瓦級風機塔架基礎設計是否合理，將直接關系到風機日后運行的安全性、經濟性、可靠性。根據兆瓦級風機塔架型號、形式、安裝位置的不同，可將其分為樁基礎、桁架式基礎、平板塊狀基礎三種類型。

2.2 兆瓦級風機塔架荷載基礎設計

在兆瓦級風機塔架荷載基礎設計過程中，主要考慮沉降和傾斜驗算、抗傾覆驗算、基礎抗滑移驗算、臺柱正截面驗算、地基承載力驗算等在正常荷載及極端條件下運行是否達標，期間需要用到的要素包括基礎底面面積、抵抗矩形狀、塔架埋深、機頭及塔架重力荷載等。

2.3 兆瓦級風機塔架荷載基礎施工

兆瓦級風機塔架荷載基礎施工要嚴格按照相關工藝要求，其基本步驟主要包括以下幾個方面：

1）確定塔架荷載基礎位置并且土方開挖到位，期間要避免超挖或欠挖的情形；

2）安裝模板、綁扎鋼筋、預留接地極和地腳螺栓；

3）吊裝、固定基礎環并采取相關隔離措施；

4）對埋件檢查無誤后進行澆筑，期間注意選用適溫適量、強度等級匹配的混凝土并在其初凝前連續澆筑、搗實；

5）回填土。

3 兆瓦級風機塔架荷載結構選型及性能分析[10]

3.1 兆瓦級風機塔架荷載結構選型

兆瓦級風機塔架荷載結構分為自立式和拉線式。前者通過荷載基礎進行固定，從受力的角度分析，這種模式與懸臂梁類似；后者與前者的主要區別在于通過一定的纖繩將塔身進行固定，并且受力方式與支座連續梁相類似。通過合理選型，有利于兆瓦級風機塔架在同等荷載能力下最大限度地節約建設與運行成本，實現經濟效益最大化。在選型過程中，需要考慮的主要因素包括：風機受風面的氣流速度與壓力、組成風機塔架的結構要求、施工及安裝技術要求等。

3.2 兆瓦級風機塔架荷載性能分析

兆瓦級風機塔架荷載性能分析主要從其力學性能、抗風性能、抗震性能、防腐蝕性能四個角度進行分析、討論。其中，力學性能主要分析風機塔架在360°重復荷載過程中能否滿足沉降率、傾斜率等指標的要求；抗風、抗震性能用于分析風機塔架荷載在極端惡劣天氣條件下是否能夠滿足設計要求；防腐蝕性能主要用于分析風機塔架長期暴露在空氣中，且經高溫、高濕、強風、雨淋等作用后是否能夠滿足荷載穩定性和可靠性要求。

4 結語

以風力為主的可再生能源發電是解決傳統化石能源危機和環境污染問題的有效途徑，但因其機組構造復雜、所處氣候環境惡劣等，使其在實際運行中故障頻發，如塔架偏斜、扭曲變形、斷裂甚至倒塌等。

本文針對兆瓦級風力發電機塔架荷載的發展及應用展開研究，介紹了塔架荷載的來源、類別及能力評估等問題，并從分類、設計與施工三個角度對塔架荷載基礎進行了討論，進而提出了如何對兆瓦級風機塔架荷載結構進行選型及性能分析。在今后的工作中，應著重加強兆瓦級風機塔架荷載建模與優化問題的研究[11]，以為相關管理、技術部門提供準確的決策信息，促進我國風力發電產業又好又快地發展。

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