陸上風電機型及塔架形式模糊 綜合評估及優(yōu)選

許 偉，鄭 南，張林海

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州311122；2.中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海200120)

0 前 言

針對內(nèi)陸平原風電場低風速、高切變的資源特征，為適應低風速風電場的開發(fā)需求，風電機組技術(shù)開始向更長葉片長度、更高輪轂高度等方向發(fā)展[1-2]。近年來，風機輪轂高度增高至100 m以上已形成一種趨勢。考慮到風電場項目的經(jīng)濟性并滿足運輸、安裝要求，風機塔筒開始向柔性塔筒、混合塔筒及全混凝土塔筒等多種結(jié)構(gòu)形式發(fā)展。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 層次分析法(AHP)

層次分析法首先將所要進行的決策問題置于一個大系統(tǒng)中，這個系統(tǒng)中存在相互影響的多種因素，要將這些問題層次化，形成了一個多層的分析結(jié)構(gòu)模型[3]。之后運用數(shù)學方法與定性分析相結(jié)合，通過層層排序，最終根據(jù)各方案計算出的所占的權(quán)重，來輔助決策。

層次分析法(AHP)確定權(quán)重的步驟如下:

(1)構(gòu)造判斷矩陣。以A表示目標，ui、uj(i，j=1，2，…，n)表示因素。uij表示ui對uj的相對重要性數(shù)值。并由uij組成A-U判斷矩陣P。

(2)計算重要性排序。根據(jù)判斷矩陣，求解出最大特征根λmax所對應的特征向量w。方程如下

Pw=λmaxw

(1)

所求特征向量w經(jīng)歸一化，即為各評價因素的重要性排序，也就是權(quán)重分配。

(3)一致性檢驗。以上得出的權(quán)重分配的合理性，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。檢驗使用公式為

CR=CI/RI

(2)

式中，CR為判斷矩陣的隨機一致性比率；CI為判斷矩陣的一般一致性指標。它由下式給出

CI=(λmax-n)/(n-1)

(3)

RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標，對應于n=1，2，3，4，5，6，7，8，9階的判斷矩陣的RI值分別為0，0，0.58，0.90，1.12，1.24，1.32，1.41，1.45。

當判斷矩陣P的CR<0.1時或λmax=n，CI=0時，認為P具有滿意的一致性，否則需調(diào)整P中的元素以使其具有滿意的一致性。

1.2 決策相對優(yōu)屬度計算模型

設(shè)系統(tǒng)有n個決策，每個決策有m個目標特征值評價其優(yōu)劣，則有目標特征值矩陣

(4)

式中，xij為決策j目標i的特征值，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n。

為消除m個目標特征值量綱不同的影響，需要將矩陣X規(guī)格化。即分別對越大越優(yōu)、越小越優(yōu)、中間型目標特征值采用不同的規(guī)格化公式，將矩陣X轉(zhuǎn)化為目標相對優(yōu)屬度矩陣R

(5)

根據(jù)相對隸屬度的定義，劣與優(yōu)分別處于參考連續(xù)統(tǒng)的兩個極點，則劣、優(yōu)決策的目標相對劣屬度與優(yōu)屬度向量分別為

b=(0,0,…,0)T

(6)

g=(1,1,…,1)T

(7)

由矩陣R可知決策j的目標相對優(yōu)屬度向量

rj=(r1j,r2j,…,rmj)T

(8)

則決策j與優(yōu)、劣決策的廣義權(quán)距離分別為

(9)

(10)

(11)

將相對隸屬度定義為權(quán)重，則決策j與優(yōu)決策之間的加權(quán)廣義權(quán)距離

Djg=ujdjg

(12)

決策j與劣決策間的加權(quán)廣義權(quán)距離(簡稱距劣距離)為

Djb=(1-uj)djb

(13)

為求解決策j相對優(yōu)屬度的最優(yōu)值，建立目標函數(shù)為

(14)

則得到?jīng)Q策相對優(yōu)屬度計算模型

(15)

決策相對優(yōu)屬度模型是模糊優(yōu)選方法中的一種重要模型。

2 風機塔架評價指標體系

2.1 風機塔架優(yōu)選的目的及影響因素

風機塔架優(yōu)選在于從眾備選塔架形式中比選出最佳塔架方案，首先必須確定評價指標體系。風機塔架形式主要分為全鋼結(jié)構(gòu)、全混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼+混凝土組合結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合陸上風機塔架的特點和技術(shù)要求，可概括出如下影響陸上風機塔架方案選擇的影響因素。

