隨著塔架高度的不斷增加，全鋼塔架采用降低塔架剛度的方法以解決塔底大直徑用鋼成本過高和運(yùn)輸受限的問題，伴隨的代價(jià)是降低了塔架頻率，塔架變的更“柔”，故而得名“柔塔”。柔塔的固定頻率小于1P，不僅存在機(jī)組啟停過程中與葉輪的共振風(fēng)險(xiǎn)，在自然條件下風(fēng)達(dá)到觸發(fā)塔架產(chǎn)生渦激振動(dòng)的臨界風(fēng)速也非常容易。

塔架渦激振動(dòng)

在柔塔吊裝階段，一階渦振會(huì)引起高塔頂部大幅振動(dòng)，塔架啟停過程中，二階渦振則會(huì)快速損耗塔架的疲勞壽命，疲勞損害快速累積導(dǎo)致破壞，機(jī)組運(yùn)行時(shí)若控制出現(xiàn)偏差也易引起二階渦振。初中物理就告訴過我們共振危害性是很可怕的，遠(yuǎn)到著名的1940年美國(guó)塔科馬海峽大橋坍塌事故，近到2020年5月廣東虎門大橋振動(dòng)，前不久的某風(fēng)場(chǎng)某廠家142m高塔架倒塌事故，無一不是重大教訓(xùn)。

塔科馬海峽大橋振動(dòng)

虎門大橋振動(dòng)

柔塔為了避免受渦振破壞，需要采取一系列措施：比如在吊裝階段，增加擾流條破壞風(fēng)漩渦形成、安裝臨時(shí)阻尼器減小振幅，啟動(dòng)階段快速穿越共振區(qū)域，安裝阻尼設(shè)備、通過算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)加阻，運(yùn)行期間通過高難度的控制技術(shù)保障葉片正確對(duì)風(fēng)等。國(guó)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的現(xiàn)狀是吊裝完成距離上電還有時(shí)間窗口期，運(yùn)營(yíng)期間也有斷電風(fēng)險(xiǎn)，沒電就意味著風(fēng)機(jī)失去控制。失電狀態(tài)則需要通過外接電源、加裝硬件阻尼等避免塔架發(fā)生二階渦振。這些預(yù)防措施全部需要經(jīng)過專業(yè)的算法和精確的測(cè)試才能制定，對(duì)于不同項(xiàng)目不同塔架必須制定針對(duì)性的整套方案，對(duì)系統(tǒng)控制技術(shù)能力及整機(jī)運(yùn)維技術(shù)能力要求非常高。

混塔是鋼+混凝土結(jié)構(gòu)塔架，其明顯區(qū)別于柔塔的特性就是“剛”?；焖没炷两Y(jié)構(gòu)替代高塔架底段，使塔架頻率保持在1P~3P之間，不存在與葉輪產(chǎn)生共振的問題。混塔的剛性類似于傳統(tǒng)的百米以下鋼塔，在正常情況下風(fēng)速也很難達(dá)到使塔架產(chǎn)生渦激振動(dòng)的臨界風(fēng)速。正是因?yàn)檫@樣，就算使用相同的機(jī)頭面臨相同的風(fēng)況，混塔則完全不需要額外增加復(fù)雜的控制策略和外部配件，就可以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的工況，并且不會(huì)增加其它運(yùn)維負(fù)擔(dān)。對(duì)于柔塔無法適應(yīng)的復(fù)雜風(fēng)資源項(xiàng)目，混塔也能夠保障機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

塔架振動(dòng)頻率與葉輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

我國(guó)不僅是基建大國(guó)還是基建強(qiáng)國(guó)，世界橋梁總長(zhǎng)度排名第一，世界水壩總數(shù)量排名第一，高鐵運(yùn)營(yíng)總里程第一，地鐵總長(zhǎng)度第一，其中我國(guó)在世界十大著名橋梁中十占其八，在全世界地鐵長(zhǎng)度前十的城市中占據(jù)7席。諸如此類的榮耀不勝枚舉，在工程領(lǐng)域我國(guó)實(shí)力處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，在不斷的創(chuàng)新和發(fā)展中積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，形成了全面的系統(tǒng)的適合我國(guó)國(guó)情的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

