陸上風(fēng)電塔筒產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)淺議

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摘要：本文闡述了在新能源平價(jià)時(shí)代背景下，“安全、適用、經(jīng)濟(jì)、綠色、美觀”是風(fēng)力發(fā)電三大裝備之一塔筒的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)。比較了不同塔型在制造成本、物流運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝、發(fā)電量影響等各方面的差異，并對(duì)各塔型應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。采用實(shí)證方法對(duì)鋼柔塔和鋼混塔的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了量化計(jì)算，得出了2種塔型在風(fēng)切變和輪轂高度2個(gè)變量劃分下的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用區(qū)間。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電；塔筒；柔塔；混塔

2020年新冠病毒在全球范圍內(nèi)蔓延傳播，對(duì)各國經(jīng)濟(jì)和人民生活的打擊前所未有，眾多行業(yè)出現(xiàn)了停滯和衰退，而發(fā)電行業(yè)卻持續(xù)著良好態(tài)勢(shì)。由于2020年是國內(nèi)陸上風(fēng)電的政策搶裝年，國內(nèi)風(fēng)電項(xiàng)目裝機(jī)如火如荼開展的同時(shí)，整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段，一是2020年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議將“碳達(dá)峰、碳中和”列為2021年八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一，明確了國內(nèi)中長期新能源增長的需求空間；二是風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了平價(jià)時(shí)代后，以技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)各環(huán)節(jié)成本下降將是“十四五”階段所有風(fēng)電參與者的共同目標(biāo)。作為風(fēng)電主要裝備之一的塔筒，也需要從“產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料選用、加工制造、物流運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝”的全成本鏈進(jìn)行降本優(yōu)化。

1風(fēng)電塔筒設(shè)計(jì)要求

陸上塔筒設(shè)計(jì)需從5個(gè)維度進(jìn)行評(píng)價(jià)，即安全、適用、經(jīng)濟(jì)、綠色和美觀。塔筒承擔(dān)的荷載來自于3個(gè)方面：一是上方機(jī)艙、輪轂、葉片等的重力荷載；二是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)推力形成的前后方向的彎矩，受此彎矩考驗(yàn)的有塔筒底部與機(jī)位基礎(chǔ)的連接，塔段間法蘭的對(duì)接螺栓，以及塔節(jié)間的焊接環(huán)縫等；三是塔筒受到的風(fēng)荷載，需要降低風(fēng)掃過塔筒時(shí)形成的窩激振動(dòng)影響。因此，塔筒設(shè)計(jì)需要有足夠的剛性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。塔筒是滿足風(fēng)機(jī)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)性裝備，需根據(jù)風(fēng)機(jī)荷載要求和應(yīng)用場(chǎng)景來確定適用性。一方面是風(fēng)機(jī)的大型化趨勢(shì)，單機(jī)組功率提升需要更大的風(fēng)輪直徑帶來更大的掃風(fēng)面積，這就需要更高的塔筒來支持。另一方面為了更好的提高風(fēng)資源的利用，風(fēng)能開發(fā)需要深入到中低風(fēng)速地區(qū)，適應(yīng)其高切變的特征，也需要更高的塔筒。據(jù)測(cè)算，當(dāng)風(fēng)切變大于0.12時(shí)，采用高塔就有明顯的經(jīng)濟(jì)性。高塔設(shè)計(jì)需要考慮重量和尺寸，尤其是底段的筒體半徑，這往往受限于道路的寬度和限高等通行條件。同時(shí)，高塔筒還需要結(jié)合工廠的制造能力和項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的吊裝能力。風(fēng)電平價(jià)要求電站建造各環(huán)節(jié)成本下降，目前陸上塔筒占風(fēng)電項(xiàng)目總投資的10%～15%，不同機(jī)型和地區(qū)會(huì)有較大的差異。三北地區(qū)機(jī)型功率大、輪轂高度低，對(duì)應(yīng)塔筒投資占比小。中東部風(fēng)速較低對(duì)應(yīng)機(jī)型功率相對(duì)小，高切變的特征需要更高的塔筒，對(duì)應(yīng)塔筒投資占比大。后續(xù)塔筒降本主要來源于兩方面的動(dòng)力：一是優(yōu)化設(shè)計(jì)，主流的筒狀鋼塔設(shè)計(jì)需要提升結(jié)構(gòu)效率，在同樣的荷載要求下實(shí)現(xiàn)減重以及減少高強(qiáng)鋼種的使用。二是先進(jìn)制造，全球范圍內(nèi)年產(chǎn)超20萬t的塔筒工廠不足10家，大多塔筒工廠規(guī)模有限設(shè)備落后，龍頭塔筒企業(yè)通過新建工廠實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造能力，帶動(dòng)行業(yè)總體成本快速下降?！熬G色供應(yīng)鏈”是近年來興起的新理念，國家設(shè)定單位GDP能耗和碳中和目標(biāo)，需要企業(yè)控制自身供應(yīng)鏈的能耗和污染來實(shí)現(xiàn)。目前歐美大型企業(yè)普遍開始對(duì)供應(yīng)商進(jìn)行“綠色考核”，以VESTAS為例，其2020年全球供應(yīng)商大會(huì)即以“可持續(xù)發(fā)展”為主題，提出自身產(chǎn)業(yè)鏈要實(shí)現(xiàn)“綠色制造”的目標(biāo)，建立起供應(yīng)商的能耗、物耗、排放的數(shù)據(jù)體系，以評(píng)定供應(yīng)商的“綠色績(jī)效”。除上述幾個(gè)方面外，風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)周期長達(dá)25年，塔筒呈現(xiàn)進(jìn)入人的視覺感受約占到風(fēng)電站總體的50%，需要有效的融進(jìn)周邊環(huán)境達(dá)成和諧統(tǒng)一，在很多地區(qū)風(fēng)電不僅是一個(gè)能源建筑，更是地標(biāo)建筑和景觀建筑。

