陆上风电机型及塔架形式模糊综合评估及优选

2018-12-20张林海

水力发电 2018年9期

许伟，郑南，张林海

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122；2.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海200120)

0 前言

针对内陆平原风电场低风速、高切变的资源特征，为适应低风速风电场的开发需求，风电机组技术开始向更长叶片长度、更高轮毂高度等方向发展[1-2]。近年来，风机轮毂高度增高至100 m以上已形成一种趋势。考虑到风电场项目的经济性并满足运输、安装要求，风机塔筒开始向柔性塔筒、混合塔筒及全混凝土塔筒等多种结构形式发展。

1 理论基础

1.1 层次分析法(AHP)

层次分析法首先将所要进行的决策问题置于一个大系统中，这个系统中存在相互影响的多种因素，要将这些问题层次化，形成了一个多层的分析结构模型[3]。之后运用数学方法与定性分析相结合，通过层层排序，最终根据各方案计算出的所占的权重，来辅助决策。

层次分析法(AHP)确定权重的步骤如下:

(1)构造判断矩阵。以A表示目标，ui、uj(i，j=1，2，…，n)表示因素。uij表示ui对uj的相对重要性数值。并由uij组成A-U判断矩阵P。

(2)计算重要性排序。根据判断矩阵，求解出最大特征根λmax所对应的特征向量w。方程如下

Pw=λmaxw

(1)

所求特征向量w经归一化，即为各评价因素的重要性排序，也就是权重分配。

(3)一致性检验。以上得出的权重分配的合理性，需要对判断矩阵进行一致性检验。检验使用公式为

CR=CI/RI

(2)

式中，CR为判断矩阵的随机一致性比率；CI为判断矩阵的一般一致性指标。它由下式给出

CI=(λmax-n)/(n-1)

(3)

RI为判断矩阵的平均随机一致性指标，对应于n=1，2，3，4，5，6，7，8，9阶的判断矩阵的RI值分别为0，0，0.58，0.90，1.12，1.24，1.32，1.41，1.45。

当判断矩阵P的CR<0.1时或λmax=n，CI=0时，认为P具有满意的一致性，否则需调整P中的元素以使其具有满意的一致性。

1.2 决策相对优属度计算模型

设系统有n个决策，每个决策有m个目标特征值评价其优劣，则有目标特征值矩阵

(4)

式中，xij为决策j目标i的特征值，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n。

为消除m个目标特征值量纲不同的影响，需要将矩阵X规格化。即分别对越大越优、越小越优、中间型目标特征值采用不同的规格化公式，将矩阵X转化为目标相对优属度矩阵R

(5)

根据相对隶属度的定义，劣与优分别处于参考连续统的两个极点，则劣、优决策的目标相对劣属度与优属度向量分别为

b=(0,0,…,0)T

(6)

g=(1,1,…,1)T

(7)

由矩阵R可知决策j的目标相对优属度向量

rj=(r1j,r2j,…,rmj)T

(8)

则决策j与优、劣决策的广义权距离分别为

(9)

(10)

(11)

将相对隶属度定义为权重，则决策j与优决策之间的加权广义权距离

Djg=ujdjg

(12)

决策j与劣决策间的加权广义权距离(简称距劣距离)为

Djb=(1-uj)djb

(13)

为求解决策j相对优属度的最优值，建立目标函数为

(14)

则得到决策相对优属度计算模型

(15)

决策相对优属度模型是模糊优选方法中的一种重要模型。

2 风机塔架评价指标体系

2.1 风机塔架优选的目的及影响因素

风机塔架优选在于从众备选塔架形式中比选出最佳塔架方案，首先必须确定评价指标体系。风机塔架形式主要分为全钢结构、全混凝土结构以及钢+混凝土组合结构形式。结合陆上风机塔架的特点和技术要求，可概括出如下影响陆上风机塔架方案选择的影响因素。

2.1.1 风机塔架的结构可靠性

主要分析塔架结构方案能否满足结构上的需要，包括强度、刚度、稳定性等。

(1) 结构强度。全钢塔架结构尺寸较小，强度较全混凝土及钢+混凝土组合结构小，钢筒与基础通过基础环或锚栓连接。全混凝土塔架分段预制，需要严格的施工工艺才能保证好塔筒的整体性。钢+混凝土组合塔架混凝土段预制，分段组装，塔筒整体性较差。

