張明熠 曹雨奇 黃張?jiān)?張東燦 張冬

(1.江蘇金海新能源科技有限公司 鹽城224400；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海200092；3.江蘇金海風(fēng)電塔筒科技有限公司 鹽城224400)

引言

由于配套消納輸電線路相對(duì)滯后于風(fēng)場(chǎng)開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致高風(fēng)速地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)“棄風(fēng)限電”情況嚴(yán)重，低風(fēng)速地區(qū)以良好的并網(wǎng)消納和政府扶持條件以及充足的可開(kāi)發(fā)量成為了近年來(lái)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)。為適應(yīng)更大單機(jī)容量和葉輪直徑以及更高輪轂高度的發(fā)展要求，高塔結(jié)構(gòu)成為了低風(fēng)速風(fēng)電市場(chǎng)中受關(guān)注度較高的一種可選技術(shù)路線。

1 風(fēng)電行業(yè)高塔架結(jié)構(gòu)種類

風(fēng)電行業(yè)普遍認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂中心高度在120m及以上的塔架是“高塔架”，其結(jié)構(gòu)型式可分為:柔性鋼塔、混凝土塔、分片鋼塔及桁架塔4種主要類型，如圖1所示。

圖1 風(fēng)電高塔架主要類型Fig.1 Major types of high-rise wind towers

受制于國(guó)內(nèi)公路運(yùn)輸體系對(duì)塔筒直徑大型化的限制，面對(duì)高塔架帶來(lái)底部彎矩的增大影響，鋼塔僅能通過(guò)增加壁厚來(lái)提高塔架的抗彎承載能力，結(jié)構(gòu)材料利用效率降低的同時(shí)結(jié)構(gòu)剛度并未顯著提升。塔架自振頻率接近于風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間的一些常見(jiàn)風(fēng)速區(qū)間的激振頻率，主機(jī)通過(guò)主動(dòng)控制跳過(guò)這些風(fēng)速區(qū)間以避免共振，這種通過(guò)犧牲發(fā)電量來(lái)滿足設(shè)備功能的柔性鋼塔技術(shù)路線引發(fā)了行業(yè)對(duì)剛性高塔架種類的嘗試。

分片鋼塔和桁架塔均通過(guò)提高塔架構(gòu)件裝配化程度來(lái)解決運(yùn)輸?shù)南拗?，整體用鋼量較柔性鋼塔更為節(jié)省。但在構(gòu)件加工和安裝的精度方面，這兩類塔架較柔性鋼塔提出了超出現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈能力的更高要求，讓相關(guān)制造、運(yùn)輸、安裝環(huán)節(jié)的實(shí)際發(fā)生成本較理論推算更高，需要經(jīng)歷批量發(fā)展的階段以降低綜合造價(jià)。此外，連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量較柔性鋼塔增加也對(duì)后期運(yùn)行維護(hù)的工作提出了更高的要求。

混凝土塔采用就近取材就近預(yù)制的方式來(lái)解決運(yùn)輸限制，自重大穩(wěn)定性好，阻尼比高于鋼結(jié)構(gòu)塔，結(jié)構(gòu)安裝和運(yùn)行過(guò)程振動(dòng)遠(yuǎn)小于鋼筒，不會(huì)頻繁通過(guò)主機(jī)振動(dòng)控制策略損失發(fā)電量。當(dāng)輪轂高度超過(guò)110m時(shí)混凝土塔造價(jià)低于鋼筒塔[1]，有學(xué)者對(duì)鋼塔、鋼混凝土混合塔及混凝土塔方案在80m輪轂高度2MW風(fēng)機(jī)塔架、100m輪轂高度3.6MW風(fēng)機(jī)塔架、150m輪轂高度5MW風(fēng)機(jī)塔架3種情況下進(jìn)行了對(duì)比，研究表明超過(guò)100m的塔架采用混凝土塔方案更有效[2，3]。

如圖2所示，將目前4種主要類型高塔架進(jìn)行特點(diǎn)比較，可以看出，混凝土塔在原材料成本、動(dòng)態(tài)性能、阻尼性能、保養(yǎng)耐久性和維護(hù)成本上均具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但在安裝時(shí)間、連接細(xì)節(jié)、拆卸和運(yùn)輸?shù)确矫嫖茨苓_(dá)到較好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

圖2 各類型塔架特點(diǎn)比較Fig.2 Schematic of comparison of different types of wind tower supporting structures

本文介紹的分段直塔筒體外預(yù)應(yīng)力混凝土塔，由頂部的鋼塔段和底部的混凝土塔段主體組成?？梢詫?duì)傳統(tǒng)混凝土塔的劣勢(shì)進(jìn)行一定程度的彌補(bǔ)，以提升該類塔架的綜合市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 分段直塔筒體外預(yù)應(yīng)力混凝土塔特征

