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球哥聊风机(1):未来大容量风机的塔筒/塔架如何搞?
几个月前,风电全球老大VESTAS在华北又开创了全球风电新标杆:风电塔筒高度(hub hight)刷新到162m,打个比方,风机轮毂高度已经是54层楼的高度(按3m层高),未来是否还会继续刷新,我们期待有新的记录诞生。
风电塔筒发展历史很简单:
  • 1,荷兰的纯木质塔架(纯粹的桁架结构),
  • 2,后来的金属桁架塔架,
  • 3,到传统的纯钢筒塔筒,
  • 4,衍生到今天的纯混凝土塔筒,
  • 5,混凝土和钢筒混合塔筒,
  • 6,金属塔架和钢筒的金属桁架塔架,
  • 7,最后一种就是欧洲开始流行的分瓣式组合塔筒。

应该说,风机的塔筒/塔架发展也是很有意思,最早期的风机因为主要用于拉磨,纯粹是为了将风能转化为机械能;后来才想到把风车变为发电机的能源来源,简单的木质桁架结构即可满足要求,随着风车的单机规模越来越大,木质塔架转为钢制结构塔架,再到焊接塔筒,直到最近20年传统的圆锥钢制塔筒。塔筒直径也从过去了1m多到今天塔基的最大直径接近或超过5m,其制造难度越来越大,其运输和施工难度系数与塔架的结构及重量线性比例上升。

风机的容量我们一直在不停的突破,塔架也在突破。到今天为止,海上的已经突破14MW,陆上的已经突破6MW,陆上塔架高度突破162m,这也是随着环保,林业和国土对风电的限制性因素而被迫进步,单机的发电绝对值毫无疑问直线增加,但是,风机及塔架的运输,吊装,施工以及寿命总结的后回收难度越来越大。

单从回收角度而言,钢制塔架具有先天优势。风机运行寿命终结后,木质桁架,钢制桁架,钢筒,分瓣式钢筒这几种塔架的回收都不存在困难,混凝土及钢混塔架的混凝土部分回收难度相对要大一点。单纯从成本而言可能也要比混凝土塔筒要低。从生产运输角度而言,混凝土塔筒最具有优势。无论是整体还是分瓣式组装,可以几乎现场生产,但也有几个缺点:生产周期较长,生产,组装及吊装复杂,而且吊装周期较长,如果不着急并网,这个吊装周期可以忽略。

谈到文章聊的重点:大容量的机型的塔筒解决方案如何搞?
平原高塔的生产,运输以及吊装难度相对较小。vestas最近吊装的5.6MW陆上高塔机型塔架最高可满足166m塔架高度,这对吊装和塔架的设计与生产提出了巨大的挑战。平原风电场的一个参数特殊:分剪切系数较高:风速特点就是风速与高度呈非线性增加。也就是说塔架越高,风速越大,也是为什么平原风电场塔架高度一再增加的原因。但是塔架越高,载荷越大,塔架的重量越重,运输,吊装成本越来越高。当前传统的三个解决方案
1,柔性钢筒塔架。国内远景是主力支持者。优势已经说过,制造,回收简单,但存在塔架二次共振问题导致塔架刚性受力太大折断。我们的VESTAS和国内个别厂家都出现过类似事故,当然,并不代表这个技术方案不好,存在这种可能性。
2,混塔。今天国内的主流方案都是采用混塔方案,混塔的优缺点都很突出,优点是结构稳定性好,缺点是混凝土部分制造周期长,吊装复杂,吊装周期长。国外有一个技术另类-ENERCON,一直推崇这种方案,在得过70%以上的市场占有率,大部分采用这种塔架方案。
来自ENERCON 网站(一水的混塔方案)
3,钢架与钢筒方案。优势是成本低,缺点是钢制桁架部分施工难度太大,南京中人树立样机后,业内再无反应。
可以看出,从塔筒的成本,回收,制造施工难度及吊装难度,混塔无疑成为平原风电场的主流方案。
山地风电场的塔筒如何解决呢?
国内山地风电场也接近5MW了,贵州中水电遵义黄连坝风电场风机单机4.5MW,不用怀疑,这快到了山地或高原风电场的极限(三北除外)。大家都知道,山地风电场的建设几个难题:运输难,施工难,征地难。机型容量越大,重量就越大,塔架塔筒就会越大越重,在山地和高原吊装难度极大,现场施工面积小(与三北不同,随便用),对于塔筒而言,目前还没有较好的解决方案,都采用原来传统的钢制塔筒方案。
如何降低吊装,施工难题,这给大容量单机山地风电场提出了新的难题。

如何突破山地风电场的塔架方案瓶颈,欧洲的ENERCON继续给大家带来了新方案:分瓣式组装塔架方案。塔架由多边等边型钢板焊接,通过螺栓组装,其优势明显:
  • 1,钢制,回收简单
  • 2,基础直径大一点没有制造难度,无需大直径法兰。
  • 3,运输无限制,运输成本低。
唯一现场组装需要时间,对比混凝土的现场组装吊装,要简单的多。
ENERCON 分瓣式塔筒现场图(照片来自ENERCON 领英号)
P5 programme: the E-147 EP5/4.3 MW prototype has been installed at the Paltusmäki site in Finland.
ENERCON最新中标项目宣传风机机型(照片来自ENERCON 领英账号)
当然,也有一个问题,就是刚性和强度以及可靠性问题,从ENERCON的应用历史来看,可靠性问题已经解决,就是设计与制造的质量问题。这个问题我曾经在我之前公众号有一篇文章中提到过,具体图片你可以到那篇文中看(6月18日发表)
山地风电场新技术的应用思考:ENERCON分瓣式塔筒有发展前景吗?
对于三北风电场,由于无运输难,征地难和制造难的问题,传统的钢筒方案可能是最好的选择,成本可能是最低,回收没有问题。
球哥今天有点在行业专家面前班门弄虎,如果有新的想法欢迎交流。
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