陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組用塔架結(jié)構(gòu)綜述

賈 銳

(中節(jié)能風(fēng)力發(fā)電股份有限公司，北京 100082)

隨著全球氣候變暖和化石能源日趨枯竭，自20世紀(jì)70年代中期以來，世界主要發(fā)達(dá)國家和一些發(fā)展中國家都在加緊對可再生能源的開發(fā)和利用，風(fēng)能作為一種取之不盡、用之不竭的綠色可再生能源，且在轉(zhuǎn)化為電的過程中，具有不消耗燃料、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)受到各國的大力發(fā)展。自從風(fēng)力機(jī)面世以來，不斷朝著大型化方向發(fā)展。作為風(fēng)力機(jī)重要組件的塔架的各方面特性，也越來越成為制約風(fēng)機(jī)發(fā)展的因素。隨著塔架高度以及體積的增大，造成塔筒制造難度及成本隨之升高，而且塔架高度的增加，迫使其承受的載荷也更加難以控制，塔架失效的幾率增加，這會(huì)對整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生較大影響，甚至整機(jī)報(bào)廢。因此，塔架的研究對于風(fēng)力機(jī)提高單機(jī)容量，降低整機(jī)成本具有重要意義。

1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展背景

1．1 風(fēng)力發(fā)電的起步和發(fā)展

人類從中世紀(jì)甚至更早便開始利用風(fēng)能，但將風(fēng)能用于發(fā)電卻是始于19世紀(jì)末。1887年，美國人Brush建造了第一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電用風(fēng)力機(jī)，可為350盞白熾燈和3個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)提供電力［1］。

一次世界大戰(zhàn)后，飛機(jī)螺旋槳技術(shù)和近代氣體動(dòng)力學(xué)理論為風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。二戰(zhàn)前后歐美國家相繼建造了一批大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。到了1957年，這時(shí)出現(xiàn)的風(fēng)力機(jī)已初具現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)雛形，風(fēng)力機(jī)由1個(gè)發(fā)電機(jī)和3個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片組成［2］。

20世紀(jì)80年代以來，世界上逐漸開發(fā)出了100 kW，200 kW，2 MW，2．5 MW，6．2 MW 和7．2 MW 等各種級(jí)別的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。而目前，世界上最大的“超級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)”單機(jī)功率為7．3 MW［3］。

單機(jī)容量不斷增大的同時(shí)，風(fēng)力機(jī)的裝機(jī)容量也持續(xù)增長。2009年，全球風(fēng)機(jī)新增裝機(jī)超過3 800萬kW，同比2008年增長了31%;2010年全球風(fēng)機(jī)新增裝機(jī)3 580萬kW，同比2009年增長了22．5%，累計(jì)裝機(jī)19 440萬kW［4］?？梢钥闯鲲L(fēng)力發(fā)電行業(yè)依然保持強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。

1．2 我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

我國風(fēng)能儲(chǔ)量大，陸地上可開發(fā)利用的風(fēng)能資源約2．53億kW，加上近海的風(fēng)能資源，全國可開發(fā)利用的總風(fēng)能資源約10億kW以上，居世界之首。

我國從1984年開始研制200 kW風(fēng)電機(jī)組，起步較晚，但經(jīng)過20多年的不斷努力，不斷創(chuàng)新，我國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究已經(jīng)有了長足發(fā)展，且初步形成了完整的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈。華銳風(fēng)電研發(fā)的全球領(lǐng)先、中國單機(jī)容量最大的5 MW風(fēng)電機(jī)組于2010年10月12日下線［5］。2011年5月18日在其江蘇鹽城綜合產(chǎn)業(yè)基地首臺(tái)6 MW風(fēng)電機(jī)組下線，預(yù)示著我國風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)“6．0 MW”時(shí)代正式開啟［6］。

雖然我國的風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅猛，但我國風(fēng)電機(jī)組的研制水平落后于國際先進(jìn)水平，提高我國風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和研究水平，實(shí)現(xiàn)“國產(chǎn)化”，對于我國風(fēng)電事業(yè)的長期發(fā)展是非常重要的。

2 風(fēng)機(jī)分類及組成

2．1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)分類

世界各國研制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的形態(tài)和種類很多，但分類方法基本可歸結(jié)為兩種:第一種分法是按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率大小進(jìn)行分類，劃分的界限分別為10 kW和100 kW，在這兩條界限之內(nèi)為中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，小于10 kW為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大于100 kW自然成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。第二種分類方法是按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪軸方向進(jìn)行分類，可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(見圖1)。目前，技術(shù)最成熟、生產(chǎn)應(yīng)用最廣泛的一種風(fēng)力機(jī)是水平軸風(fēng)力機(jī)。因其具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)和較低的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)要求［7，8］。

