陆上风电塔筒产品发展趋势浅议

摘要：本文阐述了在新能源平价时代背景下，“安全、适用、经济、绿色、美观”是风力发电三大装备之一塔筒的设计出发点。比较了不同塔型在制造成本、物流运输、现场安装、发电量影响等各方面的差异，并对各塔型应用前景和发展趋势进行了分析。采用实证方法对钢柔塔和钢混塔的经济性进行了量化计算，得出了2种塔型在风切变和轮毂高度2个变量划分下的经济应用区间。

关键词：风电；塔筒；柔塔；混塔

2020年新冠病毒在全球范围内蔓延传播，对各国经济和人民生活的打击前所未有，众多行业出现了停滞和衰退，而发电行业却持续着良好态势。由于2020年是国内陆上风电的政策抢装年，国内风电项目装机如火如荼开展的同时，整个风电产业已进入一个新的发展阶段，一是2020年中央经济工作会议将“碳达峰、碳中和”列为2021年八项重点任务之一，明确了国内中长期新能源增长的需求空间；二是风力发电进入了平价时代后，以技术进步推动各环节成本下降将是“十四五”阶段所有风电参与者的共同目标。作为风电主要装备之一的塔筒，也需要从“产品设计、材料选用、加工制造、物流运输、现场安装”的全成本链进行降本优化。

1风电塔筒设计要求

陆上塔筒设计需从5个维度进行评价，即安全、适用、经济、绿色和美观。塔筒承担的荷载来自于3个方面：一是上方机舱、轮毂、叶片等的重力荷载；二是风机转动时的气动推力形成的前后方向的弯矩，受此弯矩考验的有塔筒底部与机位基础的连接，塔段间法兰的对接螺栓，以及塔节间的焊接环缝等；三是塔筒受到的风荷载，需要降低风扫过塔筒时形成的窝激振动影响。因此，塔筒设计需要有足够的刚性和结构强度。塔筒是满足风机运行的结构性装备，需根据风机荷载要求和应用场景来确定适用性。一方面是风机的大型化趋势，单机组功率提升需要更大的风轮直径带来更大的扫风面积，这就需要更高的塔筒来支持。另一方面为了更好的提高风资源的利用，风能开发需要深入到中低风速地区，适应其高切变的特征，也需要更高的塔筒。据测算，当风切变大于0.12时，采用高塔就有明显的经济性。高塔设计需要考虑重量和尺寸，尤其是底段的筒体半径，这往往受限于道路的宽度和限高等通行条件。同时，高塔筒还需要结合工厂的制造能力和项目现场的吊装能力。风电平价要求电站建造各环节成本下降，目前陆上塔筒占风电项目总投资的10%～15%，不同机型和地区会有较大的差异。三北地区机型功率大、轮毂高度低，对应塔筒投资占比小。中东部风速较低对应机型功率相对小，高切变的特征需要更高的塔筒，对应塔筒投资占比大。后续塔筒降本主要来源于两方面的动力：一是优化设计，主流的筒状钢塔设计需要提升结构效率，在同样的荷载要求下实现减重以及减少高强钢种的使用。二是先进制造，全球范围内年产超20万t的塔筒工厂不足10家，大多塔筒工厂规模有限设备落后，龙头塔筒企业通过新建工厂实现先进制造能力，带动行业总体成本快速下降。“绿色供应链”是近年来兴起的新理念，国家设定单位GDP能耗和碳中和目标，需要企业控制自身供应链的能耗和污染来实现。目前欧美大型企业普遍开始对供应商进行“绿色考核”，以VESTAS为例，其2020年全球供应商大会即以“可持续发展”为主题，提出自身产业链要实现“绿色制造”的目标，建立起供应商的能耗、物耗、排放的数据体系，以评定供应商的“绿色绩效”。除上述几个方面外，风机的生产周期长达25年，塔筒呈现进入人的视觉感受约占到风电站总体的50%，需要有效的融进周边环境达成和谐统一，在很多地区风电不仅是一个能源建筑，更是地标建筑和景观建筑。