2.1.1 風機塔架的結(jié)構(gòu)可靠性

主要分析塔架結(jié)構(gòu)方案能否滿足結(jié)構(gòu)上的需要，包括強度、剛度、穩(wěn)定性等。

(1) 結(jié)構(gòu)強度。全鋼塔架結(jié)構(gòu)尺寸較小，強度較全混凝土及鋼+混凝土組合結(jié)構(gòu)小，鋼筒與基礎(chǔ)通過基礎(chǔ)環(huán)或錨栓連接。全混凝土塔架分段預制，需要嚴格的施工工藝才能保證好塔筒的整體性。鋼+混凝土組合塔架混凝土段預制，分段組裝，塔筒整體性較差。

(2) 剛度。塔架按結(jié)構(gòu)剛度從小到大排序，依次為全鋼塔架、鋼+混凝土組合塔架、全混凝土塔架。相同荷載條件下，塔架頂部位移全鋼塔架最大、鋼-混凝土塔架次之，全混凝土塔架最小。根據(jù)對現(xiàn)有機型及塔架動力特性的認識[4]，全鋼塔架的塔筒一階自振頻率一般低于額定葉輪轉(zhuǎn)動頻率，工作時需跳過共振區(qū)間，損失一定的發(fā)電量，因而需要風機廠家做好運行控制策略。而對于鋼+混凝土塔架、全混凝土塔架，其塔筒的一階自振頻率高于葉輪額定轉(zhuǎn)動頻率，因而不存在頻率穿越過程，不會引發(fā)共振問題。

(3) 疲勞荷載。全鋼塔架結(jié)構(gòu)剛度較低，荷載作用下，結(jié)構(gòu)振幅較大，疲勞荷載較大。鋼混凝土組合塔架整體結(jié)構(gòu)剛度較大，振幅較小，疲勞荷載較鋼塔筒小，但鋼塔筒與混凝土塔筒連接處存在剛度突變，上下層間位移較大，易造成疲勞破壞。全混凝土塔架整體剛度大，振幅小，塔筒體型自上到下平滑過渡，疲勞荷載較全鋼塔和鋼混凝土塔小。

2.1.2 風機塔架的技術(shù)可行性

包括所選結(jié)構(gòu)是否經(jīng)過大量工程實踐檢驗，證明其技術(shù)是成熟的；結(jié)構(gòu)是否與現(xiàn)場具體條件相適應。

(1)技術(shù)的成熟性。對于高塔筒而言，全鋼塔架有商業(yè)應用，對于鋼+混凝土還是全混凝土塔架，技術(shù)都是從歐洲引進，國外也都有多年的批量應用[5]。在引進的過程中，根據(jù)我國規(guī)范的要求增加了相關(guān)驗算，安全性符合規(guī)范要求。

(2)與現(xiàn)場條件的適應性。適應性指方案實施后產(chǎn)品質(zhì)量能否得到保證，另外還需考慮到執(zhí)行后生產(chǎn)過程是否安全、是否對環(huán)境造成污染和現(xiàn)場施工條件能否順利執(zhí)行方案等。

(3)技術(shù)的先進性。全混凝土塔架需要嚴格的施工工藝才能保證好塔筒的整體性，技術(shù)最先進。鋼混凝土組合塔架次之。全鋼塔架有商業(yè)應用，技術(shù)成熟。

2.1.3 風機塔架的施工及維護難易性

不同的風機塔架采用的施工方法、程序、施工機械都不一樣，施工難易程度有很大差別。同時，風機塔架不同，其日常運維巡檢的難度也大不相同。

(1)施工技術(shù)的復雜程度。全鋼塔架筒身分段較少，鋼筒段可從工廠直接運輸至機位，國內(nèi)運輸技術(shù)成熟；全混凝土塔架分段較多，混凝土段工廠預制，工廠附近需保證高強混凝土原材料供應，需要嚴格的施工工藝才能保證好塔筒的整體性。鋼+混凝土組合塔架混凝土段需分段分片運輸，若混凝土段數(shù)量多，則混凝土預制工廠占地較大。

