當(dāng)鋼混塔的高度接近200米，繼續(xù)向上已不再是它的核心追求。

2024年3月，秦皇島金風(fēng)撫寧區(qū)10萬千瓦風(fēng)電項(xiàng)目開工。這個(gè)共安裝18臺機(jī)組的風(fēng)電項(xiàng)目，因成為全球首個(gè)185米鋼混塔批量項(xiàng)目而受到關(guān)注。其實(shí)早在2023年9月，185米鋼混塔樣機(jī)就已在三峽安徽阜陽項(xiàng)目投運(yùn)并展開測試，“無論是仿真與測試的一致性，還是功率特性、噪音，乃至從葉片到傳動系統(tǒng)直至塔架的振動頻率，都達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。”金風(fēng)科技子公司北京天杉高科風(fēng)電科技有限責(zé)任公司董事長兼總經(jīng)理趙祥告訴《風(fēng)能》。

近年來，我國風(fēng)電高塔架技術(shù)進(jìn)步顯著，鋼混塔架以其大容量機(jī)組高塔架的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性、更具經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。遠(yuǎn)景能源170米混塔在2023年實(shí)現(xiàn)批量交付；運(yùn)達(dá)股份也于同年完成180米超高性能混凝土材料混塔吊裝，并在不久前實(shí)現(xiàn)全球首個(gè)180米超高混塔風(fēng)電項(xiàng)目首批機(jī)組并網(wǎng)。它們與上述185米鋼混塔一起，為風(fēng)電機(jī)組大型化發(fā)展和高切變地區(qū)風(fēng)能資源開發(fā)，起到了積極推動作用。

2023年，安徽，185米全球最高鋼混塔樣機(jī)

向更高處要資源

利用鋼混塔將機(jī)艙與風(fēng)輪托舉到更高的空中，對風(fēng)電發(fā)展而言，有兩項(xiàng)意義最為重要：一方面，更高的塔架能支撐機(jī)組大型化發(fā)展。近些年，我國風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增大，為提升大容量機(jī)組的發(fā)電能力，更長的葉片應(yīng)運(yùn)而生。目前，我國已下線的最長陸上風(fēng)電與海上風(fēng)電葉片分別達(dá)到131米和143米。如果塔架高度不足，葉片與地面就無法保持安全距離，極易給整機(jī)帶來安全隱患。因此，塔架高度在某種程度上是機(jī)組風(fēng)輪直徑甚至單機(jī)容量實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提升的瓶頸。

另一方面，更高的塔架能使機(jī)組捕獲到更多風(fēng)能資源。例如，在我國風(fēng)切變超過0.2的地區(qū)，開發(fā)企業(yè)會嘗試盡量采用高塔架獲取更多風(fēng)能資源，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目收益。而對于國際項(xiàng)目，發(fā)電量在項(xiàng)目測算中的敏感性更高，當(dāng)風(fēng)切變達(dá)到0.15及以上時(shí)，開發(fā)企業(yè)就已開始采用非常規(guī)塔架。國家氣候中心的評估結(jié)果顯示，我國100米高度陸上風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量為86.94億千瓦，140米高度可達(dá)101.79億千瓦。由此可見，更高的塔架意味著機(jī)組能利用更多風(fēng)能資源。

技術(shù)可開發(fā)量與經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量不同，前者是后者的前提，后者需要參考項(xiàng)目開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估。據(jù)趙祥介紹，如果以收益率6%作為一個(gè)項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開發(fā)來測算，從160米增加到185米，我國風(fēng)電經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量能夠提升15%以上。

以上述185米鋼混塔樣機(jī)為例，該樣機(jī)能夠比160米塔架的機(jī)組增加0.2米/秒的風(fēng)速，全年折算滿發(fā)小時(shí)數(shù)可增加150小時(shí)以上，發(fā)電量提高8.38%，全投資收益率提升0.5%，從而令低至4.6米/秒的風(fēng)速區(qū)域同樣具備經(jīng)濟(jì)可開發(fā)條件。

“也就是說，以前開發(fā)企業(yè)儲備的一些風(fēng)能資源不太好的區(qū)域，通過更高的塔架將可以達(dá)到投資收益的要求。”趙祥表示，“我們測算發(fā)現(xiàn)，如果風(fēng)切變超過0.17，采用185米的鋼混塔會比160米具有更好的投資收益率。”

因高塔可為開發(fā)企業(yè)帶來可衡量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，185米鋼混塔在完成一系列測試工作后，得到了市場的回應(yīng)。這是不折不扣地通過技術(shù)進(jìn)步推動市場發(fā)展的一個(gè)案例。