(2) 刚度。塔架按结构刚度从小到大排序，依次为全钢塔架、钢+混凝土组合塔架、全混凝土塔架。相同荷载条件下，塔架顶部位移全钢塔架最大、钢-混凝土塔架次之，全混凝土塔架最小。根据对现有机型及塔架动力特性的认识[4]，全钢塔架的塔筒一阶自振频率一般低于额定叶轮转动频率，工作时需跳过共振区间，损失一定的发电量，因而需要风机厂家做好运行控制策略。而对于钢+混凝土塔架、全混凝土塔架，其塔筒的一阶自振频率高于叶轮额定转动频率，因而不存在频率穿越过程，不会引发共振问题。

(3) 疲劳荷载。全钢塔架结构刚度较低，荷载作用下，结构振幅较大，疲劳荷载较大。钢混凝土组合塔架整体结构刚度较大，振幅较小，疲劳荷载较钢塔筒小，但钢塔筒与混凝土塔筒连接处存在刚度突变，上下层间位移较大，易造成疲劳破坏。全混凝土塔架整体刚度大，振幅小，塔筒体型自上到下平滑过渡，疲劳荷载较全钢塔和钢混凝土塔小。

2.1.2 风机塔架的技术可行性

包括所选结构是否经过大量工程实践检验，证明其技术是成熟的；结构是否与现场具体条件相适应。

(1)技术的成熟性。对于高塔筒而言，全钢塔架有商业应用，对于钢+混凝土还是全混凝土塔架，技术都是从欧洲引进，国外也都有多年的批量应用[5]。在引进的过程中，根据我国规范的要求增加了相关验算，安全性符合规范要求。

(2)与现场条件的适应性。适应性指方案实施后产品质量能否得到保证，另外还需考虑到执行后生产过程是否安全、是否对环境造成污染和现场施工条件能否顺利执行方案等。

(3)技术的先进性。全混凝土塔架需要严格的施工工艺才能保证好塔筒的整体性，技术最先进。钢混凝土组合塔架次之。全钢塔架有商业应用，技术成熟。

2.1.3 风机塔架的施工及维护难易性

不同的风机塔架采用的施工方法、程序、施工机械都不一样，施工难易程度有很大差别。同时，风机塔架不同，其日常运维巡检的难度也大不相同。

(1)施工技术的复杂程度。全钢塔架筒身分段较少，钢筒段可从工厂直接运输至机位，国内运输技术成熟；全混凝土塔架分段较多，混凝土段工厂预制，工厂附近需保证高强混凝土原材料供应，需要严格的施工工艺才能保证好塔筒的整体性。钢+混凝土组合塔架混凝土段需分段分片运输，若混凝土段数量多，则混凝土预制工厂占地较大。

(2)施工工期。全钢塔架在吊装过程中，涡激振动需要通过一定的措施进行规避，故吊装限制条件较多，但施工进度快。混凝土节段刚度较大，较全钢塔架相比不会发生涡激振动，混凝土各段、片间需通过灌浆或插筋连接，施工质量要求高。对于高轮毂的钢混凝土塔架和全混凝土塔架，施工工期长较长。

(3)日常维护的难易程度。钢塔架在自然环境下较混凝土塔筒耐腐蚀性差，塔筒段间多采用高强螺栓连接易松动，维护工作量较大。钢+混凝土组合塔架混凝土段采用预应力索连接，需定期检测钢绞线应力情况，维护工作量较大塔筒维护工作量较钢塔筒少，有些型号的塔架钢与混凝土连接段存在高强螺栓，维护需定期检查螺栓应力情况。全混凝土塔架混凝土段采用预应力索连接，塔筒维护基本只需定期检测钢绞线应力情况。

2.1.4 风机塔架的经济合理性

主要指采用的风机塔架在满足使用效果的前提下，能否降低工程造价。需注意的是，选用不同的风机塔架方案，其基础结构方案可能不尽相同，所占用的征地面积也有差别。经济合理性依据国家、行业以及地方现行的造价编制规定、定额、费率标准等[6-7]，采用当期价格水平，结合地方政府相关部门颁布的关于征租地政策及标准，以此进行工程估价。

综上所述，对于高塔筒而言，其塔架形式需经过综合评估后确定。

2.2 陆上风机塔架评价指标体系的建立

综合考虑陆上风电机型塔架优选的各种影响因素，本文建立了方案优化三级综合评价指标体系的树状数据结构，它们共同构成陆上风机塔架方案优选的评价指标体系，如表1所示。

表1 陆上风机塔架评价指标体系

3 工程案例

某国有发电企(业主)在河南省北部某县投资一座风电场，该风电场地形地貌为平原，下垫面以农田及村庄为主，属于内陆平原风电场。风电场装机容量300 MW，拟安装150台单机容量2.0 MW风电机组，风机轮毂高度为120 m。可行性研究阶段对风机机型及塔架形式进行技术经济比选，业主要求选择经济合理、技术可靠、运行安全的方案。

