风电机组大型化发展及风机吊装设备选择

吴学松

(中国建筑科学研究院有限公司 建筑机械化研究分院，河北 廊坊 065000)

近年来，我国风电建设继续快速发展，2023 年上半年风电发电量同比增长20%。从蔚蓝大海到雪域高原再到乡村田园，一台台大型风机拔地而起，迎风旋转，为国家绿色能源注入新动能。

与风电建设快速发展同步的是，风机大型化持续推进。塔筒更高、叶轮更大、功率更大的风机纪录不断刷新。随着塔筒不断升高，对风机吊装设备带来新的挑战。

1 风电装机规模持续增长

在国家政策措施的推动下，经过多年发展，中国的风电产业从粗放式的数量扩张，向提高质量、降低成本的方向转变，中国风电产业进入稳定持续增长的新阶段，2022 年中国风电新增装机3 763 万kW，累计装机36 544万kW，同比增长11.2%。与此同时，发电量也在持续增长，2022 年中国风电发电量再创历史新高，突破7 600 亿kWh，风电工程投资额完成2 145 亿元。

2023 年前三季度，全国风电新增装机容量3 348万kW，其中陆上风电3 205 万kW，海上风电143万kW。从新增装机分布看，“三北”地区占全国新增装机的65%。截至2023 年9 月底，全国风电累计装机突破4 亿kW，同比增长15%，其中陆上风电3.68 亿kW，海上风电3 189 万kW。预计到2023年底我国风电装机容量将增至41 820 万kW（图1）。在“双碳”政策背景下，未来中国风电市场将继续保持增长趋势。预计到2025 年累计装机容量在6亿～6.2 亿kW 左右，到2027 年累计装机容量超过7 亿～8 亿kW。

图1 2017-2023年全国风电装机容量增长趋势

2 风机大型化持续推进

风机的平均容量近几年来一直保持稳定的增长态势，风机大型化持续推进，新增风机的功率和叶轮直径不断增大。传统的低风速风机已不能满足市场要求，更长叶轮直径、更高轮毂高度、更大功率风机成为降本增效的主要应对方式，大功率风电机组的研发进程正在加快，市场上大功率风电项目数量也逐渐增多。风机单机容量的增加，将有效提高风机的能源利用效率，降低度电成本，提升整个风电项目的投资回报率。

单台风机容量已由最初的0.75MW 逐步增大到8.xMW，风机高度也已由原来的60m 增加到160～180m，为适应风机高度的需要，主流风机塔筒形式也由单一的柔性钢塔逐渐演变为混凝土塔身+钢塔身的混塔结构。见图2、图3。

图2 国内新增风电机组平均单机容量

图3 各阶段主流风电机组大型化趋势

2023 北京国际风能大会暨展览会（CWP2023）上，共有12 家头部整机企业发布45 款新产品。金风科技发布新品数量最多，总计14 款；三一重能带来了目前全球叶轮直径（270m）最大的陆上风电机组。45 款新产品中，陆上风机29 款，海上风机16款；陆上风机中叶轮直径200m 以上26 款，叶轮直径220m 及以上21 款。

3 高塔筒混塔优势明显

风机大型化是大势所趋，与之相对应的是塔筒高度的提升。国内高风速地区的风电开发日趋饱和，中、低风速地区的风电开发进入快车道。我国中东部和平原地区风速较低，风切变却相对较大，在这类风场提高塔筒高度将会带来更高的发电量，高塔筒在低风速时代的趋势下已经成为刚性需求。风机塔架的高度从120m向140m、160m、170m乃至180m快速发展。

风机塔筒高度不断增加，传统的钢塔筒已经无法满足结构受力的要求，超过160m 的超高风电机组，采用混塔成为提升风机高度与保障机组可靠性的最佳选择。采用混凝土塔筒的风电机组特别适用于风切变较高的风场，在这类风场提高塔筒高度将会带来更高的发电量。

混塔机组塔架采用混凝土段+钢段的模块化设计，可根据项目需求灵活调整高度比例；混凝土段采用分片预制装配式，整环分2～4 片预制，可将C 型管片运输至机位拼装，亦可在预制厂拼装成整环后再运输至机位，突破道路运输限制；混塔机组吊装时，先采用小型起重机完成混凝土段吊装，继而采用主吊完成钢段、主机吊装，模块化吊装，满足项目需求。混塔机组塔架与基础通过预应力钢索连接，连接面处灌浆粘结、密封，保证混凝土材料整体性，防洪性能好。

2021 年6 月，国家电投河南鲁阳风电场——许继3.6MW/155 混塔机组（当时国内最高170m陆上风电机组），塔筒上部钢塔筒，下部是3 节层层嵌套的多边形混凝土结构。