2．2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的組成

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架、基礎(chǔ)四部分組成。其中，塔架是支撐機(jī)艙、風(fēng)力及零部件的結(jié)構(gòu)，它的重量占了整個(gè)風(fēng)機(jī)總重的1/2左右，其成本占整個(gè)風(fēng)機(jī)制造的15%左右［9］;它將風(fēng)力機(jī)與地面連接，為風(fēng)輪提供必要的工作高度，然后將風(fēng)力機(jī)各部件受到的載荷傳至地面。塔架的設(shè)計(jì)水平及性能將直接影響風(fēng)機(jī)整機(jī)的性能，因此，可以說塔架是整個(gè)風(fēng)機(jī)機(jī)組安全運(yùn)行的保障。

3 國際上塔架的形式及其特點(diǎn)

由于塔架對于風(fēng)機(jī)的重要性越來越受到重視，相關(guān)研究也不斷深入，各種不同類型的塔架也相繼出現(xiàn)，各有各的特點(diǎn)。目前，塔架的分類大體有如下兩種:

1)按固有頻率分類:可分為剛性塔架和柔性塔架。其固有頻率大于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率的為剛性塔架，反之則為柔性塔架。目前，大中型風(fēng)機(jī)塔架多為柔性塔架，因?yàn)槿嵝运芫哂匈|(zhì)量輕且成本低等優(yōu)點(diǎn)。但因?yàn)槿嵝运艿墓逃蓄l率低于葉片旋轉(zhuǎn)頻率，所以每當(dāng)風(fēng)力機(jī)升速時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)頻率會(huì)有一個(gè)短暫的接近或等于塔架固有頻率的階段，這個(gè)階段將會(huì)引起瞬態(tài)共振。但是由于這個(gè)階段時(shí)間較短，所以不會(huì)造成危害。2)按結(jié)構(gòu)形式分類:可分為桁架式塔架和圓筒式塔架。相對于桁架式塔架，圓筒式塔架雖然成本高，但其具有較高的安全性，優(yōu)雅的外觀和維修方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中被大量采用。

3．1 桁架式塔架

桁架式塔架由于具有非常大的基寬(見圖2)，在所有塔架形式中重量最輕和投資最小，迄今最高的風(fēng)機(jī)已經(jīng)裝備了這種塔架。但這種塔架的優(yōu)勢被可能同樣明顯的劣勢所抵消。因?yàn)槠渎菟ǖ臄?shù)量是非常多，并且它們需要定期檢查，而且塔架的動(dòng)態(tài)特性也非常難控制［10］。在結(jié)冰條件下，大量堆積的冰在極端情況下可能破壞風(fēng)機(jī)塔架［11］。而維修人員的安全可接受水平可能也難以被認(rèn)可。最終這種形式塔架的可見特性都備受爭議，但是歐洲現(xiàn)在仍在設(shè)計(jì)桁架塔，主要應(yīng)用于印度。

圖1 垂直軸與水平軸風(fēng)力機(jī)

圖2 桁架式塔架

3．2 圓筒式塔架

圓筒式塔架根據(jù)材料的不同，又可劃分為高強(qiáng)度鋼錐筒型塔架、預(yù)應(yīng)力混凝土錐筒型塔架、混合式(下層混凝土部分和上層傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋼殼部分)錐筒型塔架和木塔(見圖3)。

1)高強(qiáng)度鋼錐筒型塔架。高強(qiáng)度鋼錐筒型塔架主要是焊接鋼殼塔。焊接鋼殼塔目前在風(fēng)機(jī)市場上占據(jù)了主導(dǎo)地位。它是由鋼板彎曲成一個(gè)圓形并且縱向焊接而成的圓筒。橫向焊縫連接幾個(gè)這樣的圓筒形成20 m～30 m的塔節(jié)。每一節(jié)末有一個(gè)鋼制法蘭盤，用螺栓連接起各個(gè)塔節(jié)。底部法蘭連接到基礎(chǔ)上，機(jī)艙連接在頂部法蘭。一座塔的主要特點(diǎn)是應(yīng)對在極端載荷條件下的張力和屈曲。理想情況下風(fēng)機(jī)應(yīng)該同時(shí)滿足這兩項(xiàng)準(zhǔn)則，因?yàn)樵黾又睆剑⑶蚁鄳?yīng)的減少板厚，增加應(yīng)力強(qiáng)度卻會(huì)減小屈曲承受余度。最后還要進(jìn)行抗疲勞檢驗(yàn)。根據(jù)BSK和Eurocode規(guī)范，連接焊縫(橫向和縱向)和尺寸變化(法蘭)對強(qiáng)度起到了一個(gè)負(fù)面的影響。因此是焊縫和幾何結(jié)構(gòu)主要決定了疲勞強(qiáng)度而不是鋼的質(zhì)量。所以風(fēng)機(jī)塔大多數(shù)采用普通質(zhì)量的鋼材料。