2.1 外型與預(yù)應(yīng)力體系

塔架主體由3種混凝土直筒節(jié)和3種混凝土過(guò)渡筒節(jié)通過(guò)排列組合疊加及鋼塔筒組成，其中過(guò)渡筒節(jié)布置于鋼塔筒與3種直筒節(jié)之間?；炷了瓮ǜ卟捎皿w外預(yù)應(yīng)力鋼絞線體系對(duì)筒節(jié)施加豎向預(yù)應(yīng)力，鋼絞線頂、底兩端采用牛腿預(yù)留孔道形式實(shí)現(xiàn)固定，鋼絞線在中部過(guò)渡筒節(jié)內(nèi)側(cè)凸起環(huán)梁處緊貼實(shí)現(xiàn)1°左右的傾斜角度以實(shí)現(xiàn)體外預(yù)應(yīng)力盡量貼近筒壁內(nèi)側(cè)，鋼絞線在底部過(guò)渡筒節(jié)與內(nèi)側(cè)筒壁無(wú)接觸，如圖3所示。

分段直塔筒的外形特征較漸變外形相比，降低了模具種類和成本，實(shí)現(xiàn)了模具和筒節(jié)的互換性并提高了模具的周轉(zhuǎn)效率。體外預(yù)應(yīng)力較體內(nèi)預(yù)應(yīng)力節(jié)約了現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間，同時(shí)也節(jié)約了筒節(jié)預(yù)應(yīng)力孔道精度保持所增加的預(yù)制成本。

圖3 分段直塔筒節(jié)及體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線體系Fig.3 Segmental Precast element and External Prestressed system

2.2 整環(huán)就近預(yù)制策略

為解決大直徑筒節(jié)長(zhǎng)距離運(yùn)輸限制問(wèn)題，采用整環(huán)就近預(yù)制策略，相比分片預(yù)制技術(shù)路線具有以下優(yōu)勢(shì):1)在人口密集的低風(fēng)速地區(qū)減少機(jī)位點(diǎn)臨時(shí)征用土地面積和占用時(shí)間，降低可能發(fā)生的民事糾紛補(bǔ)償及對(duì)后續(xù)作業(yè)面影響的成本；2)實(shí)現(xiàn)屬地化產(chǎn)業(yè)落地，在企業(yè)納稅和解決就業(yè)崗位方面與政府協(xié)調(diào)工作上形成互惠共贏合作模式；3)減少縱向分片連接和橫、縱分片拼接精度帶來(lái)的高強(qiáng)漿料成本和拼接時(shí)間成本。

2.3 垂直短線法

混凝土塔筒節(jié)預(yù)制過(guò)程中存在以下方面的因素影響最終成品精度:基座支撐標(biāo)高誤差與沉降；模具加工精度誤差；運(yùn)輸安裝過(guò)程對(duì)模具的變形影響；鋼筋籠就位和混凝土傾倒、振搗過(guò)程對(duì)模具位置影響。這些因素偏差積累到一定程度如不加以識(shí)別和調(diào)整，難以保障成品筒節(jié)安裝精度。

采用垂直向的短線法，新澆筑筒節(jié)模板在垂直高度坐落在已成型筒節(jié)上部，通過(guò)對(duì)已成型筒節(jié)的若干關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，指導(dǎo)新澆筒節(jié)的模具相關(guān)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整，從而達(dá)到降低預(yù)制過(guò)程中上述因素對(duì)成品筒節(jié)精度的疊加影響，同時(shí)筒節(jié)水平對(duì)接縫可以實(shí)現(xiàn)初始的特征匹配，實(shí)現(xiàn)了后續(xù)安裝精度和效率的有效提升。

和傳統(tǒng)混凝土單節(jié)現(xiàn)澆工藝方法相比，垂直短線法降低了模具精度要求，這意味著進(jìn)一步降低了模具的加工成本，從塔筒的預(yù)制階段開(kāi)始對(duì)塔筒的施工誤差進(jìn)行識(shí)別與調(diào)整，直至塔筒段的拼裝完成，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電混凝土塔筒全過(guò)程施工控制，如圖4所示。

圖4 短線匹配法筒節(jié)安裝示意Fig.4 Schematic of the installation of match-cast segments

2.4 高效輔助安裝配套

為了提高塔架成型效率，在混凝土筒節(jié)預(yù)制、周轉(zhuǎn)及拼裝過(guò)程中使用了一系列輔助設(shè)備。

如圖5所示，研發(fā)了一種三向伸縮吊梁。該吊梁通過(guò)在筒節(jié)內(nèi)側(cè)預(yù)設(shè)吊梁提升槽可以實(shí)現(xiàn)筒節(jié)低強(qiáng)度轉(zhuǎn)運(yùn)，提高了生產(chǎn)臺(tái)座的周轉(zhuǎn)效率。同時(shí)端部實(shí)現(xiàn)電動(dòng)收縮，相比螺桿吊點(diǎn)方式可節(jié)約筒節(jié)周轉(zhuǎn)、拼裝多次倒運(yùn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高施工效率。

