風(fēng)電機(jī)組大型化發(fā)展及風(fēng)機(jī)吊裝設(shè)備選擇

吳學(xué)松

(中國建筑科學(xué)研究院有限公司 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000)

近年來，我國風(fēng)電建設(shè)繼續(xù)快速發(fā)展，2023 年上半年風(fēng)電發(fā)電量同比增長20%。從蔚藍(lán)大海到雪域高原再到鄉(xiāng)村田園，一臺(tái)臺(tái)大型風(fēng)機(jī)拔地而起，迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)，為國家綠色能源注入新動(dòng)能。

與風(fēng)電建設(shè)快速發(fā)展同步的是，風(fēng)機(jī)大型化持續(xù)推進(jìn)。塔筒更高、葉輪更大、功率更大的風(fēng)機(jī)紀(jì)錄不斷刷新。隨著塔筒不斷升高，對(duì)風(fēng)機(jī)吊裝設(shè)備帶來新的挑戰(zhàn)。

1 風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模持續(xù)增長

在國家政策措施的推動(dòng)下，經(jīng)過多年發(fā)展，中國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)從粗放式的數(shù)量擴(kuò)張，向提高質(zhì)量、降低成本的方向轉(zhuǎn)變，中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入穩(wěn)定持續(xù)增長的新階段，2022 年中國風(fēng)電新增裝機(jī)3 763 萬kW，累計(jì)裝機(jī)36 544萬kW，同比增長11.2%。與此同時(shí)，發(fā)電量也在持續(xù)增長，2022 年中國風(fēng)電發(fā)電量再創(chuàng)歷史新高，突破7 600 億kWh，風(fēng)電工程投資額完成2 145 億元。

2023 年前三季度，全國風(fēng)電新增裝機(jī)容量3 348萬kW，其中陸上風(fēng)電3 205 萬kW，海上風(fēng)電143萬kW。從新增裝機(jī)分布看，“三北”地區(qū)占全國新增裝機(jī)的65%。截至2023 年9 月底，全國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)突破4 億kW，同比增長15%，其中陸上風(fēng)電3.68 億kW，海上風(fēng)電3 189 萬kW。預(yù)計(jì)到2023年底我國風(fēng)電裝機(jī)容量將增至41 820 萬kW（圖1）。在“雙碳”政策背景下，未來中國風(fēng)電市場將繼續(xù)保持增長趨勢。預(yù)計(jì)到2025 年累計(jì)裝機(jī)容量在6億～6.2 億kW 左右，到2027 年累計(jì)裝機(jī)容量超過7 億～8 億kW。

圖1 2017-2023年全國風(fēng)電裝機(jī)容量增長趨勢

2 風(fēng)機(jī)大型化持續(xù)推進(jìn)

風(fēng)機(jī)的平均容量近幾年來一直保持穩(wěn)定的增長態(tài)勢，風(fēng)機(jī)大型化持續(xù)推進(jìn)，新增風(fēng)機(jī)的功率和葉輪直徑不斷增大。傳統(tǒng)的低風(fēng)速風(fēng)機(jī)已不能滿足市場要求，更長葉輪直徑、更高輪轂高度、更大功率風(fēng)機(jī)成為降本增效的主要應(yīng)對(duì)方式，大功率風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)進(jìn)程正在加快，市場上大功率風(fēng)電項(xiàng)目數(shù)量也逐漸增多。風(fēng)機(jī)單機(jī)容量的增加，將有效提高風(fēng)機(jī)的能源利用效率，降低度電成本，提升整個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目的投資回報(bào)率。

單臺(tái)風(fēng)機(jī)容量已由最初的0.75MW 逐步增大到8.xMW，風(fēng)機(jī)高度也已由原來的60m 增加到160～180m，為適應(yīng)風(fēng)機(jī)高度的需要，主流風(fēng)機(jī)塔筒形式也由單一的柔性鋼塔逐漸演變?yōu)榛炷了?鋼塔身的混塔結(jié)構(gòu)。見圖2、圖3。

圖2 國內(nèi)新增風(fēng)電機(jī)組平均單機(jī)容量

圖3 各階段主流風(fēng)電機(jī)組大型化趨勢

2023 北京國際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)（CWP2023）上，共有12 家頭部整機(jī)企業(yè)發(fā)布45 款新產(chǎn)品。金風(fēng)科技發(fā)布新品數(shù)量最多，總計(jì)14 款；三一重能帶來了目前全球葉輪直徑（270m）最大的陸上風(fēng)電機(jī)組。45 款新產(chǎn)品中，陸上風(fēng)機(jī)29 款，海上風(fēng)機(jī)16款；陸上風(fēng)機(jī)中葉輪直徑200m 以上26 款，葉輪直徑220m 及以上21 款。