2主要塔型的比较分析（图1）

钢塔是最早出现的风电基础解决方案，由于其制造工艺成熟、现场吊装简易的优势，使其长期以来都是主流的解决方案。最早的钢塔都是纯刚性的，即塔筒自身固态频率远远大于风机正常工作时的频率，因此不会发生机组与塔筒之间的共振。随着风电机组功率增大，更大的风轮直径叶片的采用，促使机组的轮毂高度增加，从而带动塔筒高度的增加。塔筒高度的增加势必会减小塔筒的固有频率，而为了杜绝共振的危害现象，势必要控制塔筒的频率。控制塔筒的固有频率从理论上有两种方法。一种是通过改变塔筒结构及重量，改变结构可以增加塔筒的外径，从而提升塔筒的刚度及固有频率，但塔筒外径受物流运输的限制，而且到一定程度接近上限便有运输瓶颈；而提高塔筒的重量势必造成成本攀升，不够经济。例如：100m高的刚性塔筒，如果要增高至120m，其重量约是原有重量的2倍，所以此种方法理论可行，但不符合市场需求。另一种方法是风电机组整体的控制，主要通过控制机组运行的参数等技术，从而达到规避共振的风险。为此风电行业内，开发出了共振穿越技术、风轮装配的不平衡补偿、加阻抑制振动等技术，解决了高塔与机组存在共振区以及高塔振动过大的问题，于是刚性塔筒演进成为了柔性塔筒。目前国内最高的钢柔塔位于河北昌黎县，其高度达到了162m，搭配的是VESTAS的3.8MW风机，与140m高塔筒相比，该方案的发电量提高了7%（当地的风切变为0.3）。钢混塔最早出现于欧洲，发展至今服役数量已达上万台，最高的钢混塔已高达170m。这主要是因为在结构可靠性上的优势突出，其纯刚性的特征能够适应复杂风况地区，并且具有良好的防水性能，因此其目前仍然是高塔的主要方案之一。国内金风科技、金科新能源、中国海装、上海电气等企业都有在钢混塔筒都有完整的项目开发建设经验，但总体上在国内处于发展停滞状态，原因如下：一是制造技术方面远未成熟，钢混塔的混泥土板预制的加工精度较高，较一般建筑领域的预制生产难度大。二是难以体现成本优势，单套模具的造价较高，需要有足够的生产套数来分摊成本，而不同项目的塔筒是依据机型、风力特征、荷载、地质条件等来设计的，一套模具很难包容多个项目，这是混塔相比于钢塔的最大劣势。三是需要近距离建设预制工厂，机位现场混塔安装时需要较大的作业面，同时预制板组装和吊装施工周期长。桁架式是传统的承重结构，在众多行业和领域被广泛应用，如桅杆塔、电视塔和输电线路塔等。桁架式的优点在于用钢量能节省，结构效率高，底部实际占地面积小（但实际征地面积未必能节省）。缺点在于连接点多，结果失效风险大，制作运用的角钢迎风体型系数大，且受角钢规格的限制，塔架高度会受限制。另外就是桁架式塔视觉上有凌乱感，整体不美观。桁架式塔现场安装工作量较大，且后期运维不及钢塔便利，目前桁架式已很少采用。

3钢柔塔的发展趋势

钢柔塔具有风场环境适应性广、制造周期短、材料经济性高、行业配套成熟、吊装周期短、后期运维简便、一定的可回收性等优点。因此，未来长期都会成为主流的风电塔筒结构，但随着未来机组功率越来越大，轮毂高度越高，安全及经济性会越来越凸显出瓶颈。钢柔塔目前最明显的趋势是合理地提高径厚比，即更大的直径匹配更薄的板厚，在保证塔筒的安全性前提下，以提高塔筒的经济性。更高的柔塔要具备足够的可行性，并非单纯来自于塔筒本身的设计和制造，而是来自于整个风机系统全方位的进化。首先风机在提高功率的同时需要持续减重，更紧凑和轻量的机舱，碳纤维材质的使用也能使叶片大幅减重，这都将直接降低塔筒承受的荷载。其次是控制系统更加智能化，例如通过独立变浆技术降低风电机组的载荷，控制塔筒横向和纵向的摆动。未来除大型风电基地外，分散式风电也将成为陆上风能开发的主要场景，而分散式大多位于丘陵、山地等，对于少数机位的道路投资不宜过高，其小规模的少量开发难以承担道路成本，因此出现了分片式塔筒的设计。此设计制造成本加大（较常规钢塔提高约10%～15%）、现场增加拼装时间，后期运维相对复杂，但是以此换来了道路清障等的节省。VESTAS在海外的分片式塔筒运用已经非常普遍，国内仅金风推出了自己的分片式塔筒设计并开始少量应用，其他厂家也在尝试类似的设计。为了在控制塔筒总体重量和尺寸的前提下，使钢柔塔达到更高的高度，VESTAS设计出了斜拉索的塔筒方案，以三根多股预应力钢绞线对塔筒进行拉紧固定，以减少塔筒底部与地面之间的力矩与载荷。此设计从技术角度具备一定的可行性，但增加斜拉锁涉及到更多的土地占用，会导致征用地成本的增加。就具体应用而言，在风电平价的大环境下，中低风速区为了获得更大的利润，势必选用高塔来降低成本。当风切边≥0.16时，高塔就具备开发的优势了。因此140m以上的超高塔主要将应用在河南、河北、陕西、山东、安徽江苏部分地区为主的中低风速区域。

