风力发电机组采用圆筒塔与格构式塔架的综合管理经济效益分析

■曾 铎 ■江西省建筑设计研究总院，江西 南昌 330046

自1980 年以来，风力发电机单机发电能力提高500 倍，相应风电机组塔架的高度也从最初的30 米左右达到现在的100～200 米［1，2］。目前，在国内外，风电机组塔架多为圆筒结构，圆筒结构具有结构简单、美观，各方向具有相同的强度、刚度、稳定性，塔架直径从上到下变化缓慢、叶片与塔身的距离从上到下相差不大，运行维护方便等优点，便于做整体防蚀处理，投入运行后便于日常维护管理［3，4］。但是也有钢材消费量大、运输难度大、安装场地要求高、塔筒安装和转运需要大型设备、塔架整体刚度小等明显缺点。然而格构式塔架可以克服圆筒式铁塔造价高、运输难度大、塔架整体刚度小的缺点。特别是对山地风场来讲，塔筒运输是风场建设过程中最艰难的工作之一，运输大型塔筒存在隧道及桥涵洞口的高度不够的难题;存在大型塔筒运输道路建造对山体植被破坏的难题;存在塔筒基础土石方开挖量大的难题。为此，文中通过对圆筒塔和格构式塔架分别进行制作工艺、运输工程、施工工艺方面的综合经济效益的对比分析，得出两种塔架的优缺点，为塔架的选型及设计提供一些合理、科学的建议。

1 综合管理对比分析

1.1 制作工艺对比分析

圆筒式塔架的加工制作，一般在大型钢结构厂房中完成，一般需经过以下几种工序:材料数控切割、卷板机加工成形、筒节组对、焊接、检测等工序。圆筒式塔架由于其体积较大，每一工序几乎都涉及到一些大型、专业的设备和吊车辅助加工，对加工设备的投资较大［5］，如图1所示。

相比之下，格构式塔架的制作工艺优势十分突出，由于整个设计过程中所采用的材料大都是圆钢管，可以依照图纸，直接与钢管厂家订购所需钢管型号，在钢结构的厂房中仅需将钢管按图纸进行下料，许多拼装过程可以在安装现场完成。因此，格构式塔架相对圆筒式塔架而言，在塔架制作加工过程中需要的大型设备较少，钢管材可以直接在市场上购买，具有一定的优势。

图1 塔筒制作图

1.2 运输过程对比分析

实际工程中，风力发电机的装机现场与塔架的生产车间往往相距很远，塔架的远距离运输问题不容忽视，这也是完成风电机组装机的必备环节。与此同时，随着塔架高度的增加，运输费用在建造成本中所占的比例也越来越高。所以本节将针对两种结构形式塔架的运输过程可行性及运输成本进行对比分析。对于圆筒式塔架的运输，根据其外形尺寸，并结合交通部下发的《大件运输管理办法》中对大型物件分级标准的规定进行分析，本设计中的圆筒式塔架在实际运输中属于二级大型构件，运输过程中对公路路宽、桥高、拐弯半径空间等均有特殊要求。由于运输中的诸多限制，导致塔筒运输前期的工作复杂且重要，如前期的沟通、协商、勘测、设计、施工等，同时也造成运输成本难以控制。同时也正是因为这些原因，导致了一部分风能资源丰富的风场，由于塔筒运输困难，未能得到大范围的开发，如图2 所示。随着圆筒式塔架高度的增加，这一现象还将更加明显，主要是由于公路运输限高4.8m 造成。

图2 塔筒上山运输图

对山区风场而言，塔筒运输上山是最为艰难的一件工作，上山道路要求宽，转弯半径要求大，运输塔筒道路的建造对山体环境的破坏较大;相比之下，对于格构式塔架构件的运输属于一般运输，运输工具选择灵活;格构式塔架构件的运输对道路的要求低。

根据上述两种塔架在运输过程中的对比分析可知，圆筒式塔架在运输中，易受运输条件限制，所以需要在运输前期投入很大的精力，导致运输成本的提高难以控制。而格构式塔架的构件运输，均属于一般运输，运输中不必考虑交通方面的限定，而且由于运输工具的选择灵活，相对运输圆筒型塔筒的大型运输工具，格构式塔架的运输条件相对低一些，同时也扩大了风场的建造范围和风力发电塔的高度。圆筒式塔架与格构式塔架运输对比，如表1 所示。

表1 圆筒式塔架与三角式塔架运输对比

1.3 塔架施工过程对比分析

圆筒式塔架的施工过程，首先是对基础进行检查，验收合格后，在天气、风速、设备等均满足要求的情况下吊车进场开始塔筒的吊装，整个吊装过程需要主吊和副吊两台吊车配合完成［6-7］。吊装完成后，仅需按照设计要求，禁锢螺栓组，完成法兰连接。从施工过程来看，圆筒式塔架的施工工序简单，易于保证施工质量，如图3 所示。

格构式塔架的施工主要是对塔架开始进行吊装前，需按设计图纸对塔架进行现场拼装，完成拼装后再进行塔架的吊装。通过对比分析两种结构形式的实际施工过程可知，圆筒式塔架的组装施工时需要大型吊装设备进场，而格构式塔架可以在大型吊装设备进场前先行安装。

2 圆筒塔与格构塔架综合造价比较

假定开发一个50WM山地风电场，采用圆形塔筒道路长度约25km，单价约125 万/km;而采用格构式塔架可缩短至21km，单价约110 万/km，道路最大纵坡由16%可以优化至20%。可以得出圆筒塔与格构式塔架综合造价，如表2 所示。

表2 圆筒塔与格构式塔架综合造价比较

3 结论

通过上述对比分析可以看出:(1)建设一个50MW 的山地风场，风电机组塔架采用格构式塔架较圆筒塔的直接工程费用可减少25%-30%;(2)随着市场对高塔架的需求，格构式塔架又重新被应用，特别是对于大功率山地风电机组采用格构式塔架，有较好的经济、社会效益、环境效益;(3)通过格构式塔架在风力发电中的应用研究，解决了运输大型塔筒存在隧道高度不够难题，解决存在大型塔筒上山道路建造对山体植被破坏大的难题，为风力发电塔架的选型及设计提供了一些合理、科学的建议。

［1］方永，胡明辅.风电机组的现状与进展［J］.能源与环境，2007.

［2］张建民.风电机组在国外的发展现状及在我国的发展前景［J］.甘肃科技，2000.

［3］贺德馨.我国风电工程研究现状与展望［J］.力学与实践，2002.

［4］靳静，艾竿.我国风电场建设及运行现状评估与发展前景研究［J］.华东电力，2007.

［5］陈达，张伟.风能利用和研究综述［J］.节能技术，2007.

［6］GL2010.Guideline for the Certification of Wind Turbines［S］.Germanischer Lloyd，2010.

［7］JB/T10300-2001.风力发电机组设计要求［S］.北京:中国机械工业联合会，2001.