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2023年1月17日，中國混凝土與水泥制品協(xié)會組織召開了由北京天杉高科風(fēng)電科技有限責(zé)任公司（以下簡稱“北京天杉”）、中廣核風(fēng)電有限公司完成的“160m級預(yù)制混凝土-鋼混合塔架成套關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”線上科技成果鑒定會（視頻）。鑒定委員會專家們認(rèn)為，該項目成果促進(jìn)了國內(nèi)低風(fēng)速高切變地域風(fēng)力資源的高效利用，對160m級預(yù)制混凝土-鋼混合塔架的設(shè)計、生產(chǎn)、施工和驗收具有重要參考價值，應(yīng)用前景廣闊。

一、立項背景

從2017年全國風(fēng)電市場進(jìn)入高塔架市場以來，風(fēng)電行業(yè)對高塔架風(fēng)電機(jī)組的要求越來越多。在2017年~2019年120/140m鋼混塔架平臺化設(shè)計，即在同輪轂高度（如100/120/140m）的基礎(chǔ)上，我國風(fēng)電塔架基本實現(xiàn)了115/121-2MW、131-2.XMW、121-2.5MW、140-2.5MW及140-3MWs等不同機(jī)型的匹配，滿足了該階段下機(jī)組產(chǎn)品規(guī)劃下對于塔架高度、強(qiáng)度的需求。

進(jìn)入2020年以來，隨著國家十四五規(guī)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越多。對于東部和中部，大部分地區(qū)為低風(fēng)速、高切變區(qū)域，抬高風(fēng)機(jī)輪轂高度能夠顯著提升風(fēng)速，提高收益率；對于晉北、冀北、遼寧、吉林、黑龍江等地區(qū)，屬于高風(fēng)速、高切變區(qū)域，這些區(qū)域風(fēng)資源條件好，風(fēng)速高，同時風(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(qū)域，140m及以上高塔架甚至180m以上超高塔架應(yīng)用前景廣闊。

二、研究內(nèi)容

本項目技術(shù)路線圖

超高塔架整機(jī)振動控制

2020年國內(nèi)市場實施風(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。市場暫無140m以上塔架高度批量項目應(yīng)用經(jīng)驗。本技術(shù)依托國電橫罡白橋項目，通過在設(shè)計階段進(jìn)行整機(jī)穩(wěn)定性分析、塔架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并充分考慮吊裝階段塔架振動、渦激及機(jī)組共振問題，最終實現(xiàn)完成1臺155m鋼混塔架樣機(jī)安裝，并持續(xù)保障項目安全。

在155m高混凝土-鋼混合塔架開發(fā)過程中，首先展開對超高塔架整機(jī)振動控制問題的研究。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?qū)⒏咚念l率控制在半剛性塔架（塔架一階頻率在葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)的1P~3P之間）范圍內(nèi)，避免塔架的二階頻率與葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)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

為滿足頻率的需求，通過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(qiáng)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(tǒng)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(jù)。

混塔高度和頻率的關(guān)系

混凝土塔架節(jié)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C區(qū)200MW工程項目，混凝土塔架段采用傳統(tǒng)4~6分片設(shè)計，為保證拼裝的精度和效率，需要配備拼裝平臺來進(jìn)行安裝，對作業(yè)工具、安裝精度要求高，現(xiàn)場作業(yè)時間長。在本項目中在滿足運(yùn)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(jié)段分片干式連接

傳統(tǒng)塔筒階段分片采用濕法灌漿連接，工序復(fù)雜，施工周期長。干式連接采用螺栓緊固的方式對塔筒節(jié)段片進(jìn)行連接，通過對齊螺栓孔，安裝螺栓，施加預(yù)緊力，完成螺栓預(yù)緊力緊固后即可吊裝，實現(xiàn)了即拼即吊的方式，可明顯節(jié)約了吊裝工期。

