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向上突破,钢混塔筒更广阔

2021-04-30 来源:中国海装品牌官微 浏览数:1297

在“30·60”双碳目标的指引下,国内风电行业迎来了新的发展机遇和挑战。面对近期市场的大规模框招,各主机商的竞争也愈演愈烈,长叶片、大兆瓦、轻量化塔筒等关重部件也在不断刷新。业内人士普遍认为,以河南、山东、江苏、安徽等为代表的中东南部低风速地区,高塔项目也将在良好的大环境下绽放异彩。

  在“30·60”双碳目标的指引下,国内风电行业迎来了新的发展机遇和挑战。面对近期市场的大规模框招,各主机商的竞争也愈演愈烈,长叶片、大兆瓦、轻量化塔筒等关重部件也在不断刷新。业内人士普遍认为,以河南、山东、江苏、安徽等为代表的中东南部低风速地区,高塔项目也将在良好的大环境下绽放异彩。
 
 
  在低风速地区的解决方案中,全钢柔性塔筒”凭借其较好的经济性、完善的供应链、较短的吊装周期等方面优势,在120-140米高度区间受到国内市场偏爱。据不完全统计,目前国内市场上在运的120-140米高度风机已超6000余台,其中“柔塔”占比超过八成。尽管在国内的市场接受度尚可,但面对平价市场,随着塔筒高度的进一步攀升,“柔塔”的可靠性也出现了诸多不确定因素。
 
 
我国低风速地区分布示意图
 
  频率降低、高度增加引发的现象和问题
 
  柔性塔筒与刚性塔筒的区别在于,塔筒自身一阶固有频率与机组运行时风轮的旋转频率1P相交或小于1P的即为柔性塔筒。近年来,随着大叶轮、大兆瓦机组的不断发展,为获取更好的发电收益率,不少业主已将传统钢塔高度要求推升至110米。从各主机商110米塔筒设计上来看,尽管塔筒一阶固有频率介于1P与3P之间仍然属于刚性塔筒范围,但由于轻量化的设计,塔筒一阶固有频率与1P之间的安全范围已逐步透支。
 
 
坎贝尔图-塔筒频率示意图
 
  高度在120米及以上的钢制塔筒,已属于柔性塔筒范畴。尽管近年“柔塔”应用已较为广泛,但其与风电机组的配合仍然是一项较为复杂的系统工程,机组的安全与可靠运行仍存在着不确定性。
 
  一方面,频率的降低会导致“涡激振动”和“塔筒共振”现象。“柔塔”吊装时,为抑制“涡激振动”引发的塔筒振动,常常需要加装扰流条或临时阻尼器。同时,随着高度的增加导致吊装时发生“涡激振动”的临界风速在不断降低。运行期间需要依赖控制策略来规避“塔筒共振”带来的失稳风险,目前业内主要通过“共振穿越”、“不平衡补偿”、增加阻尼器等技术来实现。
 
 
  另一方面,塔筒高度增加会带来塔顶摆幅的增大,这对机组的稳定运行、后期运维以及结构的疲劳都带来了不少困扰。此外,低空急流现象会造成的风轮轴向力和切向力变化,这对“柔塔”的抗剪能力提出更高挑战。
 
  今年国内江苏、河南境内相继出现了“柔塔”倒塔事件,所幸事故未造成人员伤亡,但其给业主带来的经济损失非常巨大。尤其在“抢装”期间各项目工期紧迫,抢生产、抢运输、抢吊装已是常态,相对“设计-生产-运输-吊装”各环节的要求更为苛刻,“柔塔”很难做到万无一失。
 
 
  突破瓶颈,各类尝试
 
  随着风轮直径增长、单机容量提升、轮毂高度增加,“柔塔”的安全隐患及风险也不断上升;与此同时,“柔塔”的用钢量也将大幅上升,经济性降低,运输便利性也将受限。为突破瓶颈,各类解决方案层出不穷,如分片式、斜拉式等。
 