3 高塔筒混塔優(yōu)勢明顯

風(fēng)機(jī)大型化是大勢所趨，與之相對(duì)應(yīng)的是塔筒高度的提升。國內(nèi)高風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電開發(fā)日趨飽和，中、低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電開發(fā)進(jìn)入快車道。我國中東部和平原地區(qū)風(fēng)速較低，風(fēng)切變卻相對(duì)較大，在這類風(fēng)場提高塔筒高度將會(huì)帶來更高的發(fā)電量，高塔筒在低風(fēng)速時(shí)代的趨勢下已經(jīng)成為剛性需求。風(fēng)機(jī)塔架的高度從120m向140m、160m、170m乃至180m快速發(fā)展。

風(fēng)機(jī)塔筒高度不斷增加，傳統(tǒng)的鋼塔筒已經(jīng)無法滿足結(jié)構(gòu)受力的要求，超過160m 的超高風(fēng)電機(jī)組，采用混塔成為提升風(fēng)機(jī)高度與保障機(jī)組可靠性的最佳選擇。采用混凝土塔筒的風(fēng)電機(jī)組特別適用于風(fēng)切變較高的風(fēng)場，在這類風(fēng)場提高塔筒高度將會(huì)帶來更高的發(fā)電量。

混塔機(jī)組塔架采用混凝土段+鋼段的模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)項(xiàng)目需求靈活調(diào)整高度比例；混凝土段采用分片預(yù)制裝配式，整環(huán)分2～4 片預(yù)制，可將C 型管片運(yùn)輸至機(jī)位拼裝，亦可在預(yù)制廠拼裝成整環(huán)后再運(yùn)輸至機(jī)位，突破道路運(yùn)輸限制；混塔機(jī)組吊裝時(shí)，先采用小型起重機(jī)完成混凝土段吊裝，繼而采用主吊完成鋼段、主機(jī)吊裝，模塊化吊裝，滿足項(xiàng)目需求?；焖C(jī)組塔架與基礎(chǔ)通過預(yù)應(yīng)力鋼索連接，連接面處灌漿粘結(jié)、密封，保證混凝土材料整體性，防洪性能好。

2021 年6 月，國家電投河南魯陽風(fēng)電場——許繼3.6MW/155 混塔機(jī)組（當(dāng)時(shí)國內(nèi)最高170m陸上風(fēng)電機(jī)組），塔筒上部鋼塔筒，下部是3 節(jié)層層嵌套的多邊形混凝土結(jié)構(gòu)。

2021 年7 月，中廣核蘭考風(fēng)場項(xiàng)目首臺(tái)機(jī)組順利完成吊裝（圖4），本項(xiàng)目為國內(nèi)首批150m 及以上超高混塔機(jī)組項(xiàng)目，采用運(yùn)達(dá)股份WD156-3300 機(jī)組。其采用混凝土段+鋼段的模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模塊化吊裝?；焖C(jī)組混凝土段剛性大，鋼段亦是剛性設(shè)計(jì)，不存在共振區(qū)域，無渦激振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 中廣核蘭考風(fēng)場項(xiàng)目首臺(tái)機(jī)組吊裝

2023 年5 月，明陽智能河南羅山風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目完成首臺(tái)170m 鋼混塔風(fēng)電機(jī)組吊裝。羅山風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目選用明陽智能MySE6.25-193/170 機(jī)型，搭配明陽智能自主研發(fā)設(shè)計(jì)的170m 超高鋼混塔架，其中混塔段采用高精度預(yù)制結(jié)構(gòu)。

2023 年10 月，位于江蘇的巨石漣水233MW 風(fēng)電項(xiàng)目首臺(tái)WD200-5000 機(jī)組完成現(xiàn)場吊裝，風(fēng)機(jī)采用風(fēng)領(lǐng)新能源最新研發(fā)的UHPC150 塔筒，該款機(jī)組塔筒高達(dá)180m，其中混凝土塔筒段高157.4m，由40 節(jié)段預(yù)制混凝土塔筒和兩次變徑過渡節(jié)段組成（一個(gè)節(jié)段塔筒重約80t，變徑節(jié)段100t），安裝后用壁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉連成一體，上部鋼塔筒段高20m。相較于傳統(tǒng)塔筒，UHPC材料擁有出色的強(qiáng)度、韌性和耐用性，塔筒的穩(wěn)定性和安全性顯著提高。

4 風(fēng)機(jī)吊裝設(shè)備選擇

風(fēng)機(jī)吊裝起重機(jī)的選擇非常重要，直接關(guān)系到施工安全、成本和工期。隨著大功率、長葉片、高塔筒風(fēng)機(jī)的大力推廣，帶動(dòng)了風(fēng)機(jī)起重吊裝機(jī)械的大型化趨勢。履帶起重機(jī)目前仍為風(fēng)機(jī)安裝中的占比最高的機(jī)械，但在部分山地風(fēng)場履帶起重機(jī)也不完全具有優(yōu)勢，組裝困難，臨時(shí)征地范圍大，空中組桿風(fēng)險(xiǎn)高，部分山地風(fēng)場將會(huì)選用汽車起重機(jī)或塔機(jī)。

