剛?cè)嵯酀?jì)·唯穩(wěn)制勝——柔塔助力新高度
隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，我國陸上風(fēng)電重心從高風(fēng)速區(qū)域轉(zhuǎn)向低風(fēng)速區(qū)域，全國可利用的低風(fēng)速資源面積約占風(fēng)能資源區(qū)的68%，且均接近電網(wǎng)負(fù)荷的受端地區(qū)，如江蘇、安徽、河南、山東、湖北、河北等低風(fēng)速區(qū)域均有豐富的高切變風(fēng)資源。高效地開發(fā)利用這類低風(fēng)速、高切變風(fēng)資源是行業(yè)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
低風(fēng)速高切變風(fēng)區(qū)——柔塔顯優(yōu)勢
在高切變風(fēng)速下，高度增加，風(fēng)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(fēng)速更高的區(qū)域，從而提升發(fā)電量。然而，按照傳統(tǒng)鋼塔的設(shè)計和工藝,塔高超過100米后，塔筒重量會出現(xiàn)指數(shù)型增加，風(fēng)速提升的發(fā)電量已經(jīng)不足以彌補(bǔ)塔架增高的成本，增高塔架一舉變得毫無意義。
如何降低塔筒成本？
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?；焖梢钥醋魇翘嵘嘶A(chǔ)高度的傳統(tǒng)鋼塔，因此它和傳統(tǒng)鋼塔一樣可以適應(yīng)各種復(fù)雜工況，缺點(diǎn)是施工難度大，現(xiàn)有風(fēng)場周邊配套件少，成本較高。第二種，純鋼塔，保持塔筒經(jīng)濟(jì)性壁厚，配合新的控制策略，這就是柔塔。柔塔相對混塔，風(fēng)場適應(yīng)性較差，控制技術(shù)難度更高，但在安全可靠的前提下，經(jīng)濟(jì)效益更好。
柔塔相比傳統(tǒng)塔架和混塔，在100米以上的塔高具有自己獨(dú)特優(yōu)越性：
◆ 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(tǒng)設(shè)計方法，塔筒重量可達(dá)410噸左右，而運(yùn)達(dá)股份的柔塔設(shè)計重量在260噸左右，重量減少近36%。相對于傳統(tǒng)設(shè)計方法，成本大大降低。
◆ 全鋼柔塔的材料、工藝、運(yùn)輸、吊裝和傳統(tǒng)鋼塔并無實(shí)質(zhì)區(qū)別：標(biāo)準(zhǔn)健全，設(shè)計過程高效；供應(yīng)鏈成熟，制造周期短；一臺風(fēng)機(jī)3~4天吊裝完成，吊裝工期短、成本低；拆解方便，生命周期結(jié)束后的后續(xù)工作簡單。
共振與渦激——柔塔面臨的最大挑戰(zhàn)
柔塔優(yōu)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(yīng)對共振與渦激的挑戰(zhàn)。
柔塔增加高度以捕獲更多風(fēng)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(dǎo)致柔塔的自身固有頻率下降，會與1P(葉輪轉(zhuǎn)頻)產(chǎn)生交點(diǎn),如果長期運(yùn)行于該轉(zhuǎn)速下，激勵頻率與固有頻率產(chǎn)生共振，會極大降低塔架與整機(jī)各部件的壽命。
柔塔需要解決的另一個技術(shù)難點(diǎn)是渦激振動。渦激振動簡單的說就是流體流經(jīng)非流線型物體時，將在物體兩側(cè)交替產(chǎn)生脫落其表面的旋渦，流體旋渦在彈性柱體表面產(chǎn)生的脈動壓力與柱體本身