(2)施工工期。全鋼塔架在吊裝過程中，渦激振動需要通過一定的措施進行規(guī)避，故吊裝限制條件較多，但施工進度快?；炷凉?jié)段剛度較大，較全鋼塔架相比不會發(fā)生渦激振動，混凝土各段、片間需通過灌漿或插筋連接，施工質(zhì)量要求高。對于高輪轂的鋼混凝土塔架和全混凝土塔架，施工工期長較長。

(3)日常維護的難易程度。鋼塔架在自然環(huán)境下較混凝土塔筒耐腐蝕性差，塔筒段間多采用高強螺栓連接易松動，維護工作量較大。鋼+混凝土組合塔架混凝土段采用預應力索連接，需定期檢測鋼絞線應力情況，維護工作量較大塔筒維護工作量較鋼塔筒少，有些型號的塔架鋼與混凝土連接段存在高強螺栓，維護需定期檢查螺栓應力情況。全混凝土塔架混凝土段采用預應力索連接，塔筒維護基本只需定期檢測鋼絞線應力情況。

2.1.4 風機塔架的經(jīng)濟合理性

主要指采用的風機塔架在滿足使用效果的前提下，能否降低工程造價。需注意的是，選用不同的風機塔架方案，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案可能不盡相同，所占用的征地面積也有差別。經(jīng)濟合理性依據(jù)國家、行業(yè)以及地方現(xiàn)行的造價編制規(guī)定、定額、費率標準等[6-7]，采用當期價格水平，結(jié)合地方政府相關(guān)部門頒布的關(guān)于征租地政策及標準，以此進行工程估價。

綜上所述，對于高塔筒而言，其塔架形式需經(jīng)過綜合評估后確定。

2.2 陸上風機塔架評價指標體系的建立

綜合考慮陸上風電機型塔架優(yōu)選的各種影響因素，本文建立了方案優(yōu)化三級綜合評價指標體系的樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們共同構(gòu)成陸上風機塔架方案優(yōu)選的評價指標體系，如表1所示。

表1 陸上風機塔架評價指標體系

3 工程案例

某國有發(fā)電企(業(yè)主)在河南省北部某縣投資一座風電場，該風電場地形地貌為平原，下墊面以農(nóng)田及村莊為主，屬于內(nèi)陸平原風電場。風電場裝機容量300 MW，擬安裝150臺單機容量2.0 MW風電機組，風機輪轂高度為120 m?？尚行匝芯侩A段對風機機型及塔架形式進行技術(shù)經(jīng)濟比選，業(yè)主要求選擇經(jīng)濟合理、技術(shù)可靠、運行安全的方案。

根據(jù)業(yè)主要求，筆者調(diào)研了5家國內(nèi)知名風機廠家的資料，選取風機輪轂高度均為120 m的7種不同風機塔架形式。就其結(jié)構(gòu)可靠性、技術(shù)可行性、施工及維護難易性和經(jīng)濟合理性等方面開展綜合評估及優(yōu)選。

本次收集到的5個風機廠家均為國內(nèi)營業(yè)額排名靠前的風機廠商，依次標識為WTG1，WTG2，WTG3，WTG4，WTG5，涉及的機型及塔架形式共有7種(輪轂高度均為120 m)，對比7種機型及塔架形式的生產(chǎn)制造及認證情況：① WTG1-鋼+混凝土。塔筒為鋼-混凝土，長度為85m(鋼)+35m(混凝土)，工廠預制，采用C60混凝土，目前國內(nèi)有批量投產(chǎn)工程，塔筒已在國內(nèi)認證。② WTG2-鋼+混凝土。塔筒為鋼混凝土，長度為80 m(混凝土)+40 m(鋼)，工廠預制，采用C80高強混凝土。國內(nèi)首臺樣機正在施工，塔筒已在國內(nèi)認證。③ WTG2-全混凝土。塔筒為全混，共分為30段，采用C80高強混凝土，工廠預制。塔筒安裝同一廠家不同機型的國內(nèi)首個批量生產(chǎn)的風電場正在建設(shè)。塔筒安裝其他機型已獲得國外認證，安裝本機型未認證。④ WTG3-鋼塔。筒身分為6段，目前國內(nèi)尚未建造。國內(nèi)首臺樣機正在計劃中。塔筒正在進行設(shè)計認證，尚未獲得認證證書。⑤ WTG3-鋼+混凝土。塔筒為鋼混，長度為15 m(鋼)+105 m(混)，采用C55混凝土，工廠預制。國內(nèi)首臺樣機正在施工。塔筒安裝其他機型已在國外認證，安裝本機型未認證。⑥ WTG4全混凝土。塔筒為全混，共分為30段，工廠預制，采用C80高強混凝土。塔筒安裝不同廠家風機的國內(nèi)首個批量生產(chǎn)的風電場正在建設(shè)。塔筒安裝其他機型已在國外認證，安裝本機型未認證。⑦ WTG5-鋼塔。筒身分為6段，目前國內(nèi)首臺樣機正在準備中，尚未批量建造。塔筒正在進行設(shè)計認證，尚未獲得認證證書。

