張 安，陳世強

（湖北省電力勘測設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430040）

隨著風電制造業(yè)的發(fā)展，風力發(fā)電機組單機容量持續(xù)增大，風機葉片及塔筒尺寸也越來越大，目前平原風電120m塔筒高度已成為主流，部分在建風電場已向140m塔筒高度邁進[1]。隨著風機輪轂高度的不斷增加，對于風力發(fā)電塔筒建筑材料和建設(shè)工藝的要求也越來越高。目前風機塔筒形式采用最多的為鋼結(jié)構(gòu)，但是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)塔筒相對于鋼結(jié)構(gòu)塔筒具有取材容易、運輸方便、剛度大、穩(wěn)定性好、耐腐蝕、可耐受一定淹沒深度、節(jié)約鋼材和維修費用低等優(yōu)點，混凝土塔筒已經(jīng)成為風電120m及以上塔筒的建設(shè)趨勢。因此，需要加強對風電混凝土塔筒應(yīng)用過程中的總結(jié)與分析，促進我國風電建設(shè)工程降本增效。

1 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔筒的優(yōu)點

（1）順應(yīng)風電行業(yè)單機大容量的發(fā)展趨勢。近些年隨著我國風力發(fā)電行業(yè)的迅速發(fā)展，風電裝機容量快速增長，陸上可供開發(fā)的風資源豐富的區(qū)域越來越少，風電開發(fā)建設(shè)由高風速地區(qū)向低風速地區(qū)發(fā)展，朝大容量、低風速、高塔筒、長葉片方向發(fā)展。而隨著風力發(fā)電機組塔筒高度的增加，鋼混塔筒的成本優(yōu)勢逐漸凸顯出來。以某風機廠家葉輪直徑為141m的2.5MW低風速風機為例，塔筒高度分別為90m、100m、120m、140m的剛塔筒重量分別為170t、200t、289t、357t。據(jù)此測算，目前120m塔筒高度的鋼混塔筒與鋼塔筒價格相當，120m以上鋼混塔筒價格低于鋼塔筒。針對120m及以上塔筒高度的風力發(fā)電機組，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土風力發(fā)電塔筒可降低風電場建設(shè)成本，提高風電項目的收益率。

（2）適用于低風速區(qū)域的風電建設(shè)，符合電力消納政策。由于近年來我國風電行業(yè)發(fā)展迅速，電網(wǎng)消納能力跟不上裝機增長速度導致嚴重的棄風限電現(xiàn)象。2019年，新疆、甘肅、內(nèi)蒙古棄風形勢仍較為嚴重，三省（區(qū)）棄風電量合計136億kW·h[2]。另外，南方山區(qū)風電受到建設(shè)難度大與環(huán)?！案邏壕€”的雙重影響，開發(fā)愈加困難，因此開發(fā)平原地區(qū)低風速地區(qū)風電成為近年來的方向與重點。目前，平原地區(qū)當?shù)仉娋W(wǎng)具備消納電能優(yōu)勢，但往往存在降雨量大及外洪內(nèi)澇風險，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔筒更有利于風機塔筒的防洪防腐要求。

（3）提高發(fā)電量。當風力機運行時，塔架受載狀況極為復雜。這些荷載通常包括風荷載、機組自重、機組重心偏移引起的偏心力矩以及由于風振引起的高聳結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)等[3]。由于鋼筋混凝土塔筒的剛度好，在風荷載作用下塔筒機艙處的水平位移與振幅均小于傳統(tǒng)鋼制塔筒，保證了葉輪系統(tǒng)迎風角度的穩(wěn)定性，增加了安全性，便于風機廠家調(diào)整風機控制策略提高發(fā)電量，增加了發(fā)電量，降低了場外道路運輸難度，減小了場內(nèi)道路改擴建、新建路段的工程量。風電場運輸?shù)缆芬话阋允〉琅c風電場內(nèi)部道路的接口為分界點，以外為場外道路，以內(nèi)為場內(nèi)道路。受限于我國公路現(xiàn)狀，大多數(shù)橋涵限高4.5～5.5m，而目前90m輪轂高度的2.5MW風電鋼塔筒底部直徑已達4.3m，加上運輸車輛底盤高度，已接近公路運輸?shù)臉O限，同時由于塔筒壁厚增加長度增加，90m輪轂高度底部22m長塔筒重量已近70t，導致鋼制塔筒的場外道路路徑選擇與沿線障礙物拆改工作變得較為困難。

（4）風機塔筒以及葉片的運輸為場內(nèi)道路的運輸關(guān)鍵點。當葉片采用平板掛車運輸時，道路圓曲線最小半徑及彎道外側(cè)掃尾半徑由葉片車決定；當葉片使用舉升工裝車時，道路圓曲線半徑及加寬值由最長段塔筒決定[4]。目前風電場內(nèi)的葉片運輸大多采用舉升工裝車，大幅度降低了葉片場內(nèi)運輸難度，此時場內(nèi)運輸重點由鋼塔筒決定。為保證鋼塔筒的順利運輸，場內(nèi)道路圓曲線半徑及加寬值需滿足相關(guān)要求，采用后輪轉(zhuǎn)向運輸車可進一步減小圓曲線半徑，按照《風電場工程道路設(shè)計規(guī)范》（NB/T 10209—2019）要求，仍然要求最小轉(zhuǎn)彎半徑內(nèi)彎不小于25m，外彎不小于20m，場內(nèi)道路改擴建、新建路段的工程量依然較大。《風電場工程道路設(shè)計規(guī)范》（NB/T 10209—2019）圓曲線最小半徑如表1所示，全鋼塔方案某風機廠家推薦道路加寬值如表2所示。