2主要塔型的比較分析（圖1）

鋼塔是最早出現(xiàn)的風(fēng)電基礎(chǔ)解決方案，由于其制造工藝成熟、現(xiàn)場(chǎng)吊裝簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)，使其長期以來都是主流的解決方案。最早的鋼塔都是純剛性的，即塔筒自身固態(tài)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)的頻率，因此不會(huì)發(fā)生機(jī)組與塔筒之間的共振。隨著風(fēng)電機(jī)組功率增大，更大的風(fēng)輪直徑葉片的采用，促使機(jī)組的輪轂高度增加，從而帶動(dòng)塔筒高度的增加。塔筒高度的增加勢(shì)必會(huì)減小塔筒的固有頻率，而為了杜絕共振的危害現(xiàn)象，勢(shì)必要控制塔筒的頻率。控制塔筒的固有頻率從理論上有兩種方法。一種是通過改變塔筒結(jié)構(gòu)及重量，改變結(jié)構(gòu)可以增加塔筒的外徑，從而提升塔筒的剛度及固有頻率，但塔筒外徑受物流運(yùn)輸?shù)南拗?，而且到一定程度接近上限便有運(yùn)輸瓶頸；而提高塔筒的重量勢(shì)必造成成本攀升，不夠經(jīng)濟(jì)。例如：100m高的剛性塔筒，如果要增高至120m，其重量約是原有重量的2倍，所以此種方法理論可行，但不符合市場(chǎng)需求。另一種方法是風(fēng)電機(jī)組整體的控制，主要通過控制機(jī)組運(yùn)行的參數(shù)等技術(shù)，從而達(dá)到規(guī)避共振的風(fēng)險(xiǎn)。為此風(fēng)電行業(yè)內(nèi)，開發(fā)出了共振穿越技術(shù)、風(fēng)輪裝配的不平衡補(bǔ)償、加阻抑制振動(dòng)等技術(shù)，解決了高塔與機(jī)組存在共振區(qū)以及高塔振動(dòng)過大的問題，于是剛性塔筒演進(jìn)成為了柔性塔筒。目前國內(nèi)最高的鋼柔塔位于河北昌黎縣，其高度達(dá)到了162m，搭配的是VESTAS的3.8MW風(fēng)機(jī)，與140m高塔筒相比，該方案的發(fā)電量提高了7%（當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)切變?yōu)?.3）。鋼混塔最早出現(xiàn)于歐洲，發(fā)展至今服役數(shù)量已達(dá)上萬臺(tái)，最高的鋼混塔已高達(dá)170m。這主要是因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)可靠性上的優(yōu)勢(shì)突出，其純剛性的特征能夠適應(yīng)復(fù)雜風(fēng)況地區(qū)，并且具有良好的防水性能，因此其目前仍然是高塔的主要方案之一。國內(nèi)金風(fēng)科技、金科新能源、中國海裝、上海電氣等企業(yè)都有在鋼混塔筒都有完整的項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，但總體上在國內(nèi)處于發(fā)展停滯狀態(tài)，原因如下：一是制造技術(shù)方面遠(yuǎn)未成熟，鋼混塔的混泥土板預(yù)制的加工精度較高，較一般建筑領(lǐng)域的預(yù)制生產(chǎn)難度大。二是難以體現(xiàn)成本優(yōu)勢(shì)，單套模具的造價(jià)較高，需要有足夠的生產(chǎn)套數(shù)來分?jǐn)偝杀?，而不同?xiàng)目的塔筒是依據(jù)機(jī)型、風(fēng)力特征、荷載、地質(zhì)條件等來設(shè)計(jì)的，一套模具很難包容多個(gè)項(xiàng)目，這是混塔相比于鋼塔的最大劣勢(shì)。三是需要近距離建設(shè)預(yù)制工廠，機(jī)位現(xiàn)場(chǎng)混塔安裝時(shí)需要較大的作業(yè)面，同時(shí)預(yù)制板組裝和吊裝施工周期長。桁架式是傳統(tǒng)的承重結(jié)構(gòu)，在眾多行業(yè)和領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，如桅桿塔、電視塔和輸電線路塔等。桁架式的優(yōu)點(diǎn)在于用鋼量能節(jié)省，結(jié)構(gòu)效率高，底部實(shí)際占地面積?。ǖ珜?shí)際征地面積未必能節(jié)省）。缺點(diǎn)在于連接點(diǎn)多，結(jié)果失效風(fēng)險(xiǎn)大，制作運(yùn)用的角鋼迎風(fēng)體型系數(shù)大，且受角鋼規(guī)格的限制，塔架高度會(huì)受限制。另外就是桁架式塔視覺上有凌亂感，整體不美觀。桁架式塔現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量較大，且后期運(yùn)維不及鋼塔便利，目前桁架式已很少采用。

