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图10 140m高钢混塔机组(已完成吊装)
钢混塔架的更多技术难点不仅在于如何在国外成熟的钢混塔架技术路线的基础上自主研发适用于国内风电场的钢混塔架设计,可以系统地看到它还包括:与项目执行相关的钢模具设计、结构设计、供应链体系开发等问题。国内针对钢混塔架,开展了大量的研究,进行了室内缩比结构试验及样机验证。
1.模具设计
当采用项目机位点进行现场浇筑方式生产时,钢模具应设计具有足够强度、稳定性的内模内撑桁架系统;采用预制方法进行钢混塔架项目建设时,应主要控制预制节段精度问题;模具设计理念、使用方便与否将直接影响混凝土塔筒预制效率,贴合项目的模具设计也是一个企业研发能力的体现,且大规模的项目开发必将需求更先进的模具工艺。
2.结构设计
如何设计适合国内风电场建设周期、具有优异阻尼特性且振动模态的钢混塔架设计成为整个钢混塔架结构研发的重点。通过不断迭代塔架荷载,优化钢塔筒段与混凝土段比例,确定设计方案,均需多次反复才可实现;同时需要将土建行业成熟的预应力技术引入至风电塔架中,是在国内的首次尝试;如何参照国内外行业规范设计出满足疲劳荷载预应力混凝土结构、钢混塔架连接位置强度设计、基础与塔架连接的设计理念都需要在结构设计中体现。自主研发路线往往需要较长时间的仿真分析及模型试验,在经样机监测可靠后推向市场的产品才称得上成熟。
3.供应链体系开发
钢混塔架涉及专业较广,且并非传统的水平向、竖直受力类桥梁结构,无论从需求材料、工艺开发等均应满足电力设计行业标准,开发一套完备的供应链体系,需要较长时间。
为解决混凝土疲劳问题,将建筑桥梁的预应力技术运用到钢混塔架;为解决运输问题,设计要考虑分段分片设计和运输保护。
国内采用的钢混塔架项目多为预制式生产,在今后看来,如何将混凝土塔筒改为集约工厂化生产,使得产品更具有运输便利性;如何将预制拼装方式采用更先进的工艺拼装,均是今后将考虑解决的问题。市场调研显示,目前已有厂家通过预制工艺革新,探索出了一条更具有竞争力的钢混塔架解决方案。
综上所述,高塔技术并非简单的塔架高度增加,其本质是通过先进技术手段解决塔架增高带来的新挑战。
四、高塔架技术应用案例
目前国内高塔架技术已相对成熟,有效地拓展了风电的应用场景,为风电行业的发展注入了新的活力。为了解目前国内高塔架机组的运行情况,风能专委会针对2017年12月31日前的应用案例进行了专项调研,调研结果显示我国高塔架技术已得到批量应用,具体情况如下。
(一)140米轮毂高度并网案例
1.河南兰考风电场
总装机容量11MW,采用5台远景能源(江苏)有限公司(以下简称远景能源)EN-121/2.2MW机组,其中1台塔架高度140m,为全钢柔塔。2017年5月29并网。至2017年11月3日为止,运行158天,平均发电量135万kWh。
2.江苏江阴分散式风电场
作为全国采用140米高塔架的远景能源批量分散式项目,一共规划了三期,一期江阴临港分布式项目为一台EN-131/2.2MW中压风力发电机组(风力发电机组出口电压10kV,直接接入10kV电网,不需要箱变),于2017年12月8日并网发电,截至12月31日共并网四台EN-131/2.2MW140米塔筒风电机组。值得一提的是,江阴分散式项目并未专门竖立测风塔,但是因为地处平原,风资源情况相对简单,通过附近的已有测风塔数据以及中尺度数据相结合,可以得到比较准确的风资源情况。经过分析,该分散式风场的平均风速在100米高度约为5.17m/s,在140米高度平均风速能够达到5.69m/s,剪切高达0.283,是一个典型的高剪切风场。如果轮毂高度只有100米,这个风场的年等效满发小时大约只有2100h,但是将轮毂高度抬高到140米,该风场的年等效满发小时能够达到2500h以上。突破了内陆城市周边地区不可能开发风电的认识观念,比邻鳞次栉比的江阴热电厂开发分散式风电,为工业大用户提供绿色电力。
图11 江阴分散式项目
(二)120米轮毂高度并网案例
1.山西广灵风电场
采用了一台远景能源EN-121/2.2MW机组,塔架高度120m,为全钢柔塔。2016年6月并网,统计2016年7月29日至2017年12月29日,共发电994万kWh。
2.江苏弶港风电场
总装机容量99MW,采用45台远景能源EN-121/2.2MW机组,塔架高度120m,为全钢柔塔。自2016年11月29日至2017年1月13日,所有机组陆续完成了并网。至2017年11月4日为止,全场每台机组平均运行336天,平均发电量523.5万kWh。
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