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成熟过硬的混塔技术是实现“30·60”目标的有益补充

   日期:2021-04-19     来源:天杉高科    浏览:828    评论:0    
随着塔架高度的不断增加,全钢塔架采用降低塔架刚度的方法以解决塔底大直径用钢成本过高和运输受限的问题,伴随的代价是降低了塔架频率,塔架变的更“柔”,故而得名“柔塔”。柔塔的固定频率小于1P,不仅存在机组启停过程中与叶轮的共振风险,在自然条件下风达到触发塔架产生涡激振动的临界风速也非常容易。


塔架涡激振动

在柔塔吊装阶段,一阶涡振会引起高塔顶部大幅振动,塔架启停过程中,二阶涡振则会快速损耗塔架的疲劳寿命,疲劳损害快速累积导致破坏,机组运行时若控制出现偏差也易引起二阶涡振。初中物理就告诉过我们共振危害性是很可怕的,远到著名的1940年美国塔科马海峡大桥坍塌事故,近到2020年5月广东虎门大桥振动,前不久的某风场某厂家142m高塔架倒塌事故,无一不是重大教训。


塔科马海峡大桥振动


虎门大桥振动

柔塔为了避免受涡振破坏,需要采取一系列措施:比如在吊装阶段,增加扰流条破坏风漩涡形成、安装临时阻尼器减小振幅,启动阶段快速穿越共振区域,安装阻尼设备、通过算法进行动态加阻,运行期间通过高难度的控制技术保障叶片正确对风等。国内风场的现状是吊装完成距离上电还有时间窗口期,运营期间也有断电风险,没电就意味着风机失去控制。失电状态则需要通过外接电源、加装硬件阻尼等避免塔架发生二阶涡振。这些预防措施全部需要经过专业的算法和精确的测试才能制定,对于不同项目不同塔架必须制定针对性的整套方案,对系统控制技术能力及整机运维技术能力要求非常高。

混塔是钢+混凝土结构塔架,其明显区别于柔塔的特性就是“刚”。混塔利用混凝土结构替代高塔架底段,使塔架频率保持在1P~3P之间,不存在与叶轮产生共振的问题。混塔的刚性类似于传统的百米以下钢塔,在正常情况下风速也很难达到使塔架产生涡激振动的临界风速。正是因为这样,就算使用相同的机头面临相同的风况,混塔则完全不需要额外增加复杂的控制策略和外部配件,就可以应对各种复杂的工况,并且不会增加其它运维负担。对于柔塔无法适应的复杂风资源项目,混塔也能够保障机组安全可靠运行。


塔架振动频率与叶轮转速之间的关系

我国不仅是基建大国还是基建强国,世界桥梁总长度排名第一,世界水坝总数量排名第一,高铁运营总里程第一,地铁总长度第一,其中我国在世界十大著名桥梁中十占其八,在全世界地铁长度前十的城市中占据7席。诸如此类的荣耀不胜枚举,在工程领域我国实力处于绝对领先地位,在不断的创新和发展中积累了丰富的工程经验,形成了全面的系统的适合我国国情的技术标准体系。


世界各国大桥总长度排名


世界各国地铁里程排名

从结构类型上看,风电混凝土塔架属于国内最驾轻就熟的混凝土工程,成熟的各类设计标准、管理标准、验收标准可作为混塔设计的依靠和保障,诸如《建筑结构荷载规范》《混凝土结构设计规范》《高耸结构设计标准》《无粘结预应力混凝土结构技术规程》《混凝土结构工程施工质量验收规范》《装配式混凝土结构工程施工与质量验收规程》《高耸结构工程施工质量验收规范》等等;从结构体型上看,风电混凝土塔架类似高耸的桥墩,也与竖立的地铁隧道高度相似,大量的基建工程经验可以借鉴到混塔的设计和施工中。站在基建巨人的肩膀上,我国混塔的技术将得到最为有利的发展支撑。2020年,运用140米混塔技术的深能高邮东部风电厂项目先后获得国家优质工程奖和电力优质工程奖,运用120米混塔技术的国家电投阜城项目获得电力优质工程奖也表明了我国混塔工程技术质量在不断发展进步。

在大叶轮大功率机组的发展方向上,市场已经有了明确选择。根据国际权威风电咨询机构WoodMackenzie调查报告显示,未来全球风电的装机功率将向着更大功率方向发展,陆上风电方面世界主流风机厂商纷纷在3MW以上大功率机型进行布局,2021年~2023年3MW、4MW、5MW平台产品将是主流平台,从2023年开始将开启6MW平台元年,并以较快的速度向8MW级别平台发展。相对应的,未来全球风机的叶轮也向着150m以上更大直径发展。


全球陆上风电机组功率2017~2028年趋势


主流主机厂家2019~2028年年平均机组功率发展趋势图


全球陆上风机2010~2028年叶轮直径增长预测图


主流主机厂家2019~2028年年平均叶轮直径发展趋势图

近来国际、国内市场的新建项目情况也恰恰印证了这一点。如老挝某项目需求机型为叶轮直径16Xm的4.XMW机组,乌克兰某项目机型为叶轮直径16Xm的5.XMW机组。根据近期国内公开招标信息,国家能源集团发布8个风电项目共计1809MW 机组采购信息,招标要求机组均在3MW以上,叶轮直径在150米以上;华能招标19个风电项目共计2887MW机组,大部分项目要求单机3MW级别机型叶轮直径在145米以上,4MW级别机型叶轮直径在155米以上;华电集团2.5GW风电项目招标机组在3MW机型4MW机型的叶轮直径要求在141~160米及160米以上、5MW级别机型叶轮直径要求在150~160米及160米以上。

由于塔架存在设计频率限制,100米以上钢塔经济性不佳,140米以下又难以设计柔塔。所以大叶轮大功率机组的全钢塔往往只能给客户提供100米左右钢塔或140米以上柔塔两个方案,从而错失了100米到140米之间塔架高度方案的最优收益率。尤其是对于有限电、投资成本要求的项目往往存在发电量“少发不足,多发无益"的选择困难。而混塔却并没有这个问题,据2020年统计数据,120米高度混塔国内已建成超过750台。

对于大叶轮大功率机组而言,混塔由于其大刚度、高频率的特性,抗疲劳性好、稳定性高,无论是应用于高切变高风速地区,还是应用于低风速高塔架场景,无疑都会是更好的结构安全保障。混塔预制装配的生产工法,也友好地解决了随着机组变大塔底直径增加带来的运输问题。灵活运用项目现场附近的移动预制工厂混塔方案或固定工厂管片式混塔方案,对复杂地形的风场建设无疑提供了更多的选择。


混塔节段吊装 
 

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