創(chuàng)新塔架激活土地潛力

孫一琳

風電的開發(fā)用地具有占地性質(zhì)復(fù)雜、手續(xù)辦理難度大等特點，給人造成了風電用地“老大難”的錯覺。但在實際中，風電占地少，且不影響農(nóng)田等原有土地的使用性質(zhì)。

除了本身的節(jié)地特性之外，風電之所以被稱為“土地利用效率最高的發(fā)電技術(shù)之一”，更離不開技術(shù)的不斷進步，特別是風電塔架技術(shù)的創(chuàng)新。日前，全球首臺采用160米預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架的風電機組在山東菏澤-城并網(wǎng)投運。該塔架結(jié)構(gòu)由青島華斯壯能源科技有限公司（下稱“華斯壯”）與同濟大學共同研發(fā)，支持提升輪轂高度，同時擁有更強的節(jié)地性，進一步拓寬中東南部低風速地區(qū)的風電開發(fā)空間。

華斯壯董事長王同華認為，“預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架不僅僅是單一產(chǎn)品的成功研制，更是一種模式、一套體系的重新建構(gòu)?！?/p>

更安全，拓寬風能資源利用空間

風電行業(yè)近幾年的發(fā)展呈現(xiàn)出由“三北”地區(qū)向中東南部低風速、高負荷地區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢。為了捕獲更多風能資源，提高發(fā)電效率，風電機組需要擁有更大的風輪直徑和更高的輪轂高度。隨著機組趨于大型化，壓力落到了塔架環(huán)節(jié)上，亟需對其進行調(diào)整。

在高度超過100米之后，傳統(tǒng)塔架的重量會呈指數(shù)級上升，經(jīng)濟性隨之下降。采用柔性塔架，一方面，若想在不改變材料用量的條件下提高結(jié)構(gòu)的抗彎模量和慣性矩，必須加大塔架直徑，并減小壁厚。但塔架直徑過大將影響運輸，徑厚比過大則無法保證局部穩(wěn)定。另一方面，需要利用各種控制技術(shù)以規(guī)避共振的風險，難以保障機組的運行安全性。與此同時，行業(yè)還嘗試運用混塔等多種方案，但從長遠發(fā)展的角度來看，這些方案或多或少存在問題。

對于王同華而言，感受到的不只是壓力，更多的是動力。華斯壯進入風電行業(yè)，不僅是基于業(yè)務(wù)的需要，更是希望推動國家的綠色低碳發(fā)展。于是2016年，在同濟大學建筑設(shè)計研究院的一間辦公室里，王同華帶領(lǐng)華斯壯的技術(shù)人員與同濟大學馬人樂教授碰了面。雙方此前在廣播電視塔塔架研發(fā)和搭建上有過深入合作。馬人樂很早就注意到了風電塔筒的結(jié)構(gòu)，并開始相關(guān)研究。雙方一拍即合，組建技術(shù)團隊，決心為風電量身打造一個全新的塔架方案。

起初，技術(shù)團隊結(jié)合國外的角鋼塔技術(shù)，設(shè)計了一款桁架式角鋼塔架。以桁架塔代替筒狀塔，能夠提高結(jié)構(gòu)效率，同時用高強螺栓抗剪連接解決節(jié)點抗疲勞問題，桁架部分幾乎無焊接。但這一方案在實踐中也暴露出一些缺陷，比如角鋼的迎風體型系數(shù)過大，截面回轉(zhuǎn)半徑太小。受角鋼規(guī)格限制，該技術(shù)只能應(yīng)用于塔架高度在140米以下的風電機組。

馬人樂從不避諱技術(shù)缺陷，“對于任何結(jié)構(gòu)，我們既要了解它的優(yōu)點，也要明晰其缺點，通過一步步改進，獲得更加完善的技術(shù)?！?/p>

在經(jīng)過兩年的研發(fā)試驗后，技術(shù)團隊選擇了預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架這種更穩(wěn)定、安全的塔架結(jié)構(gòu)。

據(jù)介紹，預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架的塔身采用全鋼結(jié)構(gòu)。塔身下部設(shè)計為桁架結(jié)構(gòu)，合理的結(jié)構(gòu)布置可以高效提高結(jié)構(gòu)剛度和極限承載能力。主要受力構(gòu)件優(yōu)先采用圓截面鋼管，該類截面材料均勻分布于四周，回轉(zhuǎn)半徑大，整體穩(wěn)定性高，且風荷載體型系數(shù)相對較小，通過優(yōu)化節(jié)點構(gòu)造與工藝實現(xiàn)局部抗疲勞性能提升。

技術(shù)團隊以塔架過渡段的“鋼管-插板焊接節(jié)點”為對象，進行了復(fù)雜的預(yù)應(yīng)力抗疲勞試驗研究。最終決定采用預(yù)壓力降低塔柱及其節(jié)點在疲勞載荷下的平均應(yīng)力，從而提升疲勞壽命。

