分段直塔筒體外預應力混凝土風機塔架結構動力特性研究

張明熠 曹雨奇 黃張裕 張東燦 張冬

(1.江蘇金海新能源科技有限公司 鹽城224400；2.同濟大學土木工程學院 上海200092；3.江蘇金海風電塔筒科技有限公司 鹽城224400)

引言

由于配套消納輸電線路相對滯后于風場開發(fā)，導致高風速地區(qū)風電場“棄風限電”情況嚴重，低風速地區(qū)以良好的并網消納和政府扶持條件以及充足的可開發(fā)量成為了近年來風電行業(yè)發(fā)展的焦點。為適應更大單機容量和葉輪直徑以及更高輪轂高度的發(fā)展要求，高塔結構成為了低風速風電市場中受關注度較高的一種可選技術路線。

1 風電行業(yè)高塔架結構種類

風電行業(yè)普遍認為風力發(fā)電機組輪轂中心高度在120m及以上的塔架是“高塔架”，其結構型式可分為:柔性鋼塔、混凝土塔、分片鋼塔及桁架塔4種主要類型，如圖1所示。

圖1 風電高塔架主要類型Fig.1 Major types of high-rise wind towers

受制于國內公路運輸體系對塔筒直徑大型化的限制，面對高塔架帶來底部彎矩的增大影響，鋼塔僅能通過增加壁厚來提高塔架的抗彎承載能力，結構材料利用效率降低的同時結構剛度并未顯著提升。塔架自振頻率接近于風機運行期間的一些常見風速區(qū)間的激振頻率，主機通過主動控制跳過這些風速區(qū)間以避免共振，這種通過犧牲發(fā)電量來滿足設備功能的柔性鋼塔技術路線引發(fā)了行業(yè)對剛性高塔架種類的嘗試。

分片鋼塔和桁架塔均通過提高塔架構件裝配化程度來解決運輸的限制，整體用鋼量較柔性鋼塔更為節(jié)省。但在構件加工和安裝的精度方面，這兩類塔架較柔性鋼塔提出了超出現有產業(yè)鏈能力的更高要求，讓相關制造、運輸、安裝環(huán)節(jié)的實際發(fā)生成本較理論推算更高，需要經歷批量發(fā)展的階段以降低綜合造價。此外，連接節(jié)點數量較柔性鋼塔增加也對后期運行維護的工作提出了更高的要求。

混凝土塔采用就近取材就近預制的方式來解決運輸限制，自重大穩(wěn)定性好，阻尼比高于鋼結構塔，結構安裝和運行過程振動遠小于鋼筒，不會頻繁通過主機振動控制策略損失發(fā)電量。當輪轂高度超過110m時混凝土塔造價低于鋼筒塔[1]，有學者對鋼塔、鋼混凝土混合塔及混凝土塔方案在80m輪轂高度2MW風機塔架、100m輪轂高度3.6MW風機塔架、150m輪轂高度5MW風機塔架3種情況下進行了對比，研究表明超過100m的塔架采用混凝土塔方案更有效[2，3]。

如圖2所示，將目前4種主要類型高塔架進行特點比較，可以看出，混凝土塔在原材料成本、動態(tài)性能、阻尼性能、保養(yǎng)耐久性和維護成本上均具有絕對優(yōu)勢，但在安裝時間、連接細節(jié)、拆卸和運輸等方面未能達到較好的市場競爭力。

圖2 各類型塔架特點比較Fig.2 Schematic of comparison of different types of wind tower supporting structures

本文介紹的分段直塔筒體外預應力混凝土塔，由頂部的鋼塔段和底部的混凝土塔段主體組成。可以對傳統(tǒng)混凝土塔的劣勢進行一定程度的彌補，以提升該類塔架的綜合市場競爭力。

2 分段直塔筒體外預應力混凝土塔特征

2.1 外型與預應力體系

塔架主體由3種混凝土直筒節(jié)和3種混凝土過渡筒節(jié)通過排列組合疊加及鋼塔筒組成，其中過渡筒節(jié)布置于鋼塔筒與3種直筒節(jié)之間。混凝土塔段通高采用體外預應力鋼絞線體系對筒節(jié)施加豎向預應力，鋼絞線頂、底兩端采用牛腿預留孔道形式實現固定，鋼絞線在中部過渡筒節(jié)內側凸起環(huán)梁處緊貼實現1°左右的傾斜角度以實現體外預應力盡量貼近筒壁內側，鋼絞線在底部過渡筒節(jié)與內側筒壁無接觸，如圖3所示。

分段直塔筒的外形特征較漸變外形相比，降低了模具種類和成本，實現了模具和筒節(jié)的互換性并提高了模具的周轉效率。體外預應力較體內預應力節(jié)約了現場安裝時間，同時也節(jié)約了筒節(jié)預應力孔道精度保持所增加的預制成本。

圖3 分段直塔筒節(jié)及體外預應力鋼絞線體系Fig.3 Segmental Precast element and External Prestressed system

2.2 整環(huán)就近預制策略

為解決大直徑筒節(jié)長距離運輸限制問題，采用整環(huán)就近預制策略，相比分片預制技術路線具有以下優(yōu)勢:1)在人口密集的低風速地區(qū)減少機位點臨時征用土地面積和占用時間，降低可能發(fā)生的民事糾紛補償及對后續(xù)作業(yè)面影響的成本；2)實現屬地化產業(yè)落地，在企業(yè)納稅和解決就業(yè)崗位方面與政府協調工作上形成互惠共贏合作模式；3)減少縱向分片連接和橫、縱分片拼接精度帶來的高強漿料成本和拼接時間成本。

