在“30·60”雙碳目標的指引下，國內風電行業(yè)迎來了新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。面對近期市場的大規(guī)模框招，各主機商的競爭也愈演愈烈，長葉片、大兆瓦、輕量化塔筒等關重部件也在不斷刷新。業(yè)內人士普遍認為，以河南、山東、江蘇、安徽等為代表的中東南部低風速地區(qū)，高塔項目也將在良好的大環(huán)境下綻放異彩。
在低風速地區(qū)的解決方案中，全鋼柔性塔筒”憑借其較好的經(jīng)濟性、完善的供應鏈、較短的吊裝周期等方面優(yōu)勢，在120-140米高度區(qū)間受到國內市場偏愛。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內市場上在運的120-140米高度風機已超6000余臺，其中“柔塔”占比超過八成。盡管在國內的市場接受度尚可，但面對平價市場，隨著塔筒高度的進一步攀升，“柔塔”的可靠性也出現(xiàn)了諸多不確定因素。
我國低風速地區(qū)分布示意圖
頻率降低、高度增加引發(fā)的現(xiàn)象和問題
柔性塔筒與剛性塔筒的區(qū)別在于，塔筒自身一階固有頻率與機組運行時風輪的旋轉頻率1P相交或小于1P的即為柔性塔筒。近年來，隨著大葉輪、大兆瓦機組的不斷發(fā)展，為獲取更好的發(fā)電收益率，不少業(yè)主已將傳統(tǒng)鋼塔高度要求推升至110米。從各主機商110米塔筒設計上來看，盡管塔筒一階固有頻率介于1P與3P之間仍然屬于剛性塔筒范圍，但由于輕量化的設計，塔筒一階固有頻率與1P之間的安全范圍已逐步透支。
坎貝爾圖-塔筒頻率示意圖
高度在120米及以上的鋼制塔筒，已屬于柔性塔筒范疇。盡管近年“柔塔”應用已較為廣泛，但其與風電機組的配合仍然是一項較為復雜的系統(tǒng)工程，機組的安全與可靠運行仍存在著不確定性。
一方面，頻率的降低會導致“渦激振動”和“塔筒共振”現(xiàn)象。“柔塔”吊裝時，為抑制“渦激振動”引發(fā)的塔筒振動，常常需要加裝擾流條或臨時阻尼器。同時，隨著高度的增加導致吊裝時發(fā)生“渦激振動”的臨界風速在不斷降低。運行期間需要依賴控制策略來規(guī)避“塔筒共振”帶來的失穩(wěn)風險，目前業(yè)內主要通過“共振穿越”、“不平衡補償”、增加阻尼器等技術來實現(xiàn)。
另一方面，塔筒高度增加會帶來塔頂擺幅的增大，這對機組的穩(wěn)定運行、后期運維以及結構的疲勞都帶來了不少困擾。此外，低空急流現(xiàn)象會造成的風輪軸向力和切向力變化，這對“柔塔”的抗剪能力提出更高挑戰(zhàn)。
今年國內江蘇、河南境內相繼出現(xiàn)了“柔塔”倒塔事件，所幸事故未造成人員傷亡，但其給業(yè)主帶來的經(jīng)濟損失非常巨大。尤其在“搶裝”期間各項目工期緊迫，搶生產(chǎn)、搶運輸、搶吊裝已是常態(tài)，相對“設計-生產(chǎn)-運輸-吊裝”各環(huán)節(jié)的要求更為苛刻，“柔塔”很難做到萬無一失。
突破瓶頸，各類嘗試
隨著風輪直徑增長、單機容量提升、輪轂高度增加，“柔塔”的安全隱患及風險也不斷上升；與此同時，“柔塔”的用鋼量也將大幅上升，經(jīng)濟性降低，運輸便利性也將受限。為突破瓶頸，各類解決方案層出不窮，如分片式、斜拉式等。
以Enercon為代表的分片式，在國內并未廣泛應用。盡管可以解決塔筒運輸尺寸受限問題，但如此高密度的螺栓連接，將極大程度削弱柔塔的吊裝優(yōu)勢。此外，針對螺栓的監(jiān)測及后期維護等也將帶來諸多問題。
