2023年1月17日，中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì )組織召開(kāi)了由北京天杉高科風(fēng)電科技有限責任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“北京天杉”）、中廣核風(fēng)電有限公司完成的“160m級預制混凝土-鋼混合塔架成套關(guān)鍵技術(shù)研究與應用”線(xiàn)上科技成果鑒定會(huì )（視頻）。鑒定委員會(huì )專(zhuān)家們認為，該項目成果促進(jìn)了國內低風(fēng)速高切變地域風(fēng)力資源的高效利用，對160m級預制混凝土-鋼混合塔架的設計、生產(chǎn)、施工和驗收具有重要參考價(jià)值，應用前景廣闊。

一、立項背景

從2017年全國風(fēng)電市場(chǎng)進(jìn)入高塔架市場(chǎng)以來(lái)，風(fēng)電行業(yè)對高塔架風(fēng)電機組的要求越來(lái)越多。在2017年~2019年120/140m鋼混塔架平臺化設計，即在同輪轂高度（如100/120/140m）的基礎上，我國風(fēng)電塔架基本實(shí)現了115/121-2MW、131-2.XMW、121-2.5MW、140-2.5MW及140-3MWs等不同機型的匹配，滿(mǎn)足了該階段下機組產(chǎn)品規劃下對于塔架高度、強度的需求。

進(jìn)入2020年以來(lái)，隨著(zhù)國家十四五規劃對風(fēng)電的發(fā)展提出了新的需求，140m及以上高度的塔架需求越來(lái)越多。對于東部和中部，大部分地區為低風(fēng)速、高切變區域，抬高風(fēng)機輪轂高度能夠顯著(zhù)提升風(fēng)速，提高收益率；對于晉北、冀北、遼寧、吉林、黑龍江等地區，屬于高風(fēng)速、高切變區域，這些區域風(fēng)資源條件好，風(fēng)速高，同時(shí)風(fēng)切變大，抬高輪轂高度后能夠更大程度的提升后期收益。在這些區域，140m及以上高塔架甚至180m以上超高塔架應用前景廣闊。

二、研究?jì)热?/p>

本項目技術(shù)路線(xiàn)圖

超高塔架整機振動(dòng)控制

2020年國內市場(chǎng)實(shí)施風(fēng)電項目高塔架方案主要以140m柔性塔架和140m混凝土-鋼混合塔架為主流。市場(chǎng)暫無(wú)140m以上塔架高度批量項目應用經(jīng)驗。本技術(shù)依托國電橫罡白橋項目，通過(guò)在設計階段進(jìn)行整機穩定性分析、塔架結構強度分析，并充分考慮吊裝階段塔架振動(dòng)、渦激及機組共振問(wèn)題，最終實(shí)現完成1臺155m鋼混塔架樣機安裝，并持續保障項目安全。

在155m高混凝土-鋼混合塔架開(kāi)發(fā)過(guò)程中，首先展開(kāi)對超高塔架整機振動(dòng)控制問(wèn)題的研究。在相同尺寸（塔筒直徑）的情況下，混凝土塔架截面的剛度約為鋼制塔架截面的剛度的2.3倍，混凝土-鋼混合塔架需能夠將高塔的頻率控制在半剛性塔架（塔架一階頻率在葉輪運轉的1P~3P之間）范圍內，避免塔架的二階頻率與葉輪運轉的6P存在共振點(diǎn)的可能。

塔架頻率與葉輪頻率間的關(guān)系

為滿(mǎn)足頻率的需求，通過(guò)對塔架頻率的影響因素（包括地基剛度、混凝土段高度、混凝土段斜率、混凝土上端厚度、鋼塔段直徑和混凝土強度等級）和極端體型（混凝土段做到極高或是極低的水平）的系統分析，獲得了高混塔各種情況對于二階頻率和6P之間的關(guān)系，探尋了塔架二階頻率的不同影響因素，建立了控制二階頻率和6P不發(fā)生共振的技術(shù)手段，確定了高混合塔架混凝土段和鋼段之間的完美比例關(guān)系，為以后的工程項目提供完整的理論依據。

混塔高度和頻率的關(guān)系

混凝土塔架節段分片

國電恒罡白橋100MW風(fēng)電項目和甘肅瓜州安北第二風(fēng)電場(chǎng)C區200MW工程項目，混凝土塔架段采用傳統4~6分片設計，為保證拼裝的精度和效率，需要配備拼裝平臺來(lái)進(jìn)行安裝，對作業(yè)工具、安裝精度要求高，現場(chǎng)作業(yè)時(shí)間長(cháng)。在本項目中在滿(mǎn)足運輸條件的情況下，采用2分片或不分片的方式。

兩片式混凝土-鋼混合塔架

塔筒節段分片干式連接

傳統塔筒階段分片采用濕法灌漿連接，工序復雜，施工周期長(cháng)。干式連接采用螺栓緊固的方式對塔筒節段片進(jìn)行連接，通過(guò)對齊螺栓孔，安裝螺栓，施加預緊力，完成螺栓預緊力緊固后即可吊裝，實(shí)現了即拼即吊的方式，可明顯節約了吊裝工期。