各比選方案基礎(chǔ)形式均采用筏板式基礎(chǔ)，塔筒與風機基礎(chǔ)連接構(gòu)件采用錨栓籠，復合地基采用CFG樁形式(對于鋼+混凝土、全混凝土形式需要地基處理)。根據(jù)以上所述的5個廠家的技術(shù)經(jīng)濟資料，結(jié)合編制期市場價格水平，對120 m輪轂高度的7種機型及塔架的技術(shù)方案，進行可比投資經(jīng)濟測算分析，結(jié)果如表2所示。

3.1 利用層次分析法確定各級因素的權(quán)重

陸上風機塔架優(yōu)選指標體系準則層包括4個因素，即U={A，B，C，D}；第三層指標層包括10個因素，即A={A1，A2，A3}，B={B1，B2，B3}，C={C1，C2，C3}，D={D1}。

經(jīng)過咨詢相關(guān)專家的評判意見，運用成對比較方法以及1～9比例標度，分別構(gòu)造準則層、指標層對上一層每個因素的成對比較陣，并計算權(quán)重和進行一致性檢驗，如表3～6所示。匯總后可得權(quán)向量。

表3 準則層成對比較陣

注：λmax=4.010 4，CI=0.003 5，CR=0.003 9<0.1 滿足一致性檢驗。

表4 A-Ai成對比較陣

注：λmax=3.009 2，CI=0.004 6，CR=0.007 9<0.1滿足一致性檢驗。

表5 B-Bi成對比較陣

注：λmax=3.002 6，CI=0.001 3，CR=0.002 2<0.1 滿足一致性檢驗。

3.2 建立模糊評估矩陣

模糊判斷矩陣的確定，結(jié)構(gòu)可靠性、技術(shù)可行性和施工及維護難易性等主觀指標以實際生產(chǎn)施運

表6 C-Ci成對比較陣

注：λmax=3，CI=0，CR=0.0<0.1滿足一致性檢驗。

行經(jīng)驗及實際工程投資計算為基礎(chǔ)，結(jié)合專家的意見，確定評語集V=(很好，良好，一般，較差，很差)=(1，0.8，0.6，0.4，0.2)，用5級評價可對被評價方案做出較準確描述。經(jīng)濟合理性為客觀指標，依據(jù)表4中的投資數(shù)額，按第1節(jié)理論基礎(chǔ)中的方法可得到經(jīng)濟合理性的評價指標。各因素評價相對優(yōu)屬度如表7所示。

計算得到結(jié)果如表8所示。

表7 各因素評價值

通過比較決策相對優(yōu)屬度可以看出排名第一位的依次為：WTG2-鋼+混凝土形式，最終該業(yè)主在河南某陸上風電項目選用了WTG2-鋼+混凝土機型

表8 決策相對優(yōu)屬度計算模型計算結(jié)果

及塔架形式。

4 結(jié) 論

本文提出了基于層次分析法的陸上風機塔架的模糊綜合評估方法，綜合考慮了風機塔架的結(jié)構(gòu)可靠性、技術(shù)可行性、施工及維護難易性和經(jīng)濟合理性，對方案作出全面綜合的評價。該評估方法不僅包含了專家的經(jīng)驗知識，并且將定性分析和定量計算相結(jié)合，為方案決策人員提供科學的決策依據(jù)。