2021 年7 月，中广核兰考风场项目首台机组顺利完成吊装（图4），本项目为国内首批150m 及以上超高混塔机组项目，采用运达股份WD156-3300 机组。其采用混凝土段+钢段的模块化设计，实现模块化吊装。混塔机组混凝土段刚性大，钢段亦是刚性设计，不存在共振区域，无涡激振动风险。

图4 中广核兰考风场项目首台机组吊装

2023 年5 月，明阳智能河南罗山风力发电项目完成首台170m 钢混塔风电机组吊装。罗山风力发电项目选用明阳智能MySE6.25-193/170 机型，搭配明阳智能自主研发设计的170m 超高钢混塔架，其中混塔段采用高精度预制结构。

2023 年10 月，位于江苏的巨石涟水233MW 风电项目首台WD200-5000 机组完成现场吊装，风机采用风领新能源最新研发的UHPC150 塔筒，该款机组塔筒高达180m，其中混凝土塔筒段高157.4m，由40 节段预制混凝土塔筒和两次变径过渡节段组成（一个节段塔筒重约80t，变径节段100t），安装后用壁内预应力钢绞线张拉连成一体，上部钢塔筒段高20m。相较于传统塔筒，UHPC材料拥有出色的强度、韧性和耐用性，塔筒的稳定性和安全性显著提高。

4 风机吊装设备选择

风机吊装起重机的选择非常重要，直接关系到施工安全、成本和工期。随着大功率、长叶片、高塔筒风机的大力推广，带动了风机起重吊装机械的大型化趋势。履带起重机目前仍为风机安装中的占比最高的机械，但在部分山地风场履带起重机也不完全具有优势，组装困难，临时征地范围大，空中组杆风险高，部分山地风场将会选用汽车起重机或塔机。

风机轮毂的高度及其重量的不断增加，以往的汽车起重机和履带起重机的吊装方式，因其占地面积大、起升高度和起重量受限、转场慢、效率低等弊端，在超高塔筒、超长叶片吊装时存在一定风险，并且吊装成本高，已经无法满足国内风电大型化发展的需求。

随着吊装高度增加，履带起重机高空起重性能衰减严重，即使大型履带起重机也难以胜任高度180m 以上的风机吊装，而占地面积小、起升高度高、安装快捷的动臂塔机体现出明显优势。相同起重能力的履带起重机与动臂塔机相比，履带起重机对作业平台面积要求是风电动臂塔机的近3 倍，起重臂组装平台面积为2.5 倍以上；风电动臂塔机的抗风能力优于履带起重机；风电动臂塔机运输车辆数量少于履带起重机，履带起重机进出场时间是风电动臂塔机的近2 倍；单台风电机组吊装费用动臂塔机更低。

巨石涟水233MW 风电项目首台风电机组于2023 年10 月27 日安装完成。该风电机组轮毂中心高度180m，叶轮直径达200m。安装单位在反复比较市场上几大知名品牌的履带起重机、全地面起重机、动臂塔机性能参数后，最终选定永茂STF3080动臂塔机完成这一高难度的吊装任务。10 月27 日，在首台风电机组安装现场，永茂STF3080 动臂塔机将最后一个叶片稳稳吊起，仅13min 就将叶片吊装到位并与主机在180m 高空实现精准对接（图5）。首台风电机组的塔筒组装、机舱（142t）吊装、轮毂（57t）吊装也使用该塔机逐一完成（图6）。

图5 巨石涟水233MW风电项目首台风机安装完成

图6 永茂STF3080塔机完成风机电机组142t 机舱吊装

永茂STF3080 风电塔机独立高度为200m，最大起重量为200t，吊装过程无须附着，对比全地面汽车起重机和履带式起重机，在高度、吊重、稳定性和安全性及施工场地适应上，都有较大的优势，是未来风电行业向高度更高、容量更大发展的安全保障。永茂STF3080 动臂塔机及STF3280 动臂塔机（本期封面广告）的出现，满足了国内陆上200m 高度风电机组安装，为风电主机厂研发更大的陆上风电机组创造了条件。

5 结语

如今，作为国内碳达峰、碳中和的优势主导产业之一，风力发电将在中国的能源产业中发挥越来越大的作用。风电设备制造正朝着“更高、更重、更大”大型化方向发展，特别是我国中东部和平原地区风能资源丰富且区域广大，但风速低，风资源较差，只能设计安装更高的风机，塔筒高度的提升，能显著提高发电量，增加风场收益，未来风电应用值得期待。而起升重量更大、起升高度更高、重载转场更高效、技术保障更安全的大型起重机械，则成为我国风电产业快速发展的必要保障。