2.3 垂直短線法

混凝土塔筒節(jié)預制過程中存在以下方面的因素影響最終成品精度:基座支撐標高誤差與沉降；模具加工精度誤差；運輸安裝過程對模具的變形影響；鋼筋籠就位和混凝土傾倒、振搗過程對模具位置影響。這些因素偏差積累到一定程度如不加以識別和調整，難以保障成品筒節(jié)安裝精度。

采用垂直向的短線法，新澆筑筒節(jié)模板在垂直高度坐落在已成型筒節(jié)上部，通過對已成型筒節(jié)的若干關鍵點進行測量和計算，指導新澆筒節(jié)的模具相關關鍵點進行針對性的調整，從而達到降低預制過程中上述因素對成品筒節(jié)精度的疊加影響，同時筒節(jié)水平對接縫可以實現初始的特征匹配，實現了后續(xù)安裝精度和效率的有效提升。

和傳統(tǒng)混凝土單節(jié)現澆工藝方法相比，垂直短線法降低了模具精度要求，這意味著進一步降低了模具的加工成本，從塔筒的預制階段開始對塔筒的施工誤差進行識別與調整，直至塔筒段的拼裝完成，實現了風電混凝土塔筒全過程施工控制，如圖4所示。

圖4 短線匹配法筒節(jié)安裝示意Fig.4 Schematic of the installation of match-cast segments

2.4 高效輔助安裝配套

為了提高塔架成型效率，在混凝土筒節(jié)預制、周轉及拼裝過程中使用了一系列輔助設備。

如圖5所示，研發(fā)了一種三向伸縮吊梁。該吊梁通過在筒節(jié)內側預設吊梁提升槽可以實現筒節(jié)低強度轉運，提高了生產臺座的周轉效率。同時端部實現電動收縮，相比螺桿吊點方式可節(jié)約筒節(jié)周轉、拼裝多次倒運準備時間，提高施工效率。

圖5 三向伸縮吊梁Fig.5 Three-way lifting beam

如圖6所示，研發(fā)了一種與分直段塔筒形狀匹配的自動升降施工平臺。各拼裝單元可實現部件通用性，在吊裝過程中隨著筒節(jié)的吊裝和內部空間的變化逐節(jié)往上爬升。相比于非自動升降施工平臺，既提高人員在平臺上施工效率，又方便后期的電纜敷設與接地排查工作開展。

圖6 自動升降式施工平臺Fig.6 Self-lifting construction platform

3 混凝土塔運行階段結構動力特性實測

3.1 基本參數與測點布置

某運行混凝土塔配風電機組額定功率為3MW，塔架高度為117.83m，其中底部104.66m為混凝土塔筒，上部13.17m為鋼塔筒?；炷了A制筒節(jié)高3.08m。直筒節(jié)外徑和截面壁厚分別為φ8000×350mm、φ6600×350mm及φ4500×400mm，過渡筒節(jié)段高度為6.16m。測試塔剖面如圖7所示。混凝土筒內部環(huán)向均勻布置16股鋼絞線，鋼絞線在從下往上第二個過渡段位置有1.2°轉折。每股鋼絞線施加預緊力3200kN，確保混凝土筒段在正常運行工況下全截面受壓。

加速度實測采用Lance LC0132T高靈敏度壓電式加速度傳感器，靈敏度為50V/g。在混凝土塔筒頂部和鋼塔筒頂部2個高度位置每高度設置2個加速度傳感器，加速度傳感器水平放置吸附于筒壁上。加速度傳感器布置如圖7所示，其中X向為風機軸線的水平指向，Y向與X向垂直。

3.2 塔架自振頻率

4m/s風速下對運行的測試塔進行停機操作，對該過程中各測點的加速度進行采集，通過頻譜分析(Welch算法)得到各測點的自功率譜曲線，如圖8所示，測試塔X向和Y向自振頻率相近，前2階自振頻率分別為0.432Hz和1.681Hz；測點1x和測點1y的第二個峰值不明顯，說明混凝土塔筒頂部位置接近第二階振型的零點。

圖7 加速度傳感器布置Fig.7 Plan of accelerometers

圖8 停機工況各測點的自功率譜Fig.8 Power spectrum at different locations

3.3 塔架阻尼比

確定阻尼比時采用隨機減量法處理停機時各測點加速度時程，得到各測點的自由衰減響應，如圖9所示。通過對比自由衰減相應于對數衰減曲線(圖中紅色虛線)可見結構的阻尼比約為4.0%，介于鋼結構和混凝土結構之間，且更接近混凝土結構。同時如圖10所示，采用運行轉停機的數據對阻尼比結果進行驗證，也顯示了約為4.0%的阻尼比。

圖9 根據隨機減量法得到的自由衰減響應Fig.9 Free-responses at different locations

圖10 運行轉停機過程各測點加速度時程Fig.10 Time-history at different locations

4 結語

分段直塔筒體外預應力塔架是采用分段直塔筒外形、體外預應力體系、整圓就近預制策略、垂直短線法生產工藝及配套的伸縮吊梁和自動升降平臺裝備建造的風力發(fā)電機組高塔架支承結構，可以有效彌補傳統(tǒng)混凝土風電塔在安裝時間、連接細節(jié)、拆卸和運輸等方面的短板。結合在運行測試塔的實測數據，其具有的一階自振頻率為0.432Hz、阻尼比為4%。相比柔性鋼塔整體剛度大、阻尼系數高，可通過自身結構特征保證機組在安裝以及全壽命運行周期更小的振動和更穩(wěn)定的發(fā)電量。