風(fēng)電柔塔、桁架塔、鋼混塔不再?zèng)芪挤置鳎徊妗⒅亟M與融合凸顯未來高塔技術(shù)的進(jìn)化。

百米之上的空氣，藏著多少可被利用的能量？

國家氣候中心評估結(jié)果顯示，我國100米高度陸上風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量有86.94億千瓦，在140米高度為101.79億千瓦。普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，高度100米以上的風(fēng)電塔架就可以被稱為高塔架。那么從100米到140米之間的技術(shù)可開發(fā)量，就是高塔架所創(chuàng)造的市場規(guī)模，這14.86億千瓦中，還不包括140米高度以上的未統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。一項(xiàng)可對比的數(shù)據(jù)是，截至2020年我國累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)量為2.81億千瓦。這意味著，僅100米至140米高度的風(fēng)資源，就可以創(chuàng)造超出目前5倍累計(jì)裝機(jī)量的廣闊市場。

當(dāng)然，資源能被利用多少，很大程度上也要看成本的眼色。90米高的傳統(tǒng)塔架重量約200噸，120米高則已接近300噸，高度再增加重量就是指數(shù)級增長。以眼下的鋼價(jià)，每噸塔架背后就是1.1萬元投入。

正因如此，對高塔架技術(shù)的孜孜追求，同大多數(shù)風(fēng)電技術(shù)市場化過程異曲同工，那就是突破“提高發(fā)電量——控制成本——確保可靠性”這樣一個(gè)三角循環(huán)的限制。不僅發(fā)電要好，更要便宜可靠。

為達(dá)目的，幾乎所有整機(jī)商甚至設(shè)計(jì)院，都在高塔架技術(shù)上傾入了大量資源。它們基本被用在三個(gè)方向上，那就是減輕重量、改變結(jié)構(gòu)、材料替代。

不易的減重

設(shè)計(jì)傳統(tǒng)塔架要求自然頻率要顯著高于葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，以避免兩者相交產(chǎn)生共振。但為了大幅減少鋼材用量，一種自然頻率低于葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的塔架被開發(fā)出來，被形象地稱為柔塔。

直接大幅減輕塔重不難，問題在于，減重后如何確保可靠性。

“柔塔存在一定技術(shù)門檻，主要表征為塔筒頻率降低容易導(dǎo)致‘塔筒共振’和‘渦激振動(dòng)’。需要先進(jìn)的控制技術(shù)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，對整機(jī)技術(shù)能力提出較高要求。”金風(fēng)科技研發(fā)中心機(jī)械技術(shù)部部長張紫平認(rèn)為。

用先進(jìn)性去保證可靠性，看上去有一定矛盾，化解矛盾的能力就產(chǎn)生了技術(shù)門檻。

具體來說，就是當(dāng)葉輪達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，接近與塔筒頻率可能產(chǎn)生的共振點(diǎn)前，控制系統(tǒng)將葉輪轉(zhuǎn)速壓制于共振點(diǎn)轉(zhuǎn)速之下，直到轉(zhuǎn)速可明顯高于共振點(diǎn)時(shí)，再將葉輪直接跳過共振點(diǎn)進(jìn)行高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。這一系列操作，被形象地稱為“跳轉(zhuǎn)速”。但這種控制對電量的影響不大，甚至可以忽略不計(jì)。

據(jù)記載，首臺采用柔塔的風(fēng)電機(jī)組由United Technology于1982年開發(fā)，這家企業(yè)的東家是NASA，技術(shù)能力可見一斑。至今全球?qū)崿F(xiàn)柔塔應(yīng)用的廠家也為數(shù)不多，包括維斯塔斯、西門子歌美颯、金風(fēng)科技、遠(yuǎn)景能源、運(yùn)達(dá)股份、三一重能、東方風(fēng)電等。但它們?nèi)耘f取得了令人矚目的成績，有統(tǒng)計(jì)稱全球100米以上柔塔裝機(jī)量已近萬臺，最高高度166米。

為了跟上整機(jī)大型化步伐，柔塔技術(shù)專家仍在努力解決一些新問題。

“在不改變材料用量條件下提高結(jié)構(gòu)抗彎模量和慣性矩，必須加大直徑。直徑過大則影響運(yùn)輸，要通過分片技術(shù)解決。”張紫平介紹，“根據(jù)機(jī)型不 同將塔架一部分做成分片結(jié)構(gòu)，可以使柔塔直徑從4.5米增加到6米以上。”

