剛柔相濟·唯穩制勝——運達風電柔塔助力新高度

 

　　隨著風電技術的發展，我國陸上風電重心從高風速區域轉向低風速區域，全國可利用的低風速資源面積約占風能資源區的68%，且均接近電網負荷的受端地區，如江蘇、安徽、河南、山東、湖北、河北等低風速區域均有豐富的高切變風資源。高效地開發利用這類低風速、高切變風資源是行業面臨的機遇和挑戰。

　　

　　在高切變風速下，高度增加，風速顯著提升。因此會自然而然地想到提升塔筒的高度，將葉輪托舉到風速更高的區域，從而提升發電量。然而，按照傳統鋼塔的設計和工藝,塔高超過100米后，塔筒重量會出現指數型增加，風速提升的發電量已經不足以彌補塔架增高的成本，增高塔架一舉變得毫無意義。

　　

　　

　　兩種思路：第一種，用混凝土替代一部分鋼材料，這就是混塔，下部是混凝土段，上部是鋼塔段。混塔可以看作是提升了基礎高度的傳統鋼塔，因此它和傳統鋼塔一樣可以適應各種復雜工況，缺點是施工難度大，現有風場周邊配套件少，成本較高。第二種，純鋼塔，保持塔筒經濟性壁厚，配合新的控制策略，這就是柔塔。柔塔相對混塔，風場適應性較差，控制技術難度更高，但在安全可靠的前提下，經濟效益更好。

　　

　　

　　◆ 全鋼柔塔重量輕，隨著塔筒的增高，成本不會增加太多。例如高120米的全鋼塔筒，按照傳統設計方法，塔筒重量可達410噸左右，而運達股份的柔塔設計重量在260噸左右，重量減少近36%。相對于傳統設計方法，成本大大降低。

　　

　　◆ 全鋼柔塔的材料、工藝、運輸、吊裝和傳統鋼塔并無實質區別：標準健全，設計過程高效；供應鏈成熟，制造周期短；一臺風機3~4天吊裝完成，吊裝工期短、成本低；拆解方便，生命周期結束后的后續工作簡單。

　　

　　

　　柔塔優勢明顯，但是正如硬幣的兩面性，柔塔自身的特性使得它必須應對共振與渦激的挑戰。

　　

　　柔塔增加高度以捕獲更多風能，減薄壁厚以降低成本，另一方面正由于高度增加和壁厚減薄導致柔塔的自身固有頻率下降，會與1P(葉輪轉頻)產生交點,如果長期運行于該轉速下，激勵頻率與固有頻率產生共振，會極大降低塔架與整機各部件的壽命。

　　柔塔需要解決的另一個技術難點是渦激振動。渦激振動簡單的說就是流體流經非流線型物體時，將在物體兩側交替產生脫落其表面的旋渦，流體旋渦在彈性柱體表面產生的脈動壓力與柱體本身彈性形變耦合振動，相互影響。當風流經圓柱形塔架的旋渦脫落頻率與塔架固有頻率相近時，則會引起塔架渦激共振。

　　對于柔塔這種高聳的圓錐體結構，共振和渦激振動得不到及時解決，將造成支撐結構失效，導致災難性后果。因此柔塔并不是簡單地提高塔架高度，而是通過一系列先進的技術手段直面高塔的新挑戰。

　　

　　

　　綜合抑振控制策略效果驗證

　　

　　為解決柔塔的塔架共振問題，運達股份以安全與發電量為著力點，在長時間的探索與研發基礎上，與DNV GL合作開發了柔塔控制策略。放棄損失發電量的傳統單一動態穿越策略，研發了快速穿越共振轉速、塔架主動阻尼、動態推力削減、變槳增益自適應等先進控制技術來滿足柔性塔架的強度要求并合理地避開共振點。同時酌情考慮采用擺錘或水箱等方式對塔架進行加阻，進一步削弱機組的塔架共振現象。為安全起見，將動態穿越作為防止塔架振動的保護策略。通過不斷優化控制策略，在保證安全的基礎上，將發電量損失降到最低。

　　運達股份已在河北張北、遼寧鐵嶺、河南濮陽、山東曹縣、山東單縣、山東武城縣等地成功吊裝140米柔塔項目，并對快速穿越過程中的載荷以及控制參數等進行了測試，通過與仿真結果的對比，一致性較好，驗證了綜合抑振控制策略的有效性。

　　

　　柔塔的渦激振動中影響最大的是一階與二階渦激振動。一階渦激振動發生在較低的風速下，主要影響吊裝過程。運達股份研發團隊在設計過程中，從細節入手，對每節塔筒的吊裝過程進行模擬計算，分別得到其渦激頻率、疲勞壽命以及極限載荷等參數，進而采取加裝擾流條或可拆卸塔架阻尼器等相應措施減少渦激影響以滿足整機安全吊裝與運行要求。

　　

　　柔塔的二階渦激振動往往發生在20m/s以上的風速下。雖然在低風速區，二階渦激振動的頻率很低，但是從安全角度出發，不容忽視。運達股份通過在二階最大位移處增加TMD阻尼器來提高二階振動的阻尼，進而降低渦激帶來的疲勞損傷與極限載荷。

　　

　　通過在樣機上安裝TMD質量阻尼器來提高二階阻尼，以塔架二階最大位移處的加速度作為對比參數，測試發現安裝阻尼器后減震率達60%以上。

　　隨著低風速風電開發的持續深入，柔塔也將迎來更為廣闊的應用前景。作為能顯著提升風電機組經濟效益的高塔技術的柔塔，在增加塔架高度的同時，還需要機組控制策略、運輸、安裝、施工等一系列核心技術手段來解決塔架增高帶來的新挑戰。運達股份積極開展風電新技術的研究，以可靠性和安全性為前提，加大技術創新，推動我國風電產業持續健康的發展。