“保守估計(jì)，今年185米鋼混塔裝機(jī)會達(dá)到200臺，共計(jì)100萬千瓦左右的裝機(jī)規(guī)模。”趙祥說，“不少開發(fā)企業(yè)提出需求，但我們需要結(jié)合區(qū)域產(chǎn)能布局，落實(shí)交付計(jì)劃。”

2018年，江蘇高郵，全國首個(gè)140米鋼混塔批量項(xiàng)目

高是手段，并非目的

塔架越高，重量越大。如果采用傳統(tǒng)鋼塔形式，其重量會隨著高度呈現(xiàn)指數(shù)級增長。因此，利用成本更低、易于模塊化的混凝土段，代替一部分鋼段，使風(fēng)電機(jī)組在“提高發(fā)電量-控制成本-確保可靠性”這個(gè)三角關(guān)系中取得平衡，就成了鋼混塔參與市場的商業(yè)邏輯。

據(jù)了解，早在20世紀(jì)70年代歐洲就已出現(xiàn)了鋼混塔。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)。這臺54米高的混凝土塔架上，安裝了風(fēng)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。

不同于風(fēng)電機(jī)組技術(shù)進(jìn)步走的是引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新，我國鋼混塔的研制從開始即以自主研發(fā)為主。2011年，金風(fēng)科技決定自主研發(fā)鋼混塔，并在“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)。2013年，該公司完成了國內(nèi)首臺現(xiàn)澆式鋼混塔的樣機(jī)吊裝與并網(wǎng)，掌握了鋼混塔架載荷-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法。2015年，國內(nèi)第一臺體外預(yù)應(yīng)力預(yù)制裝配式鋼混塔架樣機(jī)完成安裝，我國逐步實(shí)現(xiàn)鋼混塔的批量化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2013年，新疆達(dá)坂城-全國首臺鋼混塔架樣機(jī)

雖然鋼混塔技術(shù)正活躍于市場，但難以避免遇到發(fā)展瓶頸。更高，已不是其下一步發(fā)展的重點(diǎn)。

“目前的185米，是我們綜合客戶和市場需求、上網(wǎng)電價(jià)、電力市場交易、施工能力等各方面因素，詳細(xì)論證后得出的最優(yōu)高度。”趙祥表示，“雖然從技術(shù)層面來說，做到260米都沒問題，但從目前行業(yè)發(fā)展情況來看，我認(rèn)為到200米以上鋼混塔的發(fā)展就不再以更高為主要目標(biāo)。”

這樣的判斷基于幾個(gè)因素：一是未來機(jī)組大型化將有所放緩，導(dǎo)致對塔架高度的需求降低。二是企業(yè)對高空風(fēng)特性的研究仍有待加強(qiáng)，“我們曾用激光雷達(dá)做了幾個(gè)項(xiàng)目400米的風(fēng)特性，但表現(xiàn)出的特性也好，研究的項(xiàng)目數(shù)量也好，還有更長的路要走，需要更大的投入”。三是鋼混塔為裝配式結(jié)構(gòu)，吊裝時(shí)不需要太大噸位的吊機(jī)，但塔架更高后會存在機(jī)艙吊機(jī)不夠經(jīng)濟(jì)的問題。四是雖然塔架升高后電量將有所增加，但由于電力交易與限電存在不確定性，項(xiàng)目發(fā)電量與項(xiàng)目發(fā)電收益并不完全等同，而為提升塔架高度進(jìn)行的投入?yún)s又相對固定，這在一定程度上影響了開發(fā)企業(yè)的投資決策。

“因此，塔架有進(jìn)一步升高的市場動力，但不會像過去幾年發(fā)展那么快，需要結(jié)合市場熱點(diǎn)區(qū)域、機(jī)型發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，動態(tài)進(jìn)行評估。當(dāng)然結(jié)合風(fēng)能資源特性的深入研究和更高塔架的研究，是有價(jià)值的。”趙祥判斷。

山西夏縣-全國首臺100米預(yù)制裝配式鋼混塔架樣機(jī)

更可靠，更高效

產(chǎn)品的開發(fā)與解決方案的制定，需要圍繞市場需求進(jìn)行，鋼混塔同樣如此。“今天我推出個(gè)185米產(chǎn)品，明天他開發(fā)個(gè)190米產(chǎn)品，這不是工業(yè)產(chǎn)品的本質(zhì)。其本質(zhì)是給客戶創(chuàng)造價(jià)值，這也與我們所秉承的‘客戶導(dǎo)向’一脈相承。對于鋼混塔而言，目前客戶的主要關(guān)注點(diǎn)是安全性和可靠性問題。”趙祥認(rèn)為。

