風力發電機組鋼混結構塔架研究

朱少輝

(太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024)

0 前言

我國風電裝機規模和技術水平不斷提高，對于風電機組發電量和成本的要求也日益提升，特別是進入風電平價上網時代后，行業競爭激烈程度進一步增加，風電度電成本急劇上升。提升單機容量、增加風輪直徑、發展大兆瓦風力發電機組成為降低度電成本的主要技術途徑，作為支撐結構的塔架高度與塔筒的壁厚、直徑也隨之增大[1]。我國低風速資源區(風速<6 m/s)占比較高，約占全國風能資源68%，隨著優質風資源的日漸稀缺，更加需要采用低成本的高塔架技術降低度電成本。

高塔架技術通過將輪轂托舉至更大高度以提高捕獲高空風能的效率[2]，進而提升項目收益和降低度電成本，我國風電機組塔架平均高度已經從2015年的79 m提升至2019年的96 m；中東南部低風速區塔筒高度已攀升到160 m級別，個別試驗項目將突破180 m高度；在風資源較好的三北地區，4.X MW及以上風電機組的塔筒高度也超過110 m，未來還將持續增長。

本文基于某項目2 MW/116風電機組分別設計了傳統剛塔、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指標和經濟效益，為風電塔架設計提供了理論基礎。

1 高塔架技術背景

根據風力發電機組輸出功率公式(1)及垂直風廓線冪指數公式(2)[3]，對于特定機位的風電機組，增加塔架高度可以獲得更高風速，從而提升發電量，減少發電波動性；此外，塔架增高后，由于湍流減小，葉片受力更加均勻，風電機組疲勞壽命得到延長。風切變越大，通過增加塔架高度提升的風速效果越顯著，發電量越多，但風切變系數過大，也會加劇葉片整體掃風面載荷的不均衡性。我國江蘇、安徽、湖北、河北、河南等地區，具有豐富的低風速高切變風資源，80 m高度的年平均風速僅5～6 m/s，但在100 m高度可超過6 m/s，而內蒙古、山西等地風切變通常較小[4]。

(1)

vn=vi(zn/zi)α

(2)

式中，P為風電機組輸出功率；Cp為風能利用系數，ρ為空氣密度；A為風輪掃掠面積，vn、vi為高度zn、zi處的風速；α為垂直風速切變指數。

不同風切變下的高度-風速變化曲線如圖1所示。

圖1 不同風切變下的高度-風速變化

隨著切變系數的增加，相同高度差下的風速增大更為顯著。不同風速下2 MW/116、2.5 MW/133風電機組年等效滿發小時數(基于標準功率曲線計算，綜合折減取75%)如表1所示。在表2中，風切變系數為0.1、0.15、0.2、0.3時，輪轂中心高度從80 m到120 m，風速由5 m/s增加到5.21～5.65 m/s，2 MW/116風電機組發電量分別增加約9.1%、13.8%、18.6%、28.2%，激活了低風速區風資源的開發價值。

表1 風電發電量增加率

表2 不同風速下風電機組年等效滿發小時數

2 高塔架技術方案

2.1 主要技術問題

塔架主要有鋼筋混凝土、桁架、鋼制錐筒等三種結構形式，以及三種形式的組合或變異形式。塔架承受機組自重以及復雜風載荷(推力、彎矩、扭矩)[5]，需要在經濟性最優的前提下，根據載荷、發電量、氣候、尺寸限制等因素解決如下問題[6]：

(1)結構選型。考慮加工、運輸、吊裝等因素，確定結構型式。如我國一級和二級公路運輸的最大限高為5 m，三級和四級公路限高4.5 m。

(2)承載分析。塔架模態分析、靜強度計算、疲勞分析、屈曲分析、連接件強度計算及抗震分析。

(3)內件設計。便于安裝及后期維護。如圖2所示，傳統上風電機組多采用“半剛性塔”，塔筒一階固有頻率位于風輪旋轉頻率的1～3倍之間，在工作轉速范圍內塔筒振動頻率與風輪運行頻率保持不低于10%間隔[7]。塔筒一階固有頻率可用公式(3)計算，對于特定的機型，影響塔筒頻率最顯著的參數為高度，其次是直徑、壁厚、重量等參數。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強度與剛度，重量/成本近似指數增長，需要采用低成本高塔架技術解決該問題。

(3)

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

圖2 塔架與風輪轉速之間的振動頻率關系

2.2 高塔架類型

基于傳統塔架的升級、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，還有部分企業開發全混凝土塔筒、全鋼塔+副塔支撐塔架、拉索牽引型塔架、復合材料/竹木塔架等[8]。

