預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電塔筒應(yīng)用案例分析

張 安，陳世強(qiáng)

（湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430040）

隨著風(fēng)電制造業(yè)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量持續(xù)增大，風(fēng)機(jī)葉片及塔筒尺寸也越來(lái)越大，目前平原風(fēng)電120m塔筒高度已成為主流，部分在建風(fēng)電場(chǎng)已向140m塔筒高度邁進(jìn)[1]。隨著風(fēng)機(jī)輪轂高度的不斷增加，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電塔筒建筑材料和建設(shè)工藝的要求也越來(lái)越高。目前風(fēng)機(jī)塔筒形式采用最多的為鋼結(jié)構(gòu)，但是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)塔筒相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)塔筒具有取材容易、運(yùn)輸方便、剛度大、穩(wěn)定性好、耐腐蝕、可耐受一定淹沒(méi)深度、節(jié)約鋼材和維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，混凝土塔筒已經(jīng)成為風(fēng)電120m及以上塔筒的建設(shè)趨勢(shì)。因此，需要加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電混凝土塔筒應(yīng)用過(guò)程中的總結(jié)與分析，促進(jìn)我國(guó)風(fēng)電建設(shè)工程降本增效。

1 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔筒的優(yōu)點(diǎn)

（1）順應(yīng)風(fēng)電行業(yè)單機(jī)大容量的發(fā)展趨勢(shì)。近些年隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的迅速發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)，陸上可供開(kāi)發(fā)的風(fēng)資源豐富的區(qū)域越來(lái)越少，風(fēng)電開(kāi)發(fā)建設(shè)由高風(fēng)速地區(qū)向低風(fēng)速地區(qū)發(fā)展，朝大容量、低風(fēng)速、高塔筒、長(zhǎng)葉片方向發(fā)展。而隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒高度的增加，鋼混塔筒的成本優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯出來(lái)。以某風(fēng)機(jī)廠家葉輪直徑為141m的2.5MW低風(fēng)速風(fēng)機(jī)為例，塔筒高度分別為90m、100m、120m、140m的剛塔筒重量分別為170t、200t、289t、357t。據(jù)此測(cè)算，目前120m塔筒高度的鋼混塔筒與鋼塔筒價(jià)格相當(dāng)，120m以上鋼混塔筒價(jià)格低于鋼塔筒。針對(duì)120m及以上塔筒高度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電塔筒可降低風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本，提高風(fēng)電項(xiàng)目的收益率。

（2）適用于低風(fēng)速區(qū)域的風(fēng)電建設(shè)，符合電力消納政策。由于近年來(lái)我國(guó)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，電網(wǎng)消納能力跟不上裝機(jī)增長(zhǎng)速度導(dǎo)致嚴(yán)重的棄風(fēng)限電現(xiàn)象。2019年，新疆、甘肅、內(nèi)蒙古棄風(fēng)形勢(shì)仍較為嚴(yán)重，三?。▍^(qū)）棄風(fēng)電量合計(jì)136億kW·h[2]。另外，南方山區(qū)風(fēng)電受到建設(shè)難度大與環(huán)?！案邏壕€”的雙重影響，開(kāi)發(fā)愈加困難，因此開(kāi)發(fā)平原地區(qū)低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)電成為近年來(lái)的方向與重點(diǎn)。目前，平原地區(qū)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)具備消納電能優(yōu)勢(shì)，但往往存在降雨量大及外洪內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔筒更有利于風(fēng)機(jī)塔筒的防洪防腐要求。