（5）降低投資成本。鋼筋混凝土塔筒預(yù)制場地選擇多，預(yù)應(yīng)力混凝土塔筒的制造可就近取材、就近生產(chǎn)、就近運輸。預(yù)制混凝土塔筒管片尺寸相對較小，工廠預(yù)制現(xiàn)場拼裝的施工方式顯著降低了場外道路路徑選擇與沿線障礙物拆改工作的難度，大幅度降低了場外道路的運輸成本。目前在建的平原風電多位于縣道鄉(xiāng)道路網(wǎng)較為完善、城鎮(zhèn)村落密布的地區(qū)，采用混塔方案不僅可以節(jié)約道路加寬改造、沿線橋涵加固、沿線電桿廣告牌等障礙物拆改的直接費用，還可以節(jié)約占地補償、林業(yè)補償、復墾復綠補償、拆改補償?shù)乳g接費用，同時節(jié)約建設(shè)投資中的工程費用與工程建設(shè)其他費用。

表1 圓曲線最小半徑 單位：m

表2 全鋼塔方案某風機廠家推薦道路加寬值 單位：m

2 應(yīng)用案例

2.1 項目概述

該風電場項目位于湖北省中部，場地高程31～108m，地勢平坦開闊。項目地點以第四系全新統(tǒng)沖積（Q4al）粉土、粉細砂、卵石、粉質(zhì)黏土為主，表層分布有厚度不均的人工填土。項目所在地多年平均降水量超1100mm，場地區(qū)內(nèi)水系發(fā)達，部分風機位于河灘附近，存在近3m淹沒深度?？傃b機容量為80MW，安裝32臺單機容量為2.5MW低風速風力發(fā)電機組，風機輪轂高度為140m。

2.2 塔筒參數(shù)

項目所在地水系發(fā)達，部分風機位于河灘附近，存在近3m淹沒深度，塔筒選型及設(shè)計時需重點考慮防水防腐蝕問題。項目所在地屬于高切變地區(qū)，考慮目前主流方案可行性及成本與收益，120m及以上風力發(fā)電機組采用預(yù)制混凝土塔筒具有一定成本優(yōu)勢，最終采用140m高的混塔方案。

該項目140m塔筒由混凝土塔筒90.6m、1.5m過渡段及45.4m鋼塔筒組成?；炷令A(yù)制段長度為90.6m，共計30段，每3m為一段（首段3.6m），前29段為4個管片拼接而成，單個管片重6.45～16.75t，單個整環(huán)重25.79～67.01t，底部外徑為4.86～8.43m；第30段為整環(huán)筒段，整環(huán)重25.11t，底部外徑為4.74m。過渡段8.7t，尺寸為φ4.60m×1.50m。鋼塔段總長度為45.4m，分為2段，自下向上長度分別為22.5m、23m，重量分別為43t、37t?；炷凉芷?、過渡段、鋼塔段重量及主尺寸如表3所示，全鋼塔筒重量及主尺寸如表4所示。

表3 混凝土管片、過渡段、鋼塔段重量及主尺寸

表4 全鋼塔筒重量及主尺寸

2.3 實施難點

全鋼塔筒方案塔筒分為6段，單段長度為14.19～29.87m，單段重38.9～73.7t，共計需運輸及起吊6次。而該項目塔筒包括116個管片、1個混凝土整環(huán)、1個過渡段、2段鋼塔筒。運輸車輛可一次托運4個管片或1個混凝土整環(huán)，共計需運輸起吊約33次。因此，采用預(yù)制混凝土塔筒方案明顯增加了運輸車次，增加了交通疏導時間，同時風場檢修道路經(jīng)重載車輛反復碾壓路面易受到損壞，給現(xiàn)場管理帶來了一定難度。另外，混塔、過渡段每天可吊裝5～8段，吊裝混凝土段30段及過渡段1段約需5～6d；鋼絞線張拉需4d；鋼塔2段、發(fā)電機倉、葉片安裝約需3d，吊裝單臺約需12～13d有效工作日。全鋼塔筒風機吊裝，鋼塔6段約需2d，發(fā)電機倉、葉片安裝約需2d，吊裝單臺約需4d有效工作日。混塔的吊裝時間約為全鋼塔筒的3倍，增加了主吊等特種設(shè)備的租賃費用。針對以上問題，可采取優(yōu)化運輸策劃、合理組織施工工序搭接等方法，部分困難路段鋪設(shè)鋼板等臨時措施減小路面受到的重載車輛碾壓破壞，以減少不利影響[5]。

3 結(jié)束語

文章以某實際工程為例，較為全面地比較了預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土風力發(fā)電塔筒在應(yīng)用中的優(yōu)缺點，雖然存在吊裝周期較長、交通運輸協(xié)調(diào)難度較大等問題，但預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土風力發(fā)電塔筒符合單機大容量的市場發(fā)展趨勢，適用于低風速區(qū)域的風電建設(shè)，符合電力消納政策，可降低場外道路運輸難度，減小場內(nèi)道路改擴建、新建路段的工程量，具有一定優(yōu)勢，是未來陸上風電的發(fā)展趨勢，能為后續(xù)的風電建設(shè)工程提供有益的參考。