圖5 三向伸縮吊梁Fig.5 Three-way lifting beam

如圖6所示，研發(fā)了一種與分直段塔筒形狀匹配的自動(dòng)升降施工平臺(tái)。各拼裝單元可實(shí)現(xiàn)部件通用性，在吊裝過(guò)程中隨著筒節(jié)的吊裝和內(nèi)部空間的變化逐節(jié)往上爬升。相比于非自動(dòng)升降施工平臺(tái)，既提高人員在平臺(tái)上施工效率，又方便后期的電纜敷設(shè)與接地排查工作開(kāi)展。

圖6 自動(dòng)升降式施工平臺(tái)Fig.6 Self-lifting construction platform

3 混凝土塔運(yùn)行階段結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性實(shí)測(cè)

3.1 基本參數(shù)與測(cè)點(diǎn)布置

某運(yùn)行混凝土塔配風(fēng)電機(jī)組額定功率為3MW，塔架高度為117.83m，其中底部104.66m為混凝土塔筒，上部13.17m為鋼塔筒?；炷了A(yù)制筒節(jié)高3.08m。直筒節(jié)外徑和截面壁厚分別為φ8000×350mm、φ6600×350mm及φ4500×400mm，過(guò)渡筒節(jié)段高度為6.16m。測(cè)試塔剖面如圖7所示?；炷镣矁?nèi)部環(huán)向均勻布置16股鋼絞線，鋼絞線在從下往上第二個(gè)過(guò)渡段位置有1.2°轉(zhuǎn)折。每股鋼絞線施加預(yù)緊力3200kN，確保混凝土筒段在正常運(yùn)行工況下全截面受壓。

加速度實(shí)測(cè)采用Lance LC0132T高靈敏度壓電式加速度傳感器，靈敏度為50V/g。在混凝土塔筒頂部和鋼塔筒頂部2個(gè)高度位置每高度設(shè)置2個(gè)加速度傳感器，加速度傳感器水平放置吸附于筒壁上。加速度傳感器布置如圖7所示，其中X向?yàn)轱L(fēng)機(jī)軸線的水平指向，Y向與X向垂直。

3.2 塔架自振頻率

4m/s風(fēng)速下對(duì)運(yùn)行的測(cè)試塔進(jìn)行停機(jī)操作，對(duì)該過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的加速度進(jìn)行采集，通過(guò)頻譜分析(Welch算法)得到各測(cè)點(diǎn)的自功率譜曲線，如圖8所示，測(cè)試塔X向和Y向自振頻率相近，前2階自振頻率分別為0.432Hz和1.681Hz；測(cè)點(diǎn)1x和測(cè)點(diǎn)1y的第二個(gè)峰值不明顯，說(shuō)明混凝土塔筒頂部位置接近第二階振型的零點(diǎn)。

圖7 加速度傳感器布置Fig.7 Plan of accelerometers

圖8 停機(jī)工況各測(cè)點(diǎn)的自功率譜Fig.8 Power spectrum at different locations

3.3 塔架阻尼比

確定阻尼比時(shí)采用隨機(jī)減量法處理停機(jī)時(shí)各測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程，得到各測(cè)點(diǎn)的自由衰減響應(yīng)，如圖9所示。通過(guò)對(duì)比自由衰減相應(yīng)于對(duì)數(shù)衰減曲線(圖中紅色虛線)可見(jiàn)結(jié)構(gòu)的阻尼比約為4.0%，介于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)之間，且更接近混凝土結(jié)構(gòu)。同時(shí)如圖10所示，采用運(yùn)行轉(zhuǎn)停機(jī)的數(shù)據(jù)對(duì)阻尼比結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，也顯示了約為4.0%的阻尼比。

圖9 根據(jù)隨機(jī)減量法得到的自由衰減響應(yīng)Fig.9 Free-responses at different locations

圖10 運(yùn)行轉(zhuǎn)停機(jī)過(guò)程各測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程Fig.10 Time-history at different locations

4 結(jié)語(yǔ)

分段直塔筒體外預(yù)應(yīng)力塔架是采用分段直塔筒外形、體外預(yù)應(yīng)力體系、整圓就近預(yù)制策略、垂直短線法生產(chǎn)工藝及配套的伸縮吊梁和自動(dòng)升降平臺(tái)裝備建造的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高塔架支承結(jié)構(gòu)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)混凝土風(fēng)電塔在安裝時(shí)間、連接細(xì)節(jié)、拆卸和運(yùn)輸?shù)确矫娴亩贪?。結(jié)合在運(yùn)行測(cè)試塔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其具有的一階自振頻率為0.432Hz、阻尼比為4%。相比柔性鋼塔整體剛度大、阻尼系數(shù)高，可通過(guò)自身結(jié)構(gòu)特征保證機(jī)組在安裝以及全壽命運(yùn)行周期更小的振動(dòng)和更穩(wěn)定的發(fā)電量。