陸上風電塔筒產品發(fā)展趨勢淺議

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摘要：本文闡述了在新能源平價時代背景下，“安全、適用、經濟、綠色、美觀”是風力發(fā)電三大裝備之一塔筒的設計出發(fā)點。比較了不同塔型在制造成本、物流運輸、現(xiàn)場安裝、發(fā)電量影響等各方面的差異，并對各塔型應用前景和發(fā)展趨勢進行了分析。采用實證方法對鋼柔塔和鋼混塔的經濟性進行了量化計算，得出了2種塔型在風切變和輪轂高度2個變量劃分下的經濟應用區(qū)間。

關鍵詞：風電；塔筒；柔塔；混塔

2020年新冠病毒在全球范圍內蔓延傳播，對各國經濟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。由于2020年是國內陸上風電的政策搶裝年，國內風電項目裝機如火如荼開展的同時，整個風電產業(yè)已進入一個新的發(fā)展階段，一是2020年中央經濟工作會議將“碳達峰、碳中和”列為2021年八項重點任務之一，明確了國內中長期新能源增長的需求空間；二是風力發(fā)電進入了平價時代后，以技術進步推動各環(huán)節(jié)成本下降將是“十四五”階段所有風電參與者的共同目標。作為風電主要裝備之一的塔筒，也需要從“產品設計、材料選用、加工制造、物流運輸、現(xiàn)場安裝”的全成本鏈進行降本優(yōu)化。

1風電塔筒設計要求

陸上塔筒設計需從5個維度進行評價，即安全、適用、經濟、綠色和美觀。塔筒承擔的荷載來自于3個方面：一是上方機艙、輪轂、葉片等的重力荷載；二是風機轉動時的氣動推力形成的前后方向的彎矩，受此彎矩考驗的有塔筒底部與機位基礎的連接，塔段間法蘭的對接螺栓，以及塔節(jié)間的焊接環(huán)縫等；三是塔筒受到的風荷載，需要降低風掃過塔筒時形成的窩激振動影響。因此，塔筒設計需要有足夠的剛性和結構強度。塔筒是滿足風機運行的結構性裝備，需根據(jù)風機荷載要求和應用場景來確定適用性。一方面是風機的大型化趨勢，單機組功率提升需要更大的風輪直徑帶來更大的掃風面積，這就需要更高的塔筒來支持。另一方面為了更好的提高風資源的利用，風能開發(fā)需要深入到中低風速地區(qū)，適應其高切變的特征，也需要更高的塔筒。據(jù)測算，當風切變大于0.12時，采用高塔就有明顯的經濟性。高塔設計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，高塔筒還需要結合工廠的制造能力和項目現(xiàn)場的吊裝能力。風電平價要求電站建造各環(huán)節(jié)成本下降，目前陸上塔筒占風電項目總投資的10%～15%，不同機型和地區(qū)會有較大的差異。三北地區(qū)機型功率大、輪轂高度低，對應塔筒投資占比小。中東部風速較低對應機型功率相對小，高切變的特征需要更高的塔筒，對應塔筒投資占比大。后續(xù)塔筒降本主要來源于兩方面的動力：一是優(yōu)化設計，主流的筒狀鋼塔設計需要提升結構效率，在同樣的荷載要求下實現(xiàn)減重以及減少高強鋼種的使用。二是先進制造，全球范圍內年產超20萬t的塔筒工廠不足10家，大多塔筒工廠規(guī)模有限設備落后，龍頭塔筒企業(yè)通過新建工廠實現(xiàn)先進制造能力，帶動行業(yè)總體成本快速下降?！熬G色供應鏈”是近年來興起的新理念，國家設定單位GDP能耗和碳中和目標，需要企業(yè)控制自身供應鏈的能耗和污染來實現(xiàn)。目前歐美大型企業(yè)普遍開始對供應商進行“綠色考核”，以VESTAS為例，其2020年全球供應商大會即以“可持續(xù)發(fā)展”為主題，提出自身產業(yè)鏈要實現(xiàn)“綠色制造”的目標，建立起供應商的能耗、物耗、排放的數(shù)據(jù)體系，以評定供應商的“綠色績效”。除上述幾個方面外，風機的生產周期長達25年，塔筒呈現(xiàn)進入人的視覺感受約占到風電站總體的50%，需要有效的融進周邊環(huán)境達成和諧統(tǒng)一，在很多地區(qū)風電不僅是一個能源建筑，更是地標建筑和景觀建筑。