4钢柔塔与钢混塔在特定条件下的比较

钢混塔筒已经经历了多年的发展，具有安全性高，材料经济性高，生命周期相较于钢塔要长，风场环境适应性广，在特定区域有抵御一定的水灾能力。最为重要一点是钢混塔因其纯钢性，机头振幅小，叶轮迎风的入流角稳定，吸能效果更佳，发电量更加稳定；同时其控制策略无需钢柔塔的保守考虑，综合下来在相同塔架高度、相同机型及平均风速下，钢混塔架发电量可比全钢塔架发电量提高约2.78%。以下选取两个有代表性的地区对两种塔型的经济性进行比较。案例1：湖北沙洋地区，机组功率4.0MW，风速5.47m/s，切变0.16，利用小时数2408h，电价0.4161元/kWh（表1）。结论：塔筒高度为140m时，钢塔成本远低于混塔成本；塔筒高度为165m时，分片塔与混塔成本基本一致（未考虑钢混塔的拼接成本）。风切在0.16时，140m与165m、185m的风电比较，增加塔筒高度来提高发电量，但是增加的塔筒成本远高于发电量的收益，140m钢柔塔更具有经济性。案例2：河南濮阳地区，机组功率4.0MW，风速6.25m/s，切变0.37，利用小时数2945h，电价0.3779元/kWh（表2）。结论：塔筒高度为140m时，钢塔成本远低于混塔成本；塔筒高度为165m时，分片塔与混塔成本基本一致（未考虑钢混塔的拼合成本）。风切在0.37时，140m与165m、185m的风电比较，增加塔筒高度来提高发电量，发电量的收益较高，185m混塔更具有经济性。

5结语

新能源进入平价时代后，风电全产业链正处于快速降本的阶段。就塔筒而言，除了降本外，还需要“举得更高”。一方面需要设计的优化与创新，提高结构效率；另一方面也需要在制造环节降本，塔筒制造正由传统的钢材加工向专业化、高精度、自动化的方向迈进。钢柔塔具备较优的经济性，成熟完善的供应链，制造安装周期短，维护便利，更好的外观“颜值”等优势，因此被广大的业主所青睐。但是在超高塔（150m以上）领域，纯钢柔塔的设计只能选择分片塔筒，塔筒现场需要分片拼装、内件安装的耗时已经跟混塔的现场组装、现场内装接近，钢柔塔的施工周期已不存在优势。同时在超高塔（150m以上）领域，钢塔的经济性渐渐被混塔所赶超，而且混塔在安全性和发电量经济性上优势明显，当在绝对的优势面前，业主的倾向也有可能慢慢发生改变。140m的高塔市场，钢柔塔比混塔更具性价比，且成本优势明显。在运输、施工周期、业主态度上也优势明显，因此140m的高塔市场必定是钢柔塔的市场。165m的超高塔市场，由于纯钢柔塔只能选择分片钢柔塔设计，分片塔的成本性、运输性、施工周期等已经与混塔接近，选择权可能更大在于业主的喜好态度上。因此165m市场钢柔塔的选择，更大的决定性因素在于业主态度上。185m的超高塔市场，由于纯钢柔塔只能选择分片钢柔塔设计，混塔的经济性已经远高于钢柔塔，混塔的被选择性更高，但超高塔的应用市场有限，主要集中在河南等高切变区域，而该区域未必具备大规模推广混塔的条件。

作者:王经亚 单位:天顺风能（苏州）股份有限公司