预应力钢筋混凝土风力发电塔筒应用案例分析

张 安，陈世强

（湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430040）

随着风电制造业的发展，风力发电机组单机容量持续增大，风机叶片及塔筒尺寸也越来越大，目前平原风电120m塔筒高度已成为主流，部分在建风电场已向140m塔筒高度迈进[1]。随着风机轮毂高度的不断增加，对于风力发电塔筒建筑材料和建设工艺的要求也越来越高。目前风机塔筒形式采用最多的为钢结构，但是钢筋混凝土结构塔筒相对于钢结构塔筒具有取材容易、运输方便、刚度大、稳定性好、耐腐蚀、可耐受一定淹没深度、节约钢材和维修费用低等优点，混凝土塔筒已经成为风电120m及以上塔筒的建设趋势。因此，需要加强对风电混凝土塔筒应用过程中的总结与分析，促进我国风电建设工程降本增效。

1 预应力钢筋混凝土塔筒的优点

（1）顺应风电行业单机大容量的发展趋势。近些年随着我国风力发电行业的迅速发展，风电装机容量快速增长，陆上可供开发的风资源丰富的区域越来越少，风电开发建设由高风速地区向低风速地区发展，朝大容量、低风速、高塔筒、长叶片方向发展。而随着风力发电机组塔筒高度的增加，钢混塔筒的成本优势逐渐凸显出来。以某风机厂家叶轮直径为141m的2.5MW低风速风机为例，塔筒高度分别为90m、100m、120m、140m的刚塔筒重量分别为170t、200t、289t、357t。据此测算，目前120m塔筒高度的钢混塔筒与钢塔筒价格相当，120m以上钢混塔筒价格低于钢塔筒。针对120m及以上塔筒高度的风力发电机组，采用预应力钢筋混凝土风力发电塔筒可降低风电场建设成本，提高风电项目的收益率。

（2）适用于低风速区域的风电建设，符合电力消纳政策。由于近年来我国风电行业发展迅速，电网消纳能力跟不上装机增长速度导致严重的弃风限电现象。2019年，新疆、甘肃、内蒙古弃风形势仍较为严重，三省（区）弃风电量合计136亿kW·h[2]。另外，南方山区风电受到建设难度大与环保“高压线”的双重影响，开发愈加困难，因此开发平原地区低风速地区风电成为近年来的方向与重点。目前，平原地区当地电网具备消纳电能优势，但往往存在降雨量大及外洪内涝风险，采用预应力钢筋混凝土塔筒更有利于风机塔筒的防洪防腐要求。

（3）提高发电量。当风力机运行时，塔架受载状况极为复杂。这些荷载通常包括风荷载、机组自重、机组重心偏移引起的偏心力矩以及由于风振引起的高耸结构的动态响应等[3]。由于钢筋混凝土塔筒的刚度好，在风荷载作用下塔筒机舱处的水平位移与振幅均小于传统钢制塔筒，保证了叶轮系统迎风角度的稳定性，增加了安全性，便于风机厂家调整风机控制策略提高发电量，增加了发电量，降低了场外道路运输难度，减小了场内道路改扩建、新建路段的工程量。风电场运输道路一般以省道与风电场内部道路的接口为分界点，以外为场外道路，以内为场内道路。受限于我国公路现状，大多数桥涵限高4.5～5.5m，而目前90m轮毂高度的2.5MW风电钢塔筒底部直径已达4.3m，加上运输车辆底盘高度，已接近公路运输的极限，同时由于塔筒壁厚增加长度增加，90m轮毂高度底部22m长塔筒重量已近70t，导致钢制塔筒的场外道路路径选择与沿线障碍物拆改工作变得较为困难。

（4）风机塔筒以及叶片的运输为场内道路的运输关键点。当叶片采用平板挂车运输时，道路圆曲线最小半径及弯道外侧扫尾半径由叶片车决定；当叶片使用举升工装车时，道路圆曲线半径及加宽值由最长段塔筒决定[4]。目前风电场内的叶片运输大多采用举升工装车，大幅度降低了叶片场内运输难度，此时场内运输重点由钢塔筒决定。为保证钢塔筒的顺利运输，场内道路圆曲线半径及加宽值需满足相关要求，采用后轮转向运输车可进一步减小圆曲线半径，按照《风电场工程道路设计规范》（NB/T 10209—2019）要求，仍然要求最小转弯半径内弯不小于25m，外弯不小于20m，场内道路改扩建、新建路段的工程量依然较大。《风电场工程道路设计规范》（NB/T 10209—2019）圆曲线最小半径如表1所示，全钢塔方案某风机厂家推荐道路加宽值如表2所示。