2)預(yù)應(yīng)力混凝土塔筒。在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)，預(yù)應(yīng)力混凝土塔也有一段很長的歷史了。今天，大多數(shù)混凝土塔由預(yù)制組件組裝成，并且鑄造的尺寸允許公路運(yùn)輸。目前世界上最高的混凝土塔筒風(fēng)機(jī)是Enercon公司于2009年生產(chǎn)的138 m高的E-82風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它的裝機(jī)容量為2 kW［12］。在混凝土塔中混凝土基本僅承受壓力，而吸收張力的主要是由設(shè)在混凝土或混凝土墻的內(nèi)部/外部的管道中的預(yù)應(yīng)力鋼筋提供。把這些預(yù)應(yīng)力筋安放在混凝土內(nèi)部或者外部是為了便于檢查。也有一些傳統(tǒng)的未受張力的加強(qiáng)鋼筋澆鑄成的混凝土殼，用來提供抗壓強(qiáng)度(見圖4)。在極端載荷條件下，混凝土塔有較大的應(yīng)對疲勞韌性，因此混凝土塔的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良。據(jù)推測，混凝土的張力預(yù)應(yīng)力可以達(dá)到20 MPa。但是，由于混凝土塔筒的材料非均勻性，也給我們進(jìn)行塔架的動(dòng)態(tài)分析帶來困難。在極端負(fù)載的情況下，壓力側(cè)卸載到接近零，而張力側(cè)負(fù)載達(dá)到兩倍。通過增加混凝土保護(hù)層的厚度，可能會(huì)增加塔的壽命，例如50年［13］。一座混凝土塔的壽命可以服務(wù)于兩代風(fēng)機(jī)，這明顯的節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本。相對于鋼塔，混凝土塔更重且需要花費(fèi)更長的時(shí)間來建造。另一方面，混凝土或者混凝土構(gòu)件相對于大直徑基礎(chǔ)的焊接鋼塔，在運(yùn)輸?shù)倪^程中非常的困難，會(huì)受到種種交通運(yùn)輸限制。

3)混凝土—鋼混合塔。混凝土塔的優(yōu)勢集中在它的底部構(gòu)件，這些構(gòu)件能夠以一種較經(jīng)濟(jì)的方式吸收巨大的力矩。因此市場上出現(xiàn)了下半部分是混凝土塔架而上半部分是鋼殼塔的混合塔(見圖5)，并且傳統(tǒng)的焊接鋼殼塔部分的設(shè)計(jì)與運(yùn)輸限制沒有任何沖突。在現(xiàn)實(shí)中，它也可以更容易地設(shè)計(jì)具體的一部分，得到相應(yīng)的本征頻率。今天，混合型塔被Enercon公司廣泛的應(yīng)用并且還引進(jìn)先進(jìn)的塔系統(tǒng)?；旌闲退话惚燃兓炷了芨?jīng)濟(jì)［13，14］。

圖3 圓筒式塔架

圖4 預(yù)應(yīng)力混凝土塔筒節(jié)

4)木塔。木材用于建造風(fēng)機(jī)葉片材料已經(jīng)十年了，但是最近才提出將其用于建造風(fēng)機(jī)塔。這看上去很奇怪，因?yàn)樗δ绢^的應(yīng)用需求要比葉片還少。木頭一般被認(rèn)為是一種很經(jīng)濟(jì)的抗疲勞和屈曲的建筑材料。迄今為止只有德國的公司在2009年設(shè)計(jì)了一款1．5 MW風(fēng)機(jī)的塔架是木頭材料的風(fēng)力機(jī)［15］(見圖6)。由于發(fā)展和已知技術(shù)的欠缺尤其是關(guān)于關(guān)節(jié)問題，因此木塔的相應(yīng)研究也比其他幾種塔的研究少的相當(dāng)多［10］。

圖5 混凝土—鋼混合塔架

圖6 木塔

4 結(jié)論與展望

未來風(fēng)機(jī)市場在美國和歐洲是很大的，但最大的潛在市場卻是亞洲、拉丁美洲、前蘇聯(lián)和非洲。這些市場需要電力快速發(fā)展并最大限度的對國內(nèi)能源資源依賴的可持續(xù)發(fā)展。隨著技術(shù)的改進(jìn)和演變，風(fēng)機(jī)的組件也在不斷發(fā)生變化，并且向重量更輕型系統(tǒng)發(fā)展已經(jīng)成為一種趨勢。減輕重量和降低材料成本對于占風(fēng)機(jī)總重的60%的塔筒的發(fā)展尤其重要。

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