（3）提高發(fā)電量。當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)，塔架受載狀況極為復(fù)雜。這些荷載通常包括風(fēng)荷載、機(jī)組自重、機(jī)組重心偏移引起的偏心力矩以及由于風(fēng)振引起的高聳結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等[3]。由于鋼筋混凝土塔筒的剛度好，在風(fēng)荷載作用下塔筒機(jī)艙處的水平位移與振幅均小于傳統(tǒng)鋼制塔筒，保證了葉輪系統(tǒng)迎風(fēng)角度的穩(wěn)定性，增加了安全性，便于風(fēng)機(jī)廠家調(diào)整風(fēng)機(jī)控制策略提高發(fā)電量，增加了發(fā)電量，降低了場(chǎng)外道路運(yùn)輸難度，減小了場(chǎng)內(nèi)道路改擴(kuò)建、新建路段的工程量。風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)輸?shù)缆芬话阋允〉琅c風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部道路的接口為分界點(diǎn)，以外為場(chǎng)外道路，以?xún)?nèi)為場(chǎng)內(nèi)道路。受限于我國(guó)公路現(xiàn)狀，大多數(shù)橋涵限高4.5～5.5m，而目前90m輪轂高度的2.5MW風(fēng)電鋼塔筒底部直徑已達(dá)4.3m，加上運(yùn)輸車(chē)輛底盤(pán)高度，已接近公路運(yùn)輸?shù)臉O限，同時(shí)由于塔筒壁厚增加長(zhǎng)度增加，90m輪轂高度底部22m長(zhǎng)塔筒重量已近70t，導(dǎo)致鋼制塔筒的場(chǎng)外道路路徑選擇與沿線障礙物拆改工作變得較為困難。

（4）風(fēng)機(jī)塔筒以及葉片的運(yùn)輸為場(chǎng)內(nèi)道路的運(yùn)輸關(guān)鍵點(diǎn)。當(dāng)葉片采用平板掛車(chē)運(yùn)輸時(shí)，道路圓曲線最小半徑及彎道外側(cè)掃尾半徑由葉片車(chē)決定；當(dāng)葉片使用舉升工裝車(chē)時(shí)，道路圓曲線半徑及加寬值由最長(zhǎng)段塔筒決定[4]。目前風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的葉片運(yùn)輸大多采用舉升工裝車(chē)，大幅度降低了葉片場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸難度，此時(shí)場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸重點(diǎn)由鋼塔筒決定。為保證鋼塔筒的順利運(yùn)輸，場(chǎng)內(nèi)道路圓曲線半徑及加寬值需滿足相關(guān)要求，采用后輪轉(zhuǎn)向運(yùn)輸車(chē)可進(jìn)一步減小圓曲線半徑，按照《風(fēng)電場(chǎng)工程道路設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 10209—2019）要求，仍然要求最小轉(zhuǎn)彎半徑內(nèi)彎不小于25m，外彎不小于20m，場(chǎng)內(nèi)道路改擴(kuò)建、新建路段的工程量依然較大。《風(fēng)電場(chǎng)工程道路設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 10209—2019）圓曲線最小半徑如表1所示，全鋼塔方案某風(fēng)機(jī)廠家推薦道路加寬值如表2所示。

（5）降低投資成本。鋼筋混凝土塔筒預(yù)制場(chǎng)地選擇多，預(yù)應(yīng)力混凝土塔筒的制造可就近取材、就近生產(chǎn)、就近運(yùn)輸。預(yù)制混凝土塔筒管片尺寸相對(duì)較小，工廠預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)拼裝的施工方式顯著降低了場(chǎng)外道路路徑選擇與沿線障礙物拆改工作的難度，大幅度降低了場(chǎng)外道路的運(yùn)輸成本。目前在建的平原風(fēng)電多位于縣道鄉(xiāng)道路網(wǎng)較為完善、城鎮(zhèn)村落密布的地區(qū)，采用混塔方案不僅可以節(jié)約道路加寬改造、沿線橋涵加固、沿線電桿廣告牌等障礙物拆改的直接費(fèi)用，還可以節(jié)約占地補(bǔ)償、林業(yè)補(bǔ)償、復(fù)墾復(fù)綠補(bǔ)償、拆改補(bǔ)償?shù)乳g接費(fèi)用，同時(shí)節(jié)約建設(shè)投資中的工程費(fèi)用與工程建設(shè)其他費(fèi)用。

表1 圓曲線最小半徑 單位：m

表2 全鋼塔方案某風(fēng)機(jī)廠家推薦道路加寬值 單位：m

2 應(yīng)用案例

2.1 項(xiàng)目概述

該風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目位于湖北省中部，場(chǎng)地高程31～108m，地勢(shì)平坦開(kāi)闊。項(xiàng)目地點(diǎn)以第四系全新統(tǒng)沖積（Q4al）粉土、粉細(xì)砂、卵石、粉質(zhì)黏土為主，表層分布有厚度不均的人工填土。項(xiàng)目所在地多年平均降水量超1100mm，場(chǎng)地區(qū)內(nèi)水系發(fā)達(dá)，部分風(fēng)機(jī)位于河灘附近，存在近3m淹沒(méi)深度?？傃b機(jī)容量為80MW，安裝32臺(tái)單機(jī)容量為2.5MW低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)機(jī)輪轂高度為140m。