在張紫平看來，開發(fā)分片塔的挑戰(zhàn)更多存在于結(jié)構(gòu)專利與生產(chǎn)組拼工藝上。“有人問100多米塔架上出現(xiàn)如此多的螺栓連接結(jié)構(gòu)件，如何保證可靠性。從承載力角度而言，柔塔安全性最敏感區(qū)域在環(huán)向連接，因?yàn)檫@是主要受力方向。縱向連接主要受剪切力影響，不是塔架設(shè)計(jì)的主導(dǎo)因素，所以我們沿縱向分片。縱向連接使用免維護(hù)鉚接螺栓，又嚴(yán)格控制焊縫，安全性上和常規(guī)塔架沒有區(qū)別。”他談到。

據(jù)了解，大金重工是我國最早接觸與參與分片塔制造的企業(yè)之一，也是我國第一個(gè)140米柔塔塔架的生產(chǎn)者，這款塔架由遠(yuǎn)景能源設(shè)計(jì)。大金重工主管制造技術(shù)的副總經(jīng)理告訴《風(fēng)能》，2016年該公司在進(jìn)入維斯塔斯全球供應(yīng)商過程中所試制的正是分片塔。“分片塔制造的核心技術(shù)之一是三組縱向法蘭與筒體的焊接，如果采用手工焊接一次成品合格率太低，焊接外形質(zhì)量不易保證，大金重工是通過應(yīng)用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)自動(dòng)跟蹤焊接車，才使焊縫質(zhì)量一次合格率提升了40%。”

金風(fēng)科技則通過自主研發(fā)設(shè)計(jì)，在2018年實(shí)現(xiàn)我國首臺分片塔樣機(jī)在山東德州的并網(wǎng)發(fā)電，塔架高度120米、直徑6.6米。

基于分片技術(shù)的柔塔下一步規(guī)模化應(yīng)用，施工周期與難度是一項(xiàng)繞不開的挑戰(zhàn)，甚至可能影響開發(fā)商的最終決策。就目前來看，相比德國整機(jī)商ENERCON動(dòng)輒1.6萬顆縱向螺栓連接8個(gè)塔片的工程量而言，我國整機(jī)商已在盡可能減少分片數(shù)量。有信息顯示，2021年12月5日遠(yuǎn)景能源在江蘇射陽安裝的160米高度、17X米葉輪直徑的大直徑分片式全鋼塔架，吊裝用時(shí)不到70小時(shí)，這使分片塔規(guī)模化應(yīng)用成為可能。

結(jié)構(gòu)的力量

同外表簡單、控制復(fù)雜的柔塔相比，桁架塔的技術(shù)發(fā)展方向恰恰相反。在結(jié)構(gòu)上，桁架塔與筒狀塔架有著明顯差別，正是由于底部跨度大使承載力更強(qiáng)，天生適合做高塔架。這或許正是它能在較長一段時(shí)間里，保持我國風(fēng)電塔架高度記錄的真實(shí)原因。

2020年9月，采用青島華斯壯能源科技有限公司（以下簡稱華斯壯）160米預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔的風(fēng)電機(jī)組在山東鄄城并網(wǎng)，一舉刷新當(dāng)時(shí)我國風(fēng)電機(jī)組高度記錄。一年后記錄再次被更新：運(yùn)達(dá)股份在山東膠州完成全球首臺高170米桁架式機(jī)組的吊裝。而在此之前，全球安裝超過120米高度的桁架塔不超過200臺，主要集中在德國、美國和印度。

仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，上面兩款運(yùn)用了桁架結(jié)構(gòu)的高塔，與大多數(shù)從頭至尾全部是桁架結(jié)構(gòu)的塔架外觀差異明顯。由于要搭載更大的葉輪直徑，塔身上部分與主機(jī)連接的位置，采用了筒狀結(jié)構(gòu)，規(guī)避凈空問題。

此外，對于鄄城 160 米塔架桁架結(jié)構(gòu)的塔身部分，華斯壯的專家此前向《風(fēng)能》介紹，其主要受力構(gòu)件優(yōu)先采用了圓截面鋼管，該類截面材料均勻分布于四周，回轉(zhuǎn)半徑大，整體穩(wěn)定性高，且風(fēng)荷載體型系數(shù)相對較小，通過優(yōu)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與工藝實(shí)現(xiàn)局部抗疲勞性能提升。華斯壯的技術(shù)團(tuán)隊(duì)以塔架過渡段的“鋼管-插板焊接節(jié)點(diǎn)”為對象，進(jìn)行了復(fù)雜的預(yù)應(yīng)力抗疲勞試驗(yàn)研究。“最終決定采用預(yù)壓力降低塔柱及其節(jié)點(diǎn)在疲勞載荷下的平均應(yīng)力，從而提升疲勞壽命。”