（5）降低投资成本。钢筋混凝土塔筒预制场地选择多，预应力混凝土塔筒的制造可就近取材、就近生产、就近运输。预制混凝土塔筒管片尺寸相对较小，工厂预制现场拼装的施工方式显著降低了场外道路路径选择与沿线障碍物拆改工作的难度，大幅度降低了场外道路的运输成本。目前在建的平原风电多位于县道乡道路网较为完善、城镇村落密布的地区，采用混塔方案不仅可以节约道路加宽改造、沿线桥涵加固、沿线电杆广告牌等障碍物拆改的直接费用，还可以节约占地补偿、林业补偿、复垦复绿补偿、拆改补偿等间接费用，同时节约建设投资中的工程费用与工程建设其他费用。

表1 圆曲线最小半径 单位：m

表2 全钢塔方案某风机厂家推荐道路加宽值 单位：m

2 应用案例

2.1 项目概述

该风电场项目位于湖北省中部，场地高程31～108m，地势平坦开阔。项目地点以第四系全新统冲积（Q4al）粉土、粉细砂、卵石、粉质黏土为主，表层分布有厚度不均的人工填土。项目所在地多年平均降水量超1100mm，场地区内水系发达，部分风机位于河滩附近，存在近3m淹没深度。总装机容量为80MW，安装32台单机容量为2.5MW低风速风力发电机组，风机轮毂高度为140m。

2.2 塔筒参数

项目所在地水系发达，部分风机位于河滩附近，存在近3m淹没深度，塔筒选型及设计时需重点考虑防水防腐蚀问题。项目所在地属于高切变地区，考虑目前主流方案可行性及成本与收益，120m及以上风力发电机组采用预制混凝土塔筒具有一定成本优势，最终采用140m高的混塔方案。

该项目140m塔筒由混凝土塔筒90.6m、1.5m过渡段及45.4m钢塔筒组成。混凝土预制段长度为90.6m，共计30段，每3m为一段（首段3.6m），前29段为4个管片拼接而成，单个管片重6.45～16.75t，单个整环重25.79～67.01t，底部外径为4.86～8.43m；第30段为整环筒段，整环重25.11t，底部外径为4.74m。过渡段8.7t，尺寸为φ4.60m×1.50m。钢塔段总长度为45.4m，分为2段，自下向上长度分别为22.5m、23m，重量分别为43t、37t。混凝土管片、过渡段、钢塔段重量及主尺寸如表3所示，全钢塔筒重量及主尺寸如表4所示。

表3 混凝土管片、过渡段、钢塔段重量及主尺寸

表4 全钢塔筒重量及主尺寸

2.3 实施难点

全钢塔筒方案塔筒分为6段，单段长度为14.19～29.87m，单段重38.9～73.7t，共计需运输及起吊6次。而该项目塔筒包括116个管片、1个混凝土整环、1个过渡段、2段钢塔筒。运输车辆可一次托运4个管片或1个混凝土整环，共计需运输起吊约33次。因此，采用预制混凝土塔筒方案明显增加了运输车次，增加了交通疏导时间，同时风场检修道路经重载车辆反复碾压路面易受到损坏，给现场管理带来了一定难度。另外，混塔、过渡段每天可吊装5～8段，吊装混凝土段30段及过渡段1段约需5～6d；钢绞线张拉需4d；钢塔2段、发电机仓、叶片安装约需3d，吊装单台约需12～13d有效工作日。全钢塔筒风机吊装，钢塔6段约需2d，发电机仓、叶片安装约需2d，吊装单台约需4d有效工作日。混塔的吊装时间约为全钢塔筒的3倍，增加了主吊等特种设备的租赁费用。针对以上问题，可采取优化运输策划、合理组织施工工序搭接等方法，部分困难路段铺设钢板等临时措施减小路面受到的重载车辆碾压破坏，以减少不利影响[5]。

3 结束语

文章以某实际工程为例，较为全面地比较了预应力钢筋混凝土风力发电塔筒在应用中的优缺点，虽然存在吊装周期较长、交通运输协调难度较大等问题，但预应力钢筋混凝土风力发电塔筒符合单机大容量的市场发展趋势，适用于低风速区域的风电建设，符合电力消纳政策，可降低场外道路运输难度，减小场内道路改扩建、新建路段的工程量，具有一定优势，是未来陆上风电的发展趋势，能为后续的风电建设工程提供有益的参考。