2.2 塔筒參數(shù)

項(xiàng)目所在地水系發(fā)達(dá)，部分風(fēng)機(jī)位于河灘附近，存在近3m淹沒(méi)深度，塔筒選型及設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮防水防腐蝕問(wèn)題。項(xiàng)目所在地屬于高切變地區(qū)，考慮目前主流方案可行性及成本與收益，120m及以上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用預(yù)制混凝土塔筒具有一定成本優(yōu)勢(shì)，最終采用140m高的混塔方案。

該項(xiàng)目140m塔筒由混凝土塔筒90.6m、1.5m過(guò)渡段及45.4m鋼塔筒組成。混凝土預(yù)制段長(zhǎng)度為90.6m，共計(jì)30段，每3m為一段（首段3.6m），前29段為4個(gè)管片拼接而成，單個(gè)管片重6.45～16.75t，單個(gè)整環(huán)重25.79～67.01t，底部外徑為4.86～8.43m；第30段為整環(huán)筒段，整環(huán)重25.11t，底部外徑為4.74m。過(guò)渡段8.7t，尺寸為φ4.60m×1.50m。鋼塔段總長(zhǎng)度為45.4m，分為2段，自下向上長(zhǎng)度分別為22.5m、23m，重量分別為43t、37t。混凝土管片、過(guò)渡段、鋼塔段重量及主尺寸如表3所示，全鋼塔筒重量及主尺寸如表4所示。

表3 混凝土管片、過(guò)渡段、鋼塔段重量及主尺寸

表4 全鋼塔筒重量及主尺寸

2.3 實(shí)施難點(diǎn)

全鋼塔筒方案塔筒分為6段，單段長(zhǎng)度為14.19～29.87m，單段重38.9～73.7t，共計(jì)需運(yùn)輸及起吊6次。而該項(xiàng)目塔筒包括116個(gè)管片、1個(gè)混凝土整環(huán)、1個(gè)過(guò)渡段、2段鋼塔筒。運(yùn)輸車(chē)輛可一次托運(yùn)4個(gè)管片或1個(gè)混凝土整環(huán)，共計(jì)需運(yùn)輸起吊約33次。因此，采用預(yù)制混凝土塔筒方案明顯增加了運(yùn)輸車(chē)次，增加了交通疏導(dǎo)時(shí)間，同時(shí)風(fēng)場(chǎng)檢修道路經(jīng)重載車(chē)輛反復(fù)碾壓路面易受到損壞，給現(xiàn)場(chǎng)管理帶來(lái)了一定難度。另外，混塔、過(guò)渡段每天可吊裝5～8段，吊裝混凝土段30段及過(guò)渡段1段約需5～6d；鋼絞線張拉需4d；鋼塔2段、發(fā)電機(jī)倉(cāng)、葉片安裝約需3d，吊裝單臺(tái)約需12～13d有效工作日。全鋼塔筒風(fēng)機(jī)吊裝，鋼塔6段約需2d，發(fā)電機(jī)倉(cāng)、葉片安裝約需2d，吊裝單臺(tái)約需4d有效工作日?；焖牡跹b時(shí)間約為全鋼塔筒的3倍，增加了主吊等特種設(shè)備的租賃費(fèi)用。針對(duì)以上問(wèn)題，可采取優(yōu)化運(yùn)輸策劃、合理組織施工工序搭接等方法，部分困難路段鋪設(shè)鋼板等臨時(shí)措施減小路面受到的重載車(chē)輛碾壓破壞，以減少不利影響[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章以某實(shí)際工程為例，較為全面地比較了預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電塔筒在應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，雖然存在吊裝周期較長(zhǎng)、交通運(yùn)輸協(xié)調(diào)難度較大等問(wèn)題，但預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電塔筒符合單機(jī)大容量的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，適用于低風(fēng)速區(qū)域的風(fēng)電建設(shè)，符合電力消納政策，可降低場(chǎng)外道路運(yùn)輸難度，減小場(chǎng)內(nèi)道路改擴(kuò)建、新建路段的工程量，具有一定優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)陸上風(fēng)電的發(fā)展趨勢(shì)，能為后續(xù)的風(fēng)電建設(shè)工程提供有益的參考。