這都是為了更好地解決塔架焊接疲勞及共振矛盾等問題，讓塔架提升到更高高度。

“桁架塔與傳統(tǒng)筒型高塔相比大大節(jié)省了用鋼量，如果不考慮螺栓的維護(hù)問題，整體經(jīng)濟(jì)性很好。并且這樣的結(jié)構(gòu)使塔身剛度高，不需要特殊的控制策略。”一位曾參與過桁架塔技術(shù)工作的專家談到，“還有就是便于運(yùn)輸，甚至可以用集裝箱。”

據(jù)稱，鄄城 160 米塔架相比同等高度下傳統(tǒng)塔架與基礎(chǔ)的直接成本低 5%至20%。

但這并不代表桁架塔在應(yīng)用端沒有軟肋。有專家認(rèn)為其螺栓緊固的工作量比較大，高度超過120米時(shí)螺栓數(shù)量甚至近萬。“另外在整機(jī)迭代計(jì)算載荷時(shí)，因?yàn)槟壳暗姆抡孳浖ζ渥龀龅姆抡娼Y(jié)果不太準(zhǔn)確，與樣機(jī)實(shí)物存在一定偏差，需要重復(fù)驗(yàn)證，難以像傳統(tǒng)鋼塔一樣快速進(jìn)行調(diào)整。”上述專家認(rèn)為。

但上述專家也表示，這只是階段性的挑戰(zhàn)，是完全可以解決的。桁架塔的規(guī)模化應(yīng)用，在技術(shù)上其實(shí)已經(jīng)沒有難點(diǎn)，關(guān)鍵在于機(jī)制。正如華斯壯董事長王同華此前對《風(fēng)能》提到的，“預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架不僅僅是單一產(chǎn)品的成功研制，更是一種模式、一套體系的重新建構(gòu)。”

桁架塔的基礎(chǔ)類似于輸電塔架的點(diǎn)式分布，占地面積很小，使其不再局限安裝于一塊完整而平整的土地上。由于幾個(gè)支腳獨(dú)立澆筑，桁架塔甚至可以跨河道、水塘、農(nóng)田、道路應(yīng)用，機(jī)組運(yùn)行不影響土地原始用途。可以這樣理解，桁架塔如果大規(guī)模應(yīng)用，將在一定程度上使風(fēng)電擺脫用地限制。

但現(xiàn)在的問題是，桁架塔的基礎(chǔ)用地還是以征為主，而不是以租為主。這不但無法發(fā)揮其優(yōu)勢，還使優(yōu)勢成為劣勢：由于基礎(chǔ)跨度大，征地時(shí)比普通塔筒征地面積多一倍左右。

“目前我國風(fēng)電項(xiàng)目根據(jù)其所用土地性質(zhì)及用途不同，適用政策也不同，對于永久用地及占用農(nóng)用地的，需辦理征地審批手續(xù)。但現(xiàn)實(shí)中桁架塔對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際影響與輸電線路鐵塔十分接近，完全可以參考輸電鐵塔采用‘以租代征’的用地形式。”上述專家呼吁。

材料的特性

2008年，金風(fēng)科技德國VENSYS公司技術(shù)專家，向該公司國內(nèi)技術(shù)團(tuán)隊(duì)推薦了一種在歐洲應(yīng)用的高塔架技術(shù)。這種鋼混塔早在上世紀(jì)七十年代就已出現(xiàn)。1978年3月，全球首臺風(fēng)電鋼混塔在丹麥TVIND學(xué)校正式運(yùn)轉(zhuǎn)，在這臺54米高的混凝土塔架上，安裝了葉輪直徑為54米的風(fēng)電機(jī)組，是迄今為止全球運(yùn)行時(shí)間最長的風(fēng)電機(jī)組之一。

金風(fēng)科技認(rèn)識到，鋼混塔能用價(jià)格更為低廉的低碳混凝土材料替代一部分鋼材，在控制塔架成本的同時(shí)減少碳排放。隨即成立專項(xiàng)小組對該技術(shù)進(jìn)行調(diào)研。起初，該公司打算通過技術(shù)引進(jìn)實(shí)現(xiàn)鋼混塔在中國的應(yīng)用。但在走訪了整個(gè)歐洲后，發(fā)現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)不僅高昂且有諸多應(yīng)用限制。