3鋼柔塔的發(fā)展趨勢(shì)

鋼柔塔具有風(fēng)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性廣、制造周期短、材料經(jīng)濟(jì)性高、行業(yè)配套成熟、吊裝周期短、后期運(yùn)維簡(jiǎn)便、一定的可回收性等優(yōu)點(diǎn)。因此，未來長期都會(huì)成為主流的風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)，但隨著未來機(jī)組功率越來越大，輪轂高度越高，安全及經(jīng)濟(jì)性會(huì)越來越凸顯出瓶頸。鋼柔塔目前最明顯的趨勢(shì)是合理地提高徑厚比，即更大的直徑匹配更薄的板厚，在保證塔筒的安全性前提下，以提高塔筒的經(jīng)濟(jì)性。更高的柔塔要具備足夠的可行性，并非單純來自于塔筒本身的設(shè)計(jì)和制造，而是來自于整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)全方位的進(jìn)化。首先風(fēng)機(jī)在提高功率的同時(shí)需要持續(xù)減重，更緊湊和輕量的機(jī)艙，碳纖維材質(zhì)的使用也能使葉片大幅減重，這都將直接降低塔筒承受的荷載。其次是控制系統(tǒng)更加智能化，例如通過獨(dú)立變漿技術(shù)降低風(fēng)電機(jī)組的載荷，控制塔筒橫向和縱向的擺動(dòng)。未來除大型風(fēng)電基地外，分散式風(fēng)電也將成為陸上風(fēng)能開發(fā)的主要場(chǎng)景，而分散式大多位于丘陵、山地等，對(duì)于少數(shù)機(jī)位的道路投資不宜過高，其小規(guī)模的少量開發(fā)難以承擔(dān)道路成本，因此出現(xiàn)了分片式塔筒的設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)制造成本加大（較常規(guī)鋼塔提高約10%～15%）、現(xiàn)場(chǎng)增加拼裝時(shí)間，后期運(yùn)維相對(duì)復(fù)雜，但是以此換來了道路清障等的節(jié)省。VESTAS在海外的分片式塔筒運(yùn)用已經(jīng)非常普遍，國內(nèi)僅金風(fēng)推出了自己的分片式塔筒設(shè)計(jì)并開始少量應(yīng)用，其他廠家也在嘗試類似的設(shè)計(jì)。為了在控制塔筒總體重量和尺寸的前提下，使鋼柔塔達(dá)到更高的高度，VESTAS設(shè)計(jì)出了斜拉索的塔筒方案，以三根多股預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)塔筒進(jìn)行拉緊固定，以減少塔筒底部與地面之間的力矩與載荷。此設(shè)計(jì)從技術(shù)角度具備一定的可行性，但增加斜拉鎖涉及到更多的土地占用，會(huì)導(dǎo)致征用地成本的增加。就具體應(yīng)用而言，在風(fēng)電平價(jià)的大環(huán)境下，中低風(fēng)速區(qū)為了獲得更大的利潤，勢(shì)必選用高塔來降低成本。當(dāng)風(fēng)切邊≥0.16時(shí)，高塔就具備開發(fā)的優(yōu)勢(shì)了。因此140m以上的超高塔主要將應(yīng)用在河南、河北、陜西、山東、安徽江蘇部分地區(qū)為主的中低風(fēng)速區(qū)域。