看似是混凝土結(jié)構(gòu)，但鋼混塔的技術(shù)要求并不低，不能僅從現(xiàn)場工程的角度去看待這一技術(shù)含量和精細(xì)化程度較高的設(shè)備產(chǎn)品。設(shè)計(jì)制造鋼混塔，需要對風(fēng)能資源、載荷控制、材料選擇、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝匹配具有把控能力。金風(fēng)科技采用了“整機(jī)-塔架-基礎(chǔ)一體化”設(shè)計(jì)理念，在機(jī)組設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)將鋼混塔架模型同步迭代解耦，最終實(shí)現(xiàn)整機(jī)與鋼混塔架協(xié)同、混凝土塔筒與鋼塔筒比例最優(yōu)方案。

此外，在鋼混塔的生產(chǎn)和現(xiàn)場施工過程中，企業(yè)必須做好細(xì)節(jié)管理。預(yù)制構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力索、水平縫等環(huán)節(jié)的施工安裝水平或經(jīng)驗(yàn)若存在不足，都將導(dǎo)致嚴(yán)重問題。而鋼混塔一旦出現(xiàn)問題，就需要付出極大的彌補(bǔ)成本。

在趙祥看來，如果裝機(jī)規(guī)模為10萬千瓦的項(xiàng)目有一個(gè)鋼混塔出現(xiàn)質(zhì)量問題，直接和間接經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)2.7億元。“因?yàn)橹灰粋€(gè)塔架出現(xiàn)問題，就代表著整個(gè)項(xiàng)目在技術(shù)和管理過程中大概率存在普遍性問題，那么20臺機(jī)組的塔架都需要更換，這將產(chǎn)生塔架拆除與安裝費(fèi)用，同時(shí)還會因長期停機(jī)導(dǎo)致發(fā)電量損失。”

據(jù)趙祥介紹，為避免上述情況發(fā)生，天杉高科采取屬地化預(yù)制場布局，通過集中生產(chǎn)、精益化管理等措施，打造規(guī)模化且因地制宜的生產(chǎn)能力，以及全天候、全季節(jié)無間斷的交付能力，在滿足生產(chǎn)進(jìn)度的同時(shí)，保證混凝土塔筒構(gòu)件高精度高質(zhì)量的要求。

2021年，山東濟(jì)南-全球首臺混柔塔樣機(jī)

目前鋼混塔的招標(biāo)與交付模式多樣，有的將主機(jī)與鋼混塔分開招標(biāo)，有的對主機(jī)與塔架進(jìn)行打捆招標(biāo)，再由整機(jī)商采用自研代工或全部委外的方式交付鋼混塔。但無論是哪種模式，主機(jī)與鋼混塔的設(shè)計(jì)必須匹配到位，同時(shí)對其生產(chǎn)交付的全過程管理必須按照產(chǎn)品的理念嚴(yán)格執(zhí)行，而非建筑工程。

“因此，我們在設(shè)計(jì)一款新產(chǎn)品時(shí)，會結(jié)合自身和其他行業(yè)伙伴，進(jìn)行動力學(xué)和載荷特性研究。在進(jìn)行具體的項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)，會結(jié)合項(xiàng)目運(yùn)輸條件，整機(jī)對塔架設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)鋼混塔架定制化解決方案的設(shè)計(jì)。”趙祥表示。

此外，趙祥建議開發(fā)企業(yè)在選擇鋼混塔產(chǎn)品時(shí)，多關(guān)注相關(guān)企業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈把控能力，甚至是生產(chǎn)制造單位的經(jīng)驗(yàn)，乃至后期定檢服務(wù)能力同樣不可忽視。

除安全可靠外，鋼混塔的未來主要發(fā)展方向還包括如何進(jìn)一步提升安裝效率。目前，鋼混塔安裝效率參差不齊，最快的可以在4天吊裝1臺，最慢的安裝過程可能超過2周。這與普通塔架最快1天吊裝1臺的速度相比，還有很大的優(yōu)化空間。

2023年，內(nèi)蒙古 包頭達(dá)茂旗，沙戈荒地區(qū)105米鋼混塔批量應(yīng)用

“塔架分段和分片之間除了預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)固定外，還需要填充連接，否則兩者間會產(chǎn)生應(yīng)力，出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生。”趙祥向《風(fēng)能》介紹了鋼混塔干式連接的原理與效率，“目前，我們通過環(huán)氧基或水泥基做填充材料，能夠有效提升粘接速度，1個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以進(jìn)行下一道工序，且1個(gè)小時(shí)覆蓋了拆裝工裝所需要的時(shí)間，做到即拼即吊。”

天杉高科的團(tuán)隊(duì)正研究如何提高鋼混塔在北方地區(qū)冬季安裝的效率，同時(shí)在開發(fā)能夠進(jìn)一步減少鋼混塔施工工序的技術(shù)。“今年年底，應(yīng)該會有一些成果。”趙祥表示。