世界各國(guó)大橋總長(zhǎng)度排名

世界各國(guó)地鐵里程排名

從結(jié)構(gòu)類型上看，風(fēng)電混凝土塔架屬于國(guó)內(nèi)最駕輕就熟的混凝土工程，成熟的各類設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可作為混塔設(shè)計(jì)的依靠和保障，諸如《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》《高聳結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》等等；從結(jié)構(gòu)體型上看，風(fēng)電混凝土塔架類似高聳的橋墩，也與豎立的地鐵隧道高度相似，大量的基建工程經(jīng)驗(yàn)可以借鑒到混塔的設(shè)計(jì)和施工中。站在基建巨人的肩膀上，我國(guó)混塔的技術(shù)將得到最為有利的發(fā)展支撐。2020年，運(yùn)用140米混塔技術(shù)的深能高郵東部風(fēng)電廠項(xiàng)目先后獲得國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)和電力優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)，運(yùn)用120米混塔技術(shù)的國(guó)家電投阜城項(xiàng)目獲得電力優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)也表明了我國(guó)混塔工程技術(shù)質(zhì)量在不斷發(fā)展進(jìn)步。

在大葉輪大功率機(jī)組的發(fā)展方向上，市場(chǎng)已經(jīng)有了明確選擇。根據(jù)國(guó)際權(quán)威風(fēng)電咨詢機(jī)構(gòu)WoodMackenzie調(diào)查報(bào)告顯示，未來全球風(fēng)電的裝機(jī)功率將向著更大功率方向發(fā)展，陸上風(fēng)電方面世界主流風(fēng)機(jī)廠商紛紛在3MW以上大功率機(jī)型進(jìn)行布局，2021年~2023年3MW、4MW、5MW平臺(tái)產(chǎn)品將是主流平臺(tái)，從2023年開始將開啟6MW平臺(tái)元年，并以較快的速度向8MW級(jí)別平臺(tái)發(fā)展。相對(duì)應(yīng)的，未來全球風(fēng)機(jī)的葉輪也向著150m以上更大直徑發(fā)展。

全球陸上風(fēng)電機(jī)組功率2017~2028年趨勢(shì)

主流主機(jī)廠家2019~2028年年平均機(jī)組功率發(fā)展趨勢(shì)圖


全球陸上風(fēng)機(jī)2010~2028年葉輪直徑增長(zhǎng)預(yù)測(cè)圖

主流主機(jī)廠家2019~2028年年平均葉輪直徑發(fā)展趨勢(shì)圖

近來國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的新建項(xiàng)目情況也恰恰印證了這一點(diǎn)。如老撾某項(xiàng)目需求機(jī)型為葉輪直徑16Xm的4.XMW機(jī)組，烏克蘭某項(xiàng)目機(jī)型為葉輪直徑16Xm的5.XMW機(jī)組。根據(jù)近期國(guó)內(nèi)公開招標(biāo)信息，國(guó)家能源集團(tuán)發(fā)布8個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目共計(jì)1809MW 機(jī)組采購信息，招標(biāo)要求機(jī)組均在3MW以上，葉輪直徑在150米以上；華能招標(biāo)19個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目共計(jì)2887MW機(jī)組，大部分項(xiàng)目要求單機(jī)3MW級(jí)別機(jī)型葉輪直徑在145米以上，4MW級(jí)別機(jī)型葉輪直徑在155米以上；華電集團(tuán)2.5GW風(fēng)電項(xiàng)目招標(biāo)機(jī)組在3MW機(jī)型4MW機(jī)型的葉輪直徑要求在141~160米及160米以上、5MW級(jí)別機(jī)型葉輪直徑要求在150~160米及160米以上。

由于塔架存在設(shè)計(jì)頻率限制，100米以上鋼塔經(jīng)濟(jì)性不佳，140米以下又難以設(shè)計(jì)柔塔。所以大葉輪大功率機(jī)組的全鋼塔往往只能給客戶提供100米左右鋼塔或140米以上柔塔兩個(gè)方案，從而錯(cuò)失了100米到140米之間塔架高度方案的最優(yōu)收益率。尤其是對(duì)于有限電、投資成本要求的項(xiàng)目往往存在發(fā)電量“少發(fā)不足，多發(fā)無益"的選擇困難。而混塔卻并沒有這個(gè)問題,據(jù)2020年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，120米高度混塔國(guó)內(nèi)已建成超過750臺(tái)。

對(duì)于大葉輪大功率機(jī)組而言，混塔由于其大剛度、高頻率的特性，抗疲勞性好、穩(wěn)定性高，無論是應(yīng)用于高切變高風(fēng)速地區(qū)，還是應(yīng)用于低風(fēng)速高塔架場(chǎng)景，無疑都會(huì)是更好的結(jié)構(gòu)安全保障?；焖A(yù)制裝配的生產(chǎn)工法，也友好地解決了隨著機(jī)組變大塔底直徑增加帶來的運(yùn)輸問題。靈活運(yùn)用項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)附近的移動(dòng)預(yù)制工廠混塔方案或固定工廠管片式混塔方案，對(duì)復(fù)雜地形的風(fēng)場(chǎng)建設(shè)無疑提供了更多的選擇。

混塔節(jié)段吊裝