根据业主要求，笔者调研了5家国内知名风机厂家的资料，选取风机轮毂高度均为120 m的7种不同风机塔架形式。就其结构可靠性、技术可行性、施工及维护难易性和经济合理性等方面开展综合评估及优选。

本次收集到的5个风机厂家均为国内营业额排名靠前的风机厂商，依次标识为WTG1，WTG2，WTG3，WTG4，WTG5，涉及的机型及塔架形式共有7种(轮毂高度均为120 m)，对比7种机型及塔架形式的生产制造及认证情况：① WTG1-钢+混凝土。塔筒为钢-混凝土，长度为85m(钢)+35m(混凝土)，工厂预制，采用C60混凝土，目前国内有批量投产工程，塔筒已在国内认证。② WTG2-钢+混凝土。塔筒为钢混凝土，长度为80 m(混凝土)+40 m(钢)，工厂预制，采用C80高强混凝土。国内首台样机正在施工，塔筒已在国内认证。③ WTG2-全混凝土。塔筒为全混，共分为30段，采用C80高强混凝土，工厂预制。塔筒安装同一厂家不同机型的国内首个批量生产的风电场正在建设。塔筒安装其他机型已获得国外认证，安装本机型未认证。④ WTG3-钢塔。筒身分为6段，目前国内尚未建造。国内首台样机正在计划中。塔筒正在进行设计认证，尚未获得认证证书。⑤ WTG3-钢+混凝土。塔筒为钢混，长度为15 m(钢)+105 m(混)，采用C55混凝土，工厂预制。国内首台样机正在施工。塔筒安装其他机型已在国外认证，安装本机型未认证。⑥ WTG4全混凝土。塔筒为全混，共分为30段，工厂预制，采用C80高强混凝土。塔筒安装不同厂家风机的国内首个批量生产的风电场正在建设。塔筒安装其他机型已在国外认证，安装本机型未认证。⑦ WTG5-钢塔。筒身分为6段，目前国内首台样机正在准备中，尚未批量建造。塔筒正在进行设计认证，尚未获得认证证书。

各比选方案基础形式均采用筏板式基础，塔筒与风机基础连接构件采用锚栓笼，复合地基采用CFG桩形式(对于钢+混凝土、全混凝土形式需要地基处理)。根据以上所述的5个厂家的技术经济资料，结合编制期市场价格水平，对120 m轮毂高度的7种机型及塔架的技术方案，进行可比投资经济测算分析，结果如表2所示。

3.1 利用层次分析法确定各级因素的权重

陆上风机塔架优选指标体系准则层包括4个因素，即U={A，B，C，D}；第三层指标层包括10个因素，即A={A1，A2，A3}，B={B1，B2，B3}，C={C1，C2，C3}，D={D1}。

经过咨询相关专家的评判意见，运用成对比较方法以及1～9比例标度，分别构造准则层、指标层对上一层每个因素的成对比较阵，并计算权重和进行一致性检验，如表3～6所示。汇总后可得权向量。

表3 准则层成对比较阵

注：λmax=4.010 4，CI=0.003 5，CR=0.003 9<0.1 满足一致性检验。

表4 A-Ai成对比较阵

注：λmax=3.009 2，CI=0.004 6，CR=0.007 9<0.1满足一致性检验。

表5 B-Bi成对比较阵

注：λmax=3.002 6，CI=0.001 3，CR=0.002 2<0.1 满足一致性检验。

3.2 建立模糊评估矩阵

模糊判断矩阵的确定，结构可靠性、技术可行性和施工及维护难易性等主观指标以实际生产施运

表6 C-Ci成对比较阵

注：λmax=3，CI=0，CR=0.0<0.1满足一致性检验。

行经验及实际工程投资计算为基础，结合专家的意见，确定评语集V=(很好，良好，一般，较差，很差)=(1，0.8，0.6，0.4，0.2)，用5级评价可对被评价方案做出较准确描述。经济合理性为客观指标，依据表4中的投资数额，按第1节理论基础中的方法可得到经济合理性的评价指标。各因素评价相对优属度如表7所示。

计算得到结果如表8所示。