風(fēng)機(jī)輪轂的高度及其重量的不斷增加，以往的汽車起重機(jī)和履帶起重機(jī)的吊裝方式，因其占地面積大、起升高度和起重量受限、轉(zhuǎn)場慢、效率低等弊端，在超高塔筒、超長葉片吊裝時(shí)存在一定風(fēng)險(xiǎn)，并且吊裝成本高，已經(jīng)無法滿足國內(nèi)風(fēng)電大型化發(fā)展的需求。

隨著吊裝高度增加，履帶起重機(jī)高空起重性能衰減嚴(yán)重，即使大型履帶起重機(jī)也難以勝任高度180m 以上的風(fēng)機(jī)吊裝，而占地面積小、起升高度高、安裝快捷的動(dòng)臂塔機(jī)體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。相同起重能力的履帶起重機(jī)與動(dòng)臂塔機(jī)相比，履帶起重機(jī)對(duì)作業(yè)平臺(tái)面積要求是風(fēng)電動(dòng)臂塔機(jī)的近3 倍，起重臂組裝平臺(tái)面積為2.5 倍以上；風(fēng)電動(dòng)臂塔機(jī)的抗風(fēng)能力優(yōu)于履帶起重機(jī)；風(fēng)電動(dòng)臂塔機(jī)運(yùn)輸車輛數(shù)量少于履帶起重機(jī)，履帶起重機(jī)進(jìn)出場時(shí)間是風(fēng)電動(dòng)臂塔機(jī)的近2 倍；單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組吊裝費(fèi)用動(dòng)臂塔機(jī)更低。

巨石漣水233MW 風(fēng)電項(xiàng)目首臺(tái)風(fēng)電機(jī)組于2023 年10 月27 日安裝完成。該風(fēng)電機(jī)組輪轂中心高度180m，葉輪直徑達(dá)200m。安裝單位在反復(fù)比較市場上幾大知名品牌的履帶起重機(jī)、全地面起重機(jī)、動(dòng)臂塔機(jī)性能參數(shù)后，最終選定永茂STF3080動(dòng)臂塔機(jī)完成這一高難度的吊裝任務(wù)。10 月27 日，在首臺(tái)風(fēng)電機(jī)組安裝現(xiàn)場，永茂STF3080 動(dòng)臂塔機(jī)將最后一個(gè)葉片穩(wěn)穩(wěn)吊起，僅13min 就將葉片吊裝到位并與主機(jī)在180m 高空實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)接（圖5）。首臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的塔筒組裝、機(jī)艙（142t）吊裝、輪轂（57t）吊裝也使用該塔機(jī)逐一完成（圖6）。

圖5 巨石漣水233MW風(fēng)電項(xiàng)目首臺(tái)風(fēng)機(jī)安裝完成

圖6 永茂STF3080塔機(jī)完成風(fēng)機(jī)電機(jī)組142t 機(jī)艙吊裝

永茂STF3080 風(fēng)電塔機(jī)獨(dú)立高度為200m，最大起重量為200t，吊裝過程無須附著，對(duì)比全地面汽車起重機(jī)和履帶式起重機(jī)，在高度、吊重、穩(wěn)定性和安全性及施工場地適應(yīng)上，都有較大的優(yōu)勢，是未來風(fēng)電行業(yè)向高度更高、容量更大發(fā)展的安全保障。永茂STF3080 動(dòng)臂塔機(jī)及STF3280 動(dòng)臂塔機(jī)（本期封面廣告）的出現(xiàn)，滿足了國內(nèi)陸上200m 高度風(fēng)電機(jī)組安裝，為風(fēng)電主機(jī)廠研發(fā)更大的陸上風(fēng)電機(jī)組創(chuàng)造了條件。

5 結(jié)語

如今，作為國內(nèi)碳達(dá)峰、碳中和的優(yōu)勢主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一，風(fēng)力發(fā)電將在中國的能源產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮越來越大的作用。風(fēng)電設(shè)備制造正朝著“更高、更重、更大”大型化方向發(fā)展，特別是我國中東部和平原地區(qū)風(fēng)能資源豐富且區(qū)域廣大，但風(fēng)速低，風(fēng)資源較差，只能設(shè)計(jì)安裝更高的風(fēng)機(jī)，塔筒高度的提升，能顯著提高發(fā)電量，增加風(fēng)場收益，未來風(fēng)電應(yīng)用值得期待。而起升重量更大、起升高度更高、重載轉(zhuǎn)場更高效、技術(shù)保障更安全的大型起重機(jī)械，則成為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的必要保障。