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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。
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。
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