“干脆一跺腳自己設(shè)計(jì)。”天杉高科副總經(jīng)理叢歐回憶說：“2011年，金風(fēng)科技在863計(jì)劃中將其立項(xiàng)為低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組核心技術(shù)，并為推廣這項(xiàng)技術(shù)成立了天杉高科。”

一項(xiàng)新技術(shù)的市場化應(yīng)用，需要經(jīng)歷從設(shè)計(jì)、樣機(jī)到產(chǎn)業(yè)化的一系列過程。據(jù)叢歐回憶，因?yàn)槌杀咀畹停麄冊?013年先是采用了現(xiàn)澆式鋼混塔技術(shù)，但這對高塔架市場需求最旺盛的中東南部區(qū)域并不算友好。由于一下雨就要停工，較長的交付周期導(dǎo)致最初的客戶體驗(yàn)不佳。為了解決好現(xiàn)場施工問題，2015年天杉高科研制了分片預(yù)制式鋼混塔，“首臺樣機(jī)在天津生產(chǎn)，分兩片經(jīng)過1000公里的運(yùn)輸，在山西夏縣完成了安裝。”這可以說是開啟了國內(nèi)鋼混塔主流技術(shù)路線市場應(yīng)用的元年。此后，天杉高科又不斷更新優(yōu)化這項(xiàng)技術(shù)，以適應(yīng)分散式、大基地、防洪、防沙、山地等不同的場景需求。

至此，鋼混塔最大的工程挑戰(zhàn)被克服，材料剛度大與成本低的優(yōu)勢得以凸顯。據(jù)《風(fēng)能》了解，ACCIONA、ENERCON、西門子歌美颯、恩德、金風(fēng)科技、中國海裝、明陽智能、運(yùn)達(dá)股份、哈電風(fēng)能、許繼風(fēng)電、華東院等國內(nèi)外整機(jī)商及設(shè)計(jì)院，均已實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的批量應(yīng)用，全球120米以上鋼混塔裝機(jī)量超千臺。目前我國最高的鋼混塔達(dá)170米，混凝土塔段分為3節(jié)，每節(jié)45米到50米，鋼塔段約為30米。值得一提的是，該塔架采用了3層嵌套式安裝的方式，通過液壓裝置而非吊機(jī)吊裝，將自身提升到輪轂高度。

自提升技術(shù)最初也應(yīng)用于歐洲，目的是在碼頭將基礎(chǔ)、塔筒、主機(jī)組裝好后，直接用船拖到機(jī)位點(diǎn)，免于采用安裝船。但有專家認(rèn)為，這種預(yù)制形式在陸上具有一定實(shí)施難度，并要留出較大設(shè)計(jì)余量，牽涉更高成本。“同時(shí)，國內(nèi)塔吊的性能與價(jià)格也比國外更具優(yōu)勢，當(dāng)市場需求達(dá)到一定程度，超高塔吊裝瓶頸一定能解決。”這位專家相信：“自提升技術(shù)是一個(gè)很好的研究方向，目前更適合分散式小批量應(yīng)用。”

不僅是自提升技術(shù)，鋼混塔的小批量成本也是讓應(yīng)用者撓頭的問題。因?yàn)轭A(yù)制件模具是鋼混塔成本的重要組成部分，可目前風(fēng)電機(jī)組更新迭代速度較快，如果一款機(jī)型或項(xiàng)目達(dá)不到一定的量，那么模具成本就無處攤銷。

傳統(tǒng)截面為正圓形的混凝土塔筒，由于要實(shí)現(xiàn)塔筒的錐度，截面圓的直徑自下而上是不斷減小的。受精度控制和運(yùn)輸限高的制約，每節(jié)預(yù)制單元高度一般在3米左右，也就是說，每間隔3米就需要一件不同尺寸的模具。隨著機(jī)組容量的快速迭代，預(yù)制單元尺寸及模具尺寸也需要更新?lián)Q代，成本壓力很大。

為解決這個(gè)問題，中國海裝將鋼混塔設(shè)計(jì)為豎向八分片形式，將截面圓等分為四個(gè)圓弧單元并延圓周向外擴(kuò)展，相鄰圓弧單元中間增加了梯形平板單元，這就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)塔筒的圓弧單元尺寸全部一致，平板單元也只需要改變橫向尺寸即可實(shí)現(xiàn)塔筒的錐度。

