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风电钢混塔:高是手段,而非目的

   2024-05-13 《风能》赵靓3800
核心提示:不同于风电机组技术进步走的是引进、消化、吸收、再创新,我国钢混塔的研制从开始即以自主研发为主。

当钢混塔的高度接近200米,继续向上已不再是它的核心追求。

2024年3月,秦皇岛金风抚宁区10万千瓦风电项目开工。这个共安装18台机组的风电项目,因成为全球首个185米钢混塔批量项目而受到关注。其实早在2023年9月,185米钢混塔样机就已在三峡安徽阜阳项目投运并展开测试,“无论是仿真与测试的一致性,还是功率特性、噪音,乃至从叶片到传动系统直至塔架的振动频率,都达到了设计预期。”金风科技子公司北京天杉高科风电科技有限责任公司董事长兼总经理赵祥告诉《风能》。

近年来,我国风电高塔架技术进步显著,钢混塔架以其大容量机组高塔架的技术可实现性、更具经济性的优势得到了广泛应用。远景能源170米混塔在2023年实现批量交付;运达股份也于同年完成180米超高性能混凝土材料混塔吊装,并在不久前实现全球首个180米超高混塔风电项目首批机组并网。它们与上述185米钢混塔一起,为风电机组大型化发展和高切变地区风能资源开发,起到了积极推动作用。

2023年,安徽,185米全球最高钢混塔样机

向更高处要资源

利用钢混塔将机舱与风轮托举到更高的空中,对风电发展而言,有两项意义最为重要:一方面,更高的塔架能支撑机组大型化发展。近些年,我国风电机组单机容量不断增大,为提升大容量机组的发电能力,更长的叶片应运而生。目前,我国已下线的最长陆上风电与海上风电叶片分别达到131米和143米。如果塔架高度不足,叶片与地面就无法保持安全距离,极易给整机带来安全隐患。因此,塔架高度在某种程度上是机组风轮直径甚至单机容量实现进一步提升的瓶颈。

另一方面,更高的塔架能使机组捕获到更多风能资源。例如,在我国风切变超过0.2的地区,开发企业会尝试尽量采用高塔架获取更多风能资源,以实现项目收益。而对于国际项目,发电量在项目测算中的敏感性更高,当风切变达到0.15及以上时,开发企业就已开始采用非常规塔架。国家气候中心的评估结果显示,我国100米高度陆上风能资源技术可开发量为86.94亿千瓦,140米高度可达101.79亿千瓦。由此可见,更高的塔架意味着机组能利用更多风能资源。

技术可开发量与经济可开发量不同,前者是后者的前提,后者需要参考项目开发的经济性进行评估。据赵祥介绍,如果以收益率6%作为一个项目可实现经济开发来测算,从160米增加到185米,我国风电经济可开发量能够提升15%以上。

以上述185米钢混塔样机为例,该样机能够比160米塔架的机组增加0.2米/秒的风速,全年折算满发小时数可增加150小时以上,发电量提高8.38%,全投资收益率提升0.5%,从而令低至4.6米/秒的风速区域同样具备经济可开发条件。

“也就是说,以前开发企业储备的一些风能资源不太好的区域,通过更高的塔架将可以达到投资收益的要求。”赵祥表示,“我们测算发现,如果风切变超过0.17,采用185米的钢混塔会比160米具有更好的投资收益率。”

因高塔可为开发企业带来可衡量的经济价值,185米钢混塔在完成一系列测试工作后,得到了市场的回应。这是不折不扣地通过技术进步推动市场发展的一个案例。

“保守估计,今年185米钢混塔装机会达到200台,共计100万千瓦左右的装机规模。”赵祥说,“不少开发企业提出需求,但我们需要结合区域产能布局,落实交付计划。”

2018年,江苏高邮,全国首个140米钢混塔批量项目

高是手段,并非目的

塔架越高,重量越大。如果采用传统钢塔形式,其重量会随着高度呈现指数级增长。因此,利用成本更低、易于模块化的混凝土段,代替一部分钢段,使风电机组在“提高发电量-控制成本-确保可靠性”这个三角关系中取得平衡,就成了钢混塔参与市场的商业逻辑。

据了解,早在20世纪70年代欧洲就已出现了钢混塔。1978年3月,全球首台风电钢混塔在丹麦TVIND学校正式运转。这台54米高的混凝土塔架上,安装了风轮直径为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。

不同于风电机组技术进步走的是引进、消化、吸收、再创新,我国钢混塔的研制从开始即以自主研发为主。2011年,金风科技决定自主研发钢混塔,并在“863计划”中将其立项为低风速风电机组核心技术。2013年,该公司完成了国内首台现浇式钢混塔的样机吊装与并网,掌握了钢混塔架载荷-结构一体化设计方法。2015年,国内第一台体外预应力预制装配式钢混塔架样机完成安装,我国逐步实现钢混塔的批量化与产业化发展。