4鋼柔塔與鋼混塔在特定條件下的比較

鋼混塔筒已經(jīng)經(jīng)歷了多年的發(fā)展，具有安全性高，材料經(jīng)濟(jì)性高，生命周期相較于鋼塔要長，風(fēng)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性廣，在特定區(qū)域有抵御一定的水災(zāi)能力。最為重要一點(diǎn)是鋼混塔因其純鋼性，機(jī)頭振幅小，葉輪迎風(fēng)的入流角穩(wěn)定，吸能效果更佳，發(fā)電量更加穩(wěn)定；同時(shí)其控制策略無需鋼柔塔的保守考慮，綜合下來在相同塔架高度、相同機(jī)型及平均風(fēng)速下，鋼混塔架發(fā)電量可比全鋼塔架發(fā)電量提高約2.78%。以下選取兩個(gè)有代表性的地區(qū)對(duì)兩種塔型的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。案例1：湖北沙洋地區(qū)，機(jī)組功率4.0MW，風(fēng)速5.47m/s，切變0.16，利用小時(shí)數(shù)2408h，電價(jià)0.4161元/kWh（表1）。結(jié)論：塔筒高度為140m時(shí)，鋼塔成本遠(yuǎn)低于混塔成本；塔筒高度為165m時(shí)，分片塔與混塔成本基本一致（未考慮鋼混塔的拼接成本）。風(fēng)切在0.16時(shí)，140m與165m、185m的風(fēng)電比較，增加塔筒高度來提高發(fā)電量，但是增加的塔筒成本遠(yuǎn)高于發(fā)電量的收益，140m鋼柔塔更具有經(jīng)濟(jì)性。案例2：河南濮陽地區(qū)，機(jī)組功率4.0MW，風(fēng)速6.25m/s，切變0.37，利用小時(shí)數(shù)2945h，電價(jià)0.3779元/kWh（表2）。結(jié)論：塔筒高度為140m時(shí)，鋼塔成本遠(yuǎn)低于混塔成本；塔筒高度為165m時(shí)，分片塔與混塔成本基本一致（未考慮鋼混塔的拼合成本）。風(fēng)切在0.37時(shí)，140m與165m、185m的風(fēng)電比較，增加塔筒高度來提高發(fā)電量，發(fā)電量的收益較高，185m混塔更具有經(jīng)濟(jì)性。

5結(jié)語

新能源進(jìn)入平價(jià)時(shí)代后，風(fēng)電全產(chǎn)業(yè)鏈正處于快速降本的階段。就塔筒而言，除了降本外，還需要“舉得更高”。一方面需要設(shè)計(jì)的優(yōu)化與創(chuàng)新，提高結(jié)構(gòu)效率；另一方面也需要在制造環(huán)節(jié)降本，塔筒制造正由傳統(tǒng)的鋼材加工向?qū)I(yè)化、高精度、自動(dòng)化的方向邁進(jìn)。鋼柔塔具備較優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性，成熟完善的供應(yīng)鏈，制造安裝周期短，維護(hù)便利，更好的外觀“顏值”等優(yōu)勢(shì)，因此被廣大的業(yè)主所青睞。但是在超高塔（150m以上）領(lǐng)域，純鋼柔塔的設(shè)計(jì)只能選擇分片塔筒，塔筒現(xiàn)場(chǎng)需要分片拼裝、內(nèi)件安裝的耗時(shí)已經(jīng)跟混塔的現(xiàn)場(chǎng)組裝、現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)裝接近，鋼柔塔的施工周期已不存在優(yōu)勢(shì)。同時(shí)在超高塔（150m以上）領(lǐng)域，鋼塔的經(jīng)濟(jì)性漸漸被混塔所趕超，而且混塔在安全性和發(fā)電量經(jīng)濟(jì)性上優(yōu)勢(shì)明顯，當(dāng)在絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)面前，業(yè)主的傾向也有可能慢慢發(fā)生改變。140m的高塔市場(chǎng)，鋼柔塔比混塔更具性價(jià)比，且成本優(yōu)勢(shì)明顯。在運(yùn)輸、施工周期、業(yè)主態(tài)度上也優(yōu)勢(shì)明顯，因此140m的高塔市場(chǎng)必定是鋼柔塔的市場(chǎng)。165m的超高塔市場(chǎng)，由于純鋼柔塔只能選擇分片鋼柔塔設(shè)計(jì)，分片塔的成本性、運(yùn)輸性、施工周期等已經(jīng)與混塔接近，選擇權(quán)可能更大在于業(yè)主的喜好態(tài)度上。因此165m市場(chǎng)鋼柔塔的選擇，更大的決定性因素在于業(yè)主態(tài)度上。185m的超高塔市場(chǎng)，由于純鋼柔塔只能選擇分片鋼柔塔設(shè)計(jì)，混塔的經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)遠(yuǎn)高于鋼柔塔，混塔的被選擇性更高，但超高塔的應(yīng)用市場(chǎng)有限，主要集中在河南等高切變區(qū)域，而該區(qū)域未必具備大規(guī)模推廣混塔的條件。

作者:王經(jīng)亞 單位:天順風(fēng)能（蘇州）股份有限公司