“僅需要兩種模具即可完成所有混凝土塔筒預(yù)制單元的生產(chǎn)，模具更加兼容，數(shù)量大大降低，對整體成本具有極為正向的影響，在保證經(jīng)濟(jì)性前提下，可以緊緊跟上機(jī)組的迭代速度。”中國海裝塔筒事業(yè)中心副總經(jīng)理（主持工作）蘭涌森補(bǔ)充道：“在安裝方面，相比整圓截面混塔預(yù)制單元，中國海裝混塔單節(jié)尺寸高度在16米左右，以140米輪轂高度鋼混塔筒為例，中國海裝混塔僅分為四節(jié)，首節(jié)在基礎(chǔ)上完成拼裝，其余三節(jié)僅需要三次吊裝即可完成混凝土塔筒段的安裝，效率非常高。”

鋼混塔的設(shè)計(jì)如同砌墻，無論墻上放多重的東西，墻本身都必須達(dá)到一定厚度。當(dāng)鋼混塔承載2兆瓦級主機(jī)時(shí)，其必要的混凝土厚度承載力遠(yuǎn)高于安全余量要求；當(dāng)承載3MW及以上的機(jī)組時(shí)，余量將得到釋放，實(shí)現(xiàn)其更好的經(jīng)濟(jì)性。因此，“150米葉輪直徑是塔架選型的分水嶺，隨著葉輪更大，鋼混塔成本優(yōu)勢將更為明顯。”叢歐認(rèn)為，這還沒有將因箱變內(nèi)置而減少征地與碳減排的優(yōu)勢算進(jìn)去。另據(jù)蘭涌森介紹，目前140米以上鋼混塔相比普通鋼塔，成本可降低30%~50%。

目前全球最高的塔架安裝于德國斯圖加特Gaildorf的Max Bögl風(fēng)電場，是178米的鋼混塔。我國已吊裝的最高柔塔、桁架塔、鋼混塔則分別為165米、170米、170米。

“如果風(fēng)切變在0.2以上，140米塔架再往上總體收益仍呈現(xiàn)上升趨勢，直到發(fā)電量與投入成本達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)。”張紫平分析，以目前的技術(shù)水平，這個(gè)高度被大致定位在180米至185米間。而將塔架高度從140米提高到185米，可以提高項(xiàng)目收益率一個(gè)百分點(diǎn)左右。

更高當(dāng)然也會(huì)帶來更多挑戰(zhàn)。以柔塔為例，“相比做140米柔塔只需考慮一階振動(dòng)時(shí)的自動(dòng)偏航、變槳抗渦功能，二階振動(dòng)的液體阻尼器設(shè)置，吊裝時(shí)的渦激振動(dòng)而言，185米柔塔則需要考慮高階振動(dòng)問題。這就要根據(jù)仿真及實(shí)物樣機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行先進(jìn)的控制策略開發(fā)。”張紫平談道。同時(shí)叢歐也指出，機(jī)組輪轂高度提升至185米以上，鋼混塔也沒那么“剛”了，必須根據(jù)主機(jī)定制適宜的鋼混塔解決方案。

鋼混塔變“柔”其實(shí)并不是一件新鮮的事情，有技術(shù)能力強(qiáng)的整機(jī)商已經(jīng)做了嘗試。而在另一個(gè)技術(shù)方向上，耦合結(jié)構(gòu)桁架塔也被開發(fā)出來。

“純鋼結(jié)構(gòu)細(xì)長薄壁件抗屈曲能力偏弱，而混凝土結(jié)構(gòu)承壓及抗屈曲能力相對更強(qiáng)，我們在桁架塔四個(gè)主體支撐鋼管中灌注混凝土，將兩種材料組合形成耦合受力結(jié)構(gòu)，在節(jié)省原材料的同時(shí)，可大幅提升結(jié)構(gòu)抗屈曲能力，并增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的剛性，實(shí)現(xiàn)1+1＞2的效果。”蘭涌森說：“同時(shí)，僅需調(diào)整管壁厚度或直徑尺寸，即可適配不同風(fēng)輪直徑與容量的機(jī)組，更為靈活。”

上述變化似乎隱含著這樣一個(gè)趨勢：當(dāng)塔架越來越高、葉輪越來越大、主機(jī)越來越重，受安全性、經(jīng)濟(jì)性的雙重驅(qū)動(dòng)，三種高塔架間原本涇渭分明的界限模糊了。未來的塔架結(jié)構(gòu)與形式更為多樣化，也更跨界融合。高塔架方案沒有了最好，只有更好。CWE