  以Enercon为代表的分片式,在国内并未广泛应用。尽管可以解决塔筒运输尺寸受限问题,但如此高密度的螺栓连接,将极大程度削弱柔塔的吊装优势。此外,针对螺栓的监测及后期维护等也将带来诸多问题。
 
  以Vestas为代表的斜拉式,通过钢丝绳的拉伸紧固,以达到降低塔筒受载为目的,但这种典型的桅杆式结构,虽然能够提升部分塔筒的刚度,但增加的纵向受力仍然会给塔筒稳定性埋下隐患。
 
 
  各主机商为突破“柔塔”瓶颈所尝试的各项技术,大多数还处于样机或小批量阶段,能否在保证 “柔塔”可靠性和安全性的同时兼顾经济性,还需要充分验证。
 
  向上突破,钢混塔筒更广阔
 
  钢混塔筒技术,可完美解决塔筒高度与可靠性之间的矛盾关系。钢混塔筒设计频率、刚度适中,无需穿越共振点,机组摆幅小运行更稳定,无需过度依赖控制策略的保护。区别于“柔塔“技术路线,钢混塔筒技术更偏重于塔筒本身。
 
  以某140米钢混塔筒为例,塔筒一阶固有频率位于0.27——0.3Hz区间,与传统的90——100米钢塔频率相当。同时随着塔筒的高度提升,通过调整混凝土段的尺寸、形状,以及钢混比例,仍然可将塔筒频率控制在刚性区间内,从而解决频率问题,塔筒方能向上突破。
 
 
  钢混塔筒在海外市场经历了充分的时间检验,吊装运行的机组多达上万台。同时在“柔塔”设计方面沉淀颇深的某知名厂商,与在混凝土结构方面有着丰富经验的Max Bögl于2020年宣布联手合作,意在拓宽各类高塔技术路线,重点针对混凝土塔筒。其匹配166m和169m轮毂高度的V162/150-5.6MW机组,已获得相关认证。
 
 
  我国作为基建强国,是全球大型工程应用最多国家,拥有完善的体系及相关技术标准规范,对混凝土的控制水平也属国际领先,这些都是我国大规模发展混凝土塔筒产业的有力支撑;同时,我国交建、中铁等诸多企业的业务范围覆盖了中东南部地区,生产基地交织组成辐射网,这对混塔生产、运输等环节提供了有利条件。
 
  面对“30·60”目标,基建企业也在积极拓展布局新能源产业,混塔将迎来合作共赢之局面。近年来,钢混塔筒的批量化装机,推动了国内吊装技术的不断提升,吊装工艺逐渐完善,吊装成本大幅下降。产学研深度融合的背景下,国内高校科研机构等与各主机商也在积极推动钢混塔筒的技术革新。
 
  中国海装推出的分片式钢混塔筒,从样机到批量化装机,已经积累了相当丰富的设计、生产、施工、安装等各方面经验,获得业主一致好评。分片式钢混塔筒产品覆盖120-160米轮毂高度范围,匹配机组涵盖了2.X——4.XMW。
 
 
  作为国内首个“分片式”钢混塔筒批量项目,在3月28日举办的中国风能新春茶话会暨2021风电发展论坛上,江苏国源宝应巳丰项目,因其产品的优越性和对采用钢混塔筒机组的示范引领,获得了2020年中国风能创领先锋奖。
 
 
  江苏国源宝应巳丰项目采用30台中国海装H136-2.2MW机组,搭配140m分片式钢混塔筒。项目自并网以来,机组运行良好、故障率低、可利用率高,风机各项指标均圆满达成。在年平均风速5.72m/s的条件下,预计项目年发电量可达186186MW.h,年等效满发小时数约为2821h。
 
  相信在“30·60”目标的指引下,钢混塔筒技术凭借其自身的优势不断向上突破,将成为低风速地区的优选解决方案,为业主带去更高、更安全、更稳定的发电收益。
 
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