以Vestas為代表的斜拉式，通過鋼絲繩的拉伸緊固，以達到降低塔筒受載為目的，但這種典型的桅桿式結構，雖然能夠提升部分塔筒的剛度，但增加的縱向受力仍然會給塔筒穩(wěn)定性埋下隱患。
各主機商為突破“柔塔”瓶頸所嘗試的各項技術，大多數(shù)還處于樣機或小批量階段，能否在保證 “柔塔”可靠性和安全性的同時兼顧經(jīng)濟性，還需要充分驗證。
向上突破，鋼混塔筒更廣闊
鋼混塔筒技術，可完美解決塔筒高度與可靠性之間的矛盾關系。鋼混塔筒設計頻率、剛度適中，無需穿越共振點，機組擺幅小運行更穩(wěn)定，無需過度依賴控制策略的保護。區(qū)別于“柔塔“技術路線，鋼混塔筒技術更偏重于塔筒本身。
以某140米鋼混塔筒為例，塔筒一階固有頻率位于0.27——0.3Hz區(qū)間，與傳統(tǒng)的90——100米鋼塔頻率相當。同時隨著塔筒的高度提升，通過調整混凝土段的尺寸、形狀，以及鋼混比例，仍然可將塔筒頻率控制在剛性區(qū)間內，從而解決頻率問題，塔筒方能向上突破。
鋼混塔筒在海外市場經(jīng)歷了充分的時間檢驗，吊裝運行的機組多達上萬臺。同時在“柔塔”設計方面沉淀頗深的某知名廠商，與在混凝土結構方面有著豐富經(jīng)驗的Max Bögl于2020年宣布聯(lián)手合作，意在拓寬各類高塔技術路線，重點針對混凝土塔筒。其匹配166m和169m輪轂高度的V162/150-5.6MW機組，已獲得相關認證。
我國作為基建強國，是全球大型工程應用最多國家，擁有完善的體系及相關技術標準規(guī)范，對混凝土的控制水平也屬國際領先，這些都是我國大規(guī)模發(fā)展混凝土塔筒產(chǎn)業(yè)的有力支撐；同時，我國交建、中鐵等諸多企業(yè)的業(yè)務范圍覆蓋了中東南部地區(qū)，生產(chǎn)基地交織組成輻射網(wǎng)，這對混塔生產(chǎn)、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)提供了有利條件。
面對“30·60”目標，基建企業(yè)也在積極拓展布局新能源產(chǎn)業(yè)，混塔將迎來合作共贏之局面。近年來，鋼混塔筒的批量化裝機，推動了國內吊裝技術的不斷提升，吊裝工藝逐漸完善，吊裝成本大幅下降。產(chǎn)學研深度融合的背景下，國內高校科研機構等與各主機商也在積極推動鋼混塔筒的技術革新。
中國海裝推出的分片式鋼混塔筒，從樣機到批量化裝機，已經(jīng)積累了相當豐富的設計、生產(chǎn)、施工、安裝等各方面經(jīng)驗，獲得業(yè)主一致好評。分片式鋼混塔筒產(chǎn)品覆蓋120-160米輪轂高度范圍，匹配機組涵蓋了2.X——4.XMW。
作為國內首個“分片式”鋼混塔筒批量項目，在3月28日舉辦的中國風能新春茶話會暨2021風電發(fā)展論壇上，江蘇國源寶應巳豐項目，因其產(chǎn)品的優(yōu)越性和對采用鋼混塔筒機組的示范引領，獲得了2020年中國風能創(chuàng)領先鋒獎。
江蘇國源寶應巳豐項目采用30臺中國海裝H136-2.2MW機組，搭配140m分片式鋼混塔筒。項目自并網(wǎng)以來，機組運行良好、故障率低、可利用率高，風機各項指標均圓滿達成。在年平均風速5.72m/s的條件下，預計項目年發(fā)電量可達186186MW.h，年等效滿發(fā)小時數(shù)約為2821h。
相信在“30·60”目標的指引下，鋼混塔筒技術憑借其自身的優(yōu)勢不斷向上突破，將成為低風速地區(qū)的優(yōu)選解決方案，為業(yè)主帶去更高、更安全、更穩(wěn)定的發(fā)電收益。