(1)全鋼柔塔的材料、制造技術與傳統鋼塔無本質區別，但焊接質量要求嚴格，重量輕、剛度小、阻尼比低，塔筒頻率低于一倍風輪轉頻，運行過程中必然經過共振區，且塔筒擺幅大。需要通過配備阻尼裝置、調整控制策略來抑制共振，會損失一定發電量，風輪轉速范圍較小的機型發電量受限更為明顯。同時，在安裝過程中可能發生渦激振動，嚴重降低塔筒疲勞壽命，需要采用擾流條加阻、變槳氣動加阻、斜拉索等安全措施。柔塔對整機控制水平要求高，異常振動風險較大，近幾年國內風電搶裝期間已經發生多起倒塔事故[9]。

(2)塔筒承載能力取決于其截面直徑和壁厚，在適當增大直徑的同時減小壁厚，可以達到足夠的抗彎模量和慣性矩，并減小截面面積，實現塔筒降重；但塔筒直徑受到運輸限制，因此大直徑分片式塔筒沿縱向分為三片以上以解決運輸限高問題，其技術難點在于縱向法蘭與筒體的焊接質量。此外，當高度、直徑之比增加到一定程度后，分片式塔筒成為柔塔，也需要采取相應安全手段，提升塔筒的使用可靠性。國外有企業進一步升級了分片式塔筒，改為數量更多但寬度更小的分片，將縱向法蘭與筒體一體式沖壓成型，更易于保證加工質量。分片式塔筒縱向連接螺栓數量多，安裝及后期維護工作繁重，可使用免維護的鉚接螺栓，同時配套螺栓預緊監測系統減少維護難度。

(3)桁架式塔架下部采用角鋼、鋼管等材料拼接成空間構架，通過過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，基礎占地面積小，散件運輸便利。但桁架結構塔架螺栓數量龐大，后期維護困難；塔架焊接節點眾多，焊接質量保證也需要更多關注。

(4)鋼混塔架由鋼制錐筒和下部的混凝土結構組成，混凝土塔段施加預壓應力，抵消或減少外荷載產生的拉應力，可充分發揮鋼材承受拉力，混凝土承受壓力的材料力學性能[10]。鋼混塔架自重大、剛度大、阻尼大、擺動小、承載好，其振動特性為“半剛性塔”，與傳統全鋼塔架在可靠性上沒有差別，不需要改變整機控制策略，對發電量無任何影響。此外，鋼混塔架在原材料成本、低碳排放制造、耐久性和維護成本上具有明顯優勢，主要缺點在于生產、安裝工期較長，工業化程度低于全鋼塔[11]。

早期混凝土塔項目，采用現澆式施工方案，工期長、質控難；目前已優化為標準化固定工廠或移動工廠預制混凝土段，現場拼裝的技術方案，與基礎施工合理銜接，完全可以保證整體施工進度。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完成現場吊裝。為了降低預制筒節的模具成本，普遍采用了模塊化設計，如縱向多板拼接，通過圓弧模塊與不同尺寸等腰梯形模塊的組合實現塔筒的錐度，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構[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為主流高塔架技術方案的等權重對比，全鋼柔塔、鋼混塔架總體優勢明顯，也成為了我國應用最多的兩種高塔筒技術方案。其中，全鋼柔塔更符合工業化生產要求，但如果布置在湍流、尾流復雜，主風向凌亂的地區，則存在較大風險，日常運維管控要求也更高。相比較鋼混塔架更可靠、穩定，能適應風況復雜的地區。

表3 高塔架技術方案對比

3 鋼混塔架設計

基于某項目2 MW/116風電機組分別設計了傳統剛塔、柔塔、鋼混塔架(分段直塔筒鋼混塔架方案)。2 MW/116機組風輪最低轉速的三倍轉頻為0.373 Hz；風輪最高轉速的一倍轉頻為0.229 Hz，混塔模態分析計算基本參數如表4所示，混塔設計方案如圖5所示，混塔總高度117.6 m時頻率為0.263 Hz，符合半剛性塔筒的特征要求。

表4 鋼混塔架模態分析基本參數

圖5 鋼混塔架設計方案

對三種塔架進行了成本對比，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以上傳統半剛性塔成本急劇上升，柔塔、混塔近似線性增長。120 m以上，混塔成本明顯低于鋼制柔塔。這是由于材料力學性能的限制，混凝土塔段存在最小壁厚限制，在較小載荷、高度下，優勢不明顯，風電機組大型化更有利于充分發揮鋼混塔架承載性能。近年來在140 m以上風電機組中，鋼混塔架占比超過1/3。當然，在高度顯著提升后，鋼混塔架將“柔性化”，也需要調整控制策略。圖7所示為不同風切變時，以80 m常規鋼塔為基準，不同高度下的鋼混塔架收益。在切變達到0.15～0.2時，鋼混塔架具有顯著的經濟效益。

圖6 不同塔架成本對比

圖7 不同高度下鋼混塔架經濟指標

4 結論

高塔架方案能顯著提升低風速大切變風資源區風電機組發電量，激活低風速風資源開發價值。在主流高塔架技術路線中，鋼混結構塔筒穩定性、安全性和耐久性好，特別是在鋼材價格上漲的情況下，具有顯著的技術和經濟優勢，成為行業重點發展方向。