項目組設計了多種干式連接方案，通過(guò)有限元軟件進(jìn)行整體建模，對干式連接的混凝土最大主應力（極限荷載）、混凝土最小主應力（極限荷載）、鋼絞線(xiàn)Mises應力分布、抗彎剛度、抗扭剛度、螺栓應力，進(jìn)行了全面的模擬分析，最終設計直螺栓的干式連接方案，在保證連接質(zhì)量的前提下，可大幅度節省工期，降低成本。

有限元分析模型

定制化端模

為滿(mǎn)足干式連接豎縫要求，節省材料，降低造價(jià)，同時(shí)減少分片與不分片之間的轉換對模具帶來(lái)的不便性，項目組開(kāi)發(fā)了全新解決方案，設計完成了可定制的端模，在需要分片時(shí)，將端模通過(guò)上下部的緊固裝置以及內外模的夾持固定在模板內部，澆筑后的預制構件變成兩個(gè)半環(huán)，滿(mǎn)足干式豎封要求的兩個(gè)半環(huán)之間1mm的間隙；在不需要分片時(shí)，可通過(guò)去除緊固裝置的方式來(lái)取下端模，即可預制整環(huán)構件，操作簡(jiǎn)單，節省模板和灌漿料，實(shí)現了分片和不分片兩種預制方案的高效轉換。

干法連接1mm端模

體外預應力技術(shù)

傳統混凝土塔筒采用體內預應力，預應力索從預制塔筒壁內預留的孔道穿過(guò)，張拉錨固于基礎底部和混凝土塔筒頂部。體外預應力錨固技術(shù)能在不影響原有結構的前提下，達到有效的提載強化效果，設計靈活、施工快捷?；炷了差A應力采用體外技術(shù)，將原有塔筒壁厚由350~400mm減少至250~300mm，大幅度減少構件造價(jià)；將塔筒基礎內預應力孔道從預留的預制混凝土塔筒筒片的凹槽中移至外側，有效避免孔道進(jìn)水對預應力錨固造成的破壞；塔身無(wú)預留孔道，在座漿施工時(shí)，不需要堵孔作業(yè)，可以減少堵孔材料和堵孔作業(yè)時(shí)間，降低施工難度，減少施工工序，提高現場(chǎng)施工效率。

體外預應力索吊裝作業(yè)

三、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng )新點(diǎn)

1. 研究開(kāi)發(fā)了160m級預制混凝土-鋼混合塔架，形成了相應的設計、生產(chǎn)、施工及驗收成套關(guān)鍵技術(shù)。

2. 建立了160m級預制混凝土-鋼混合塔架的二階振動(dòng)控制理論和方法，解決了160m級混合塔架二階振動(dòng)控制問(wèn)題，為低風(fēng)速高切變地域風(fēng)力資源的高效利用提供了技術(shù)支撐。

3. 開(kāi)發(fā)了預制混凝土塔筒分片和整環(huán)通用模板體系，形成了預制混凝土塔筒制作關(guān)鍵技術(shù)及質(zhì)量控制方法。

4. 提出了預制混凝土塔筒分片豎向拼縫干式直螺栓連接技術(shù)，提出了預制混凝土塔筒水平接縫坐漿連接技術(shù)，形成了預制混凝土塔筒高效拼接技術(shù)，提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低了施工周期和施工成本。

四、社會(huì )效益

該項目成果經(jīng)北京鑒衡認證中心有限公司進(jìn)行“GWIII鋼混式風(fēng)力發(fā)電機組塔架（干式連接）”的檢測，符合國際及國家相關(guān)結構設計標準。該項目成果有效擴大了風(fēng)電技術(shù)的使用范圍，在國電恒罡白橋155m樣機項目、中廣核蘭考廣興200MW風(fēng)電項目、天潤新能天津市武清區河北屯鎮風(fēng)電項目等多項工程中得到應用，每年可發(fā)電共計13.7億kWh，與相同發(fā)電量的常規煤電機組相比，每年可節約標煤56萬(wàn)t，減少CO2、SO2和煙塵排放。本項目提高了預制混凝土-鋼混合塔架的科技水平，促進(jìn)了風(fēng)電項目在當地的經(jīng)濟發(fā)展。

中廣核河南蘭考廣興200MW風(fēng)電項目

五、總結

該項目成果已獲授權發(fā)明專(zhuān)利1項，授權實(shí)用新型專(zhuān)利6項，制訂能源行業(yè)標準2項、企業(yè)產(chǎn)品標準2項，形成了具有自主知識產(chǎn)權的成套關(guān)鍵技術(shù)體系。該項目成果促進(jìn)了國內低風(fēng)速高切變地域風(fēng)力資源的高效利用，對160m級預制混凝土-鋼混合塔架的設計、生產(chǎn)、施工和驗收具有重要參考價(jià)值，應用前景廣闊。