預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架技術(shù)很好地解決了焊接疲勞及共振矛盾等問題，不僅提高了塔架的安全性和使用壽命，更是突破塔架高度和載荷限制，提高了發(fā)電效率，適于低風速地區(qū)的風電開發(fā)。

此外，預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架的原材料用量小，利于工廠模塊化生產(chǎn)和運輸。在工程量統(tǒng)計上，-城160米塔架比同等高度下傳統(tǒng)塔架與基礎(chǔ)的直接成本低5%～20%。

2018年，在試驗室內(nèi)經(jīng)過上百萬次打擊之后，預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架技術(shù)的可靠性得到驗證。同時，它還在材料和設(shè)計上具有很好的經(jīng)濟性。然而，若想從試驗室走向曠野，這中間又將是一段新的征程。

更節(jié)地，提高風電場經(jīng)濟性

《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》提出，加快推動綠色低碳發(fā)展。強化國土空間規(guī)劃和用途管控，落實生態(tài)保護、基本農(nóng)田、城鎮(zhèn)開發(fā)等空間管控邊界，減少人類活動對自然空間的占用。由此可見節(jié)地在我國綠色低碳轉(zhuǎn)型中的重要性。

簡單算一筆賬：以正成為我國陸上風電市場主流機型的5MW機組為例，當采用目前國內(nèi)常見的圓錐塔架時，單臺機組露出地面的承臺部分占地不到100平方米，在中東南部地區(qū)開發(fā)1億千瓦風電裝機占地約3000畝，相當于兩個百萬千瓦火電廠的面積。而預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架支撐結(jié)構(gòu)擁有4個角（類似于巴黎埃菲爾鐵塔），每個角占地1.5平方米左右，總占地面積只有6平方米，開發(fā)1億千瓦風電僅需用地12萬平方米，即180畝，其推廣后的節(jié)地效益由此可見一斑。

“發(fā)展一項新技術(shù)特別難，即使各方面優(yōu)勢明顯，也難以找到合作方和實踐的土壤?！睘榱舜俪尚滦退芗夹g(shù)的落地推廣，王同華跑了很多地方。在此期間，他更深刻了節(jié)地的重要性，同時也對新型塔架技術(shù)多了一份信心：“預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架技術(shù)對土地的適應(yīng)性極高?！?/p>

特殊的塔架結(jié)構(gòu)使風電機組底部不再局限于一塊完整的土地，可以跨河道、水塘、農(nóng)田、道路等，基礎(chǔ)底部不影響土地的原始用途。車輛可以在底部暢通無阻，農(nóng)業(yè)機械化耕種不受限制。預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架適用于山地等不平坦地面，其獨立基礎(chǔ)可分開澆筑，能最大化保護原有山體及植被。

這有利于扭轉(zhuǎn)大眾對風電用地的刻板印象。預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架是推動我國生態(tài)環(huán)保、土地集約化利用等社會效益與風電開發(fā)經(jīng)濟效益有機結(jié)合的有益嘗試，能有效激活土地潛力。有專家認為，未來，風電開發(fā)用地審批流程和用地方式可能因此發(fā)生改變。

目前，我國風電項目根據(jù)其所用土地的性質(zhì)及使用用途的不同，適用的政策也不同，對于永久用地及占用農(nóng)用地的，需辦理征地審批手續(xù)。但在實踐中，預(yù)應(yīng)力構(gòu)架式鋼管塔架對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際影響與輸電線路鐵塔十分接近，完全可以參考輸電鐵塔采用“以租代征”的用地形式。

首先，這種形式可為風電場直接節(jié)約用地成本。其次，原本因土地調(diào)規(guī)原則而采用的點狀開發(fā)模式，可以轉(zhuǎn)為線狀模式，提高地方土地協(xié)調(diào)的效率。風電場線狀開發(fā)模式還能帶來一大優(yōu)勢，即進一步實現(xiàn)道路和集成線路的優(yōu)化布局。

為了打造更有競爭力的產(chǎn)業(yè)，風電企業(yè)始終在壓縮各個環(huán)節(jié)的成本，追求風電全生命周期度電成本的下降?，F(xiàn)階段，“以租代征”的用地形式尚未成為現(xiàn)實。但以山東膠州某安裝17臺3MW機組的風電場為例，王同華比較了點狀開發(fā)與線狀開發(fā)在線路布局費用上的差異。該項目進站道路長15千米，架設(shè)輸電線路20千米，總計投資金額達2350萬元，而采用線狀開發(fā)布局，同等規(guī)模項目的進站道路和架設(shè)輸電線路都將縮短至8千米，投資金額降至1038萬元。

可以預(yù)見，在創(chuàng)新塔架的價值得以廣泛實現(xiàn)之時，我們可以擁有更加綠色低碳的美好未來。