2013年,新疆达坂城-全国首台钢混塔架样机

虽然钢混塔技术正活跃于市场,但难以避免遇到发展瓶颈。更高,已不是其下一步发展的重点。

“目前的185米,是我们综合客户和市场需求、上网电价、电力市场交易、施工能力等各方面因素,详细论证后得出的最优高度。”赵祥表示,“虽然从技术层面来说,做到260米都没问题,但从目前行业发展情况来看,我认为到200米以上钢混塔的发展就不再以更高为主要目标。”

这样的判断基于几个因素:一是未来机组大型化将有所放缓,导致对塔架高度的需求降低。二是企业对高空风特性的研究仍有待加强,“我们曾用激光雷达做了几个项目400米的风特性,但表现出的特性也好,研究的项目数量也好,还有更长的路要走,需要更大的投入”。三是钢混塔为装配式结构,吊装时不需要太大吨位的吊机,但塔架更高后会存在机舱吊机不够经济的问题。四是虽然塔架升高后电量将有所增加,但由于电力交易与限电存在不确定性,项目发电量与项目发电收益并不完全等同,而为提升塔架高度进行的投入却又相对固定,这在一定程度上影响了开发企业的投资决策。

“因此,塔架有进一步升高的市场动力,但不会像过去几年发展那么快,需要结合市场热点区域、机型发展和技术进步,动态进行评估。当然结合风能资源特性的深入研究和更高塔架的研究,是有价值的。”赵祥判断。

山西夏县-全国首台100米预制装配式钢混塔架样机

更可靠,更高效

产品的开发与解决方案的制定,需要围绕市场需求进行,钢混塔同样如此。“今天我推出个185米产品,明天他开发个190米产品,这不是工业产品的本质。其本质是给客户创造价值,这也与我们所秉承的‘客户导向’一脉相承。对于钢混塔而言,目前客户的主要关注点是安全性和可靠性问题。”赵祥认为。

看似是混凝土结构,但钢混塔的技术要求并不低,不能仅从现场工程的角度去看待这一技术含量和精细化程度较高的设备产品。设计制造钢混塔,需要对风能资源、载荷控制、材料选择、强度设计、结构设计及工艺匹配具有把控能力。金风科技采用了“整机-塔架-基础一体化”设计理念,在机组设计开发时将钢混塔架模型同步迭代解耦,最终实现整机与钢混塔架协同、混凝土塔筒与钢塔筒比例最优方案。

此外,在钢混塔的生产和现场施工过程中,企业必须做好细节管理。预制构件、预应力索、水平缝等环节的施工安装水平或经验若存在不足,都将导致严重问题。而钢混塔一旦出现问题,就需要付出极大的弥补成本。

在赵祥看来,如果装机规模为10万千瓦的项目有一个钢混塔出现质量问题,直接和间接经济损失可达2.7亿元。“因为只要一个塔架出现问题,就代表着整个项目在技术和管理过程中大概率存在普遍性问题,那么20台机组的塔架都需要更换,这将产生塔架拆除与安装费用,同时还会因长期停机导致发电量损失。”

据赵祥介绍,为避免上述情况发生,天杉高科采取属地化预制场布局,通过集中生产、精益化管理等措施,打造规模化且因地制宜的生产能力,以及全天候、全季节无间断的交付能力,在满足生产进度的同时,保证混凝土塔筒构件高精度高质量的要求。

2021年,山东济南-全球首台混柔塔样机

目前钢混塔的招标与交付模式多样,有的将主机与钢混塔分开招标,有的对主机与塔架进行打捆招标,再由整机商采用自研代工或全部委外的方式交付钢混塔。但无论是哪种模式,主机与钢混塔的设计必须匹配到位,同时对其生产交付的全过程管理必须按照产品的理念严格执行,而非建筑工程。

“因此,我们在设计一款新产品时,会结合自身和其他行业伙伴,进行动力学和载荷特性研究。在进行具体的项目规划时,会结合项目运输条件,整机对塔架设计要求,实现钢混塔架定制化解决方案的设计。”赵祥表示。

此外,赵祥建议开发企业在选择钢混塔产品时,多关注相关企业的全产业链把控能力,甚至是生产制造单位的经验,乃至后期定检服务能力同样不可忽视。

除安全可靠外,钢混塔的未来主要发展方向还包括如何进一步提升安装效率。目前,钢混塔安装效率参差不齐,最快的可以在4天吊装1台,最慢的安装过程可能超过2周。这与普通塔架最快1天吊装1台的速度相比,还有很大的优化空间。

2023年,内蒙古 包头达茂旗,沙戈荒地区105米钢混塔批量应用

“塔架分段和分片之间除了预应力系统固定外,还需要填充连接,否则两者间会产生应力,出现应力集中导致缺陷产生。”赵祥向《风能》介绍了钢混塔干式连接的原理与效率,“目前,我们通过环氧基或水泥基做填充材料,能够有效提升粘接速度,1个小时内就可以进行下一道工序,且1个小时覆盖了拆装工装所需要的时间,做到即拼即吊。”

天杉高科的团队正研究如何提高钢混塔在北方地区冬季安装的效率,同时在开发能够进一步减少钢混塔施工工序的技术。“今年年底,应该会有一些成果。”赵祥表示。

原标题:《风能》封面故事|钢混塔:高是手段,而非目的

 
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