風(fēng)力發(fā)電機組采用圓筒塔與格構(gòu)式塔架的綜合管理經(jīng)濟效益分析

■曾 鐸 ■江西省建筑設(shè)計研究總院，江西 南昌 330046

自1980 年以來，風(fēng)力發(fā)電機單機發(fā)電能力提高500 倍，相應(yīng)風(fēng)電機組塔架的高度也從最初的30 米左右達到現(xiàn)在的100～200 米［1，2］。目前，在國內(nèi)外，風(fēng)電機組塔架多為圓筒結(jié)構(gòu)，圓筒結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、美觀，各方向具有相同的強度、剛度、穩(wěn)定性，塔架直徑從上到下變化緩慢、葉片與塔身的距離從上到下相差不大，運行維護方便等優(yōu)點，便于做整體防蝕處理，投入運行后便于日常維護管理［3，4］。但是也有鋼材消費量大、運輸難度大、安裝場地要求高、塔筒安裝和轉(zhuǎn)運需要大型設(shè)備、塔架整體剛度小等明顯缺點。然而格構(gòu)式塔架可以克服圓筒式鐵塔造價高、運輸難度大、塔架整體剛度小的缺點。特別是對山地風(fēng)場來講，塔筒運輸是風(fēng)場建設(shè)過程中最艱難的工作之一，運輸大型塔筒存在隧道及橋涵洞口的高度不夠的難題;存在大型塔筒運輸?shù)缆方ㄔ鞂ι襟w植被破壞的難題;存在塔筒基礎(chǔ)土石方開挖量大的難題。為此，文中通過對圓筒塔和格構(gòu)式塔架分別進行制作工藝、運輸工程、施工工藝方面的綜合經(jīng)濟效益的對比分析，得出兩種塔架的優(yōu)缺點，為塔架的選型及設(shè)計提供一些合理、科學(xué)的建議。

1 綜合管理對比分析

1.1 制作工藝對比分析

圓筒式塔架的加工制作，一般在大型鋼結(jié)構(gòu)廠房中完成，一般需經(jīng)過以下幾種工序:材料數(shù)控切割、卷板機加工成形、筒節(jié)組對、焊接、檢測等工序。圓筒式塔架由于其體積較大，每一工序幾乎都涉及到一些大型、專業(yè)的設(shè)備和吊車輔助加工，對加工設(shè)備的投資較大［5］，如圖1所示。

相比之下，格構(gòu)式塔架的制作工藝優(yōu)勢十分突出，由于整個設(shè)計過程中所采用的材料大都是圓鋼管，可以依照圖紙，直接與鋼管廠家訂購所需鋼管型號，在鋼結(jié)構(gòu)的廠房中僅需將鋼管按圖紙進行下料，許多拼裝過程可以在安裝現(xiàn)場完成。因此，格構(gòu)式塔架相對圓筒式塔架而言，在塔架制作加工過程中需要的大型設(shè)備較少，鋼管材可以直接在市場上購買，具有一定的優(yōu)勢。

圖1 塔筒制作圖

1.2 運輸過程對比分析

實際工程中，風(fēng)力發(fā)電機的裝機現(xiàn)場與塔架的生產(chǎn)車間往往相距很遠，塔架的遠距離運輸問題不容忽視，這也是完成風(fēng)電機組裝機的必備環(huán)節(jié)。與此同時，隨著塔架高度的增加，運輸費用在建造成本中所占的比例也越來越高。所以本節(jié)將針對兩種結(jié)構(gòu)形式塔架的運輸過程可行性及運輸成本進行對比分析。對于圓筒式塔架的運輸，根據(jù)其外形尺寸，并結(jié)合交通部下發(fā)的《大件運輸管理辦法》中對大型物件分級標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進行分析，本設(shè)計中的圓筒式塔架在實際運輸中屬于二級大型構(gòu)件，運輸過程中對公路路寬、橋高、拐彎半徑空間等均有特殊要求。由于運輸中的諸多限制，導(dǎo)致塔筒運輸前期的工作復(fù)雜且重要，如前期的溝通、協(xié)商、勘測、設(shè)計、施工等，同時也造成運輸成本難以控制。同時也正是因為這些原因，導(dǎo)致了一部分風(fēng)能資源豐富的風(fēng)場，由于塔筒運輸困難，未能得到大范圍的開發(fā)，如圖2 所示。隨著圓筒式塔架高度的增加，這一現(xiàn)象還將更加明顯，主要是由于公路運輸限高4.8m 造成。