2主要塔型的比較分析（圖1）

鋼塔是最早出現(xiàn)的風電基礎解決方案，由于其制造工藝成熟、現(xiàn)場吊裝簡易的優(yōu)勢，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)頻率遠遠大于風機正常工作時的頻率，因此不會發(fā)生機組與塔筒之間的共振。隨著風電機組功率增大，更大的風輪直徑葉片的采用，促使機組的輪轂高度增加，從而帶動塔筒高度的增加。塔筒高度的增加勢必會減小塔筒的固有頻率，而為了杜絕共振的危害現(xiàn)象，勢必要控制塔筒的頻率?？刂扑驳墓逃蓄l率從理論上有兩種方法。一種是通過改變塔筒結構及重量，改變結構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輸?shù)南拗疲业揭欢ǔ潭冉咏舷薇阌羞\輸瓶頸；而提高塔筒的重量勢必造成成本攀升，不夠經濟。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，但不符合市場需求。另一種方法是風電機組整體的控制，主要通過控制機組運行的參數(shù)等技術，從而達到規(guī)避共振的風險。為此風電行業(yè)內，開發(fā)出了共振穿越技術、風輪裝配的不平衡補償、加阻抑制振動等技術，解決了高塔與機組存在共振區(qū)以及高塔振動過大的問題，于是剛性塔筒演進成為了柔性塔筒。目前國內最高的鋼柔塔位于河北昌黎縣，其高度達到了162m，搭配的是VESTAS的3.8MW風機，與140m高塔筒相比，該方案的發(fā)電量提高了7%（當?shù)氐娘L切變?yōu)?.3）。鋼混塔最早出現(xiàn)于歐洲，發(fā)展至今服役數(shù)量已達上萬臺，最高的鋼混塔已高達170m。這主要是因為在結構可靠性上的優(yōu)勢突出，其純剛性的特征能夠適應復雜風況地區(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。國內金風科技、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目開發(fā)建設經驗，但總體上在國內處于發(fā)展停滯狀態(tài)，原因如下：一是制造技術方面遠未成熟，鋼混塔的混泥土板預制的加工精度較高，較一般建筑領域的預制生產難度大。二是難以體現(xiàn)成本優(yōu)勢，單套模具的造價較高，需要有足夠的生產套數(shù)來分攤成本，而不同項目的塔筒是依據(jù)機型、風力特征、荷載、地質條件等來設計的，一套模具很難包容多個項目，這是混塔相比于鋼塔的最大劣勢。三是需要近距離建設預制工廠，機位現(xiàn)場混塔安裝時需要較大的作業(yè)面，同時預制板組裝和吊裝施工周期長。桁架式是傳統(tǒng)的承重結構，在眾多行業(yè)和領域被廣泛應用，如桅桿塔、電視塔和輸電線路塔等。桁架式的優(yōu)點在于用鋼量能節(jié)省，結構效率高，底部實際占地面積?。ǖ珜嶋H征地面積未必能節(jié)省）。缺點在于連接點多，結果失效風險大，制作運用的角鋼迎風體型系數(shù)大，且受角鋼規(guī)格的限制，塔架高度會受限制。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)場安裝工作量較大，且后期運維不及鋼塔便利，目前桁架式已很少采用。

3鋼柔塔的發(fā)展趨勢

鋼柔塔具有風場環(huán)境適應性廣、制造周期短、材料經濟性高、行業(yè)配套成熟、吊裝周期短、后期運維簡便、一定的可回收性等優(yōu)點。因此，未來長期都會成為主流的風電塔筒結構，但隨著未來機組功率越來越大，輪轂高度越高，安全及經濟性會越來越凸顯出瓶頸。鋼柔塔目前最明顯的趨勢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，以提高塔筒的經濟性。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計和制造，而是來自于整個風機系統(tǒng)全方位的進化。首先風機在提高功率的同時需要持續(xù)減重，更緊湊和輕量的機艙，碳纖維材質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，例如通過獨立變漿技術降低風電機組的載荷，控制塔筒橫向和縱向的擺動。未來除大型風電基地外，分散式風電也將成為陸上風能開發(fā)的主要場景，而分散式大多位于丘陵、山地等，對于少數(shù)機位的道路投資不宜過高，其小規(guī)模的少量開發(fā)難以承擔道路成本，因此出現(xiàn)了分片式塔筒的設計。此設計制造成本加大（較常規(guī)鋼塔提高約10%～15%）、現(xiàn)場增加拼裝時間，后期運維相對復雜，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用已經非常普遍，國內僅金風推出了自己的分片式塔筒設計并開始少量應用，其他廠家也在嘗試類似的設計。為了在控制塔筒總體重量和尺寸的前提下，使鋼柔塔達到更高的高度，VESTAS設計出了斜拉索的塔筒方案，以三根多股預應力鋼絞線對塔筒進行拉緊固定，以減少塔筒底部與地面之間的力矩與載荷。此設計從技術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，會導致征用地成本的增加。就具體應用而言，在風電平價的大環(huán)境下，中低風速區(qū)為了獲得更大的利潤，勢必選用高塔來降低成本。當風切邊≥0.16時，高塔就具備開發(fā)的優(yōu)勢了。因此140m以上的超高塔主要將應用在河南、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