項目組設(shè)計了多種干式連接方案，通過有限元軟件進(jìn)行整體建模，對干式連接的混凝土最大主應(yīng)力（極限荷載）、混凝土最小主應(yīng)力（極限荷載）、鋼絞線Mises應(yīng)力分布、抗彎剛度、抗扭剛度、螺栓應(yīng)力，進(jìn)行了全面的模擬分析，最終設(shè)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(jié)省工期，降低成本。

有限元分析模型

定制化端模

為滿足干式連接豎縫要求，節(jié)省材料，降低造價，同時減少分片與不分片之間的轉(zhuǎn)換對模具帶來的不便性，項目組開發(fā)了全新解決方案，設(shè)計完成了可定制的端模，在需要分片時，將端模通過上下部的緊固裝置以及內(nèi)外模的夾持固定在模板內(nèi)部，澆筑后的預(yù)制構(gòu)件變成兩個半環(huán)，滿足干式豎封要求的兩個半環(huán)之間1mm的間隙；在不需要分片時，可通過去除緊固裝置的方式來取下端模，即可預(yù)制整環(huán)構(gòu)件，操作簡單，節(jié)省模板和灌漿料，實現(xiàn)了分片和不分片兩種預(yù)制方案的高效轉(zhuǎn)換。

干法連接1mm端模

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)

傳統(tǒng)混凝土塔筒采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力索從預(yù)制塔筒壁內(nèi)預(yù)留的孔道穿過，張拉錨固于基礎(chǔ)底部和混凝土塔筒頂部。體外預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)能在不影響原有結(jié)構(gòu)的前提下，達(dá)到有效的提載強(qiáng)化效果，設(shè)計靈活、施工快捷。混凝土塔筒預(yù)應(yīng)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(gòu)件造價；將塔筒基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)應(yīng)力孔道從預(yù)留的預(yù)制混凝土塔筒筒片的凹槽中移至外側(cè)，有效避免孔道進(jìn)水對預(yù)應(yīng)力錨固造成的破壞；塔身無預(yù)留孔道，在座漿施工時，不需要堵孔作業(yè)，可以減少堵孔材料和堵孔作業(yè)時間，降低施工難度，減少施工工序，提高現(xiàn)場施工效率。

體外預(yù)應(yīng)力索吊裝作業(yè)

三、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

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

2. 建立了160m級預(yù)制混凝土-鋼混合塔架的二階振動控制理論和方法，解決了160m級混合塔架二階振動控制問題，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. 開發(fā)了預(yù)制混凝土塔筒分片和整環(huán)通用模板體系，形成了預(yù)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(yù)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(yù)制混凝土塔筒水平接縫坐漿連接技術(shù)，形成了預(yù)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、社會效益

該項目成果經(jīng)北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司進(jìn)行“GWIII鋼混式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架（干式連接）”的檢測，符合國際及國家相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。該項目成果有效擴(kuò)大了風(fēng)電技術(shù)的使用范圍，在國電恒罡白橋155m樣機(jī)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(qū)河北屯鎮(zhèn)風(fēng)電項目等多項工程中得到應(yīng)用，每年可發(fā)電共計13.7億kWh，與相同發(fā)電量的常規(guī)煤電機(jī)組相比，每年可節(jié)約標(biāo)煤56萬t，減少CO2、SO2和煙塵排放。本項目提高了預(yù)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(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

中廣核河南蘭考廣興200MW風(fēng)電項目

五、總結(jié)

該項目成果已獲授權(quán)發(fā)明專利1項，授權(quán)實用新型專利6項，制訂能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項、企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)2項，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套關(guān)鍵技術(shù)體系。該項目成果促進(jìn)了國內(nèi)低風(fēng)速高切變地域風(fēng)力資源的高效利用，對160m級預(yù)制混凝土-鋼混合塔架的設(shè)計、生產(chǎn)、施工和驗收具有重要參考價值，應(yīng)用前景廣闊。