圖2 塔筒上山運輸圖

對山區(qū)風(fēng)場而言，塔筒運輸上山是最為艱難的一件工作，上山道路要求寬，轉(zhuǎn)彎半徑要求大，運輸塔筒道路的建造對山體環(huán)境的破壞較大;相比之下，對于格構(gòu)式塔架構(gòu)件的運輸屬于一般運輸，運輸工具選擇靈活;格構(gòu)式塔架構(gòu)件的運輸對道路的要求低。

根據(jù)上述兩種塔架在運輸過程中的對比分析可知，圓筒式塔架在運輸中，易受運輸條件限制，所以需要在運輸前期投入很大的精力，導(dǎo)致運輸成本的提高難以控制。而格構(gòu)式塔架的構(gòu)件運輸，均屬于一般運輸，運輸中不必考慮交通方面的限定，而且由于運輸工具的選擇靈活，相對運輸圓筒型塔筒的大型運輸工具，格構(gòu)式塔架的運輸條件相對低一些，同時也擴大了風(fēng)場的建造范圍和風(fēng)力發(fā)電塔的高度。圓筒式塔架與格構(gòu)式塔架運輸對比，如表1 所示。

表1 圓筒式塔架與三角式塔架運輸對比

1.3 塔架施工過程對比分析

圓筒式塔架的施工過程，首先是對基礎(chǔ)進行檢查，驗收合格后，在天氣、風(fēng)速、設(shè)備等均滿足要求的情況下吊車進場開始塔筒的吊裝，整個吊裝過程需要主吊和副吊兩臺吊車配合完成［6-7］。吊裝完成后，僅需按照設(shè)計要求，禁錮螺栓組，完成法蘭連接。從施工過程來看，圓筒式塔架的施工工序簡單，易于保證施工質(zhì)量，如圖3 所示。

格構(gòu)式塔架的施工主要是對塔架開始進行吊裝前，需按設(shè)計圖紙對塔架進行現(xiàn)場拼裝，完成拼裝后再進行塔架的吊裝。通過對比分析兩種結(jié)構(gòu)形式的實際施工過程可知，圓筒式塔架的組裝施工時需要大型吊裝設(shè)備進場，而格構(gòu)式塔架可以在大型吊裝設(shè)備進場前先行安裝。

2 圓筒塔與格構(gòu)塔架綜合造價比較

假定開發(fā)一個50WM山地風(fēng)電場，采用圓形塔筒道路長度約25km，單價約125 萬/km;而采用格構(gòu)式塔架可縮短至21km，單價約110 萬/km，道路最大縱坡由16%可以優(yōu)化至20%?？梢缘贸鰣A筒塔與格構(gòu)式塔架綜合造價，如表2 所示。

表2 圓筒塔與格構(gòu)式塔架綜合造價比較

3 結(jié)論

通過上述對比分析可以看出:(1)建設(shè)一個50MW 的山地風(fēng)場，風(fēng)電機組塔架采用格構(gòu)式塔架較圓筒塔的直接工程費用可減少25%-30%;(2)隨著市場對高塔架的需求，格構(gòu)式塔架又重新被應(yīng)用，特別是對于大功率山地風(fēng)電機組采用格構(gòu)式塔架，有較好的經(jīng)濟、社會效益、環(huán)境效益;(3)通過格構(gòu)式塔架在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用研究，解決了運輸大型塔筒存在隧道高度不夠難題，解決存在大型塔筒上山道路建造對山體植被破壞大的難題，為風(fēng)力發(fā)電塔架的選型及設(shè)計提供了一些合理、科學(xué)的建議。

［1］方永，胡明輔.風(fēng)電機組的現(xiàn)狀與進展［J］.能源與環(huán)境，2007.

［2］張建民.風(fēng)電機組在國外的發(fā)展現(xiàn)狀及在我國的發(fā)展前景［J］.甘肅科技，2000.

［3］賀德馨.我國風(fēng)電工程研究現(xiàn)狀與展望［J］.力學(xué)與實踐，2002.

［4］靳靜，艾竿.我國風(fēng)電場建設(shè)及運行現(xiàn)狀評估與發(fā)展前景研究［J］.華東電力，2007.

［5］陳達，張偉.風(fēng)能利用和研究綜述［J］.節(jié)能技術(shù)，2007.

［6］GL2010.Guideline for the Certification of Wind Turbines［S］.Germanischer Lloyd，2010.

［7］JB/T10300-2001.風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計要求［S］.北京:中國機械工業(yè)聯(lián)合會，2001.