鋼混塔筒已經經歷了多年的發(fā)展，具有安全性高，材料經濟性高，生命周期相較于鋼塔要長，風場環(huán)境適應性廣，在特定區(qū)域有抵御一定的水災能力。最為重要一點是鋼混塔因其純鋼性，機頭振幅小，葉輪迎風的入流角穩(wěn)定，吸能效果更佳，發(fā)電量更加穩(wěn)定；同時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、相同機型及平均風速下，鋼混塔架發(fā)電量可比全鋼塔架發(fā)電量提高約2.78%。以下選取兩個有代表性的地區(qū)對兩種塔型的經濟性進行比較。案例1：湖北沙洋地區(qū)，機組功率4.0MW，風速5.47m/s，切變0.16，利用小時數(shù)2408h，電價0.4161元/kWh（表1）。結論：塔筒高度為140m時，鋼塔成本遠低于混塔成本；塔筒高度為165m時，分片塔與混塔成本基本一致（未考慮鋼混塔的拼接成本）。風切在0.16時，140m與165m、185m的風電比較，增加塔筒高度來提高發(fā)電量，但是增加的塔筒成本遠高于發(fā)電量的收益，140m鋼柔塔更具有經濟性。案例2：河南濮陽地區(qū)，機組功率4.0MW，風速6.25m/s，切變0.37，利用小時數(shù)2945h，電價0.3779元/kWh（表2）。結論：塔筒高度為140m時，鋼塔成本遠低于混塔成本；塔筒高度為165m時，分片塔與混塔成本基本一致（未考慮鋼混塔的拼合成本）。風切在0.37時，140m與165m、185m的風電比較，增加塔筒高度來提高發(fā)電量，發(fā)電量的收益較高，185m混塔更具有經濟性。

5結語

新能源進入平價時代后，風電全產業(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”。一方面需要設計的優(yōu)化與創(chuàng)新，提高結構效率；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)的鋼材加工向專業(yè)化、高精度、自動化的方向邁進。鋼柔塔具備較優(yōu)的經濟性，成熟完善的供應鏈，制造安裝周期短，維護便利，更好的外觀“顏值”等優(yōu)勢，因此被廣大的業(yè)主所青睞。但是在超高塔（150m以上）領域，純鋼柔塔的設計只能選擇分片塔筒，塔筒現(xiàn)場需要分片拼裝、內件安裝的耗時已經跟混塔的現(xiàn)場組裝、現(xiàn)場內裝接近，鋼柔塔的施工周期已不存在優(yōu)勢。同時在超高塔（150m以上）領域，鋼塔的經濟性漸漸被混塔所趕超，而且混塔在安全性和發(fā)電量經濟性上優(yōu)勢明顯，當在絕對的優(yōu)勢面前，業(yè)主的傾向也有可能慢慢發(fā)生改變。140m的高塔市場，鋼柔塔比混塔更具性價比，且成本優(yōu)勢明顯。在運輸、施工周期、業(yè)主態(tài)度上也優(yōu)勢明顯，因此140m的高塔市場必定是鋼柔塔的市場。165m的超高塔市場，由于純鋼柔塔只能選擇分片鋼柔塔設計，分片塔的成本性、運輸性、施工周期等已經與混塔接近，選擇權可能更大在于業(yè)主的喜好態(tài)度上。因此165m市場鋼柔塔的選擇，更大的決定性因素在于業(yè)主態(tài)度上。185m的超高塔市場，由于純鋼柔塔只能選擇分片鋼柔塔設計，混塔的經濟性已經遠高于鋼柔塔，混塔的被選擇性更高，但超高塔的應用市場有限，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:王經亞 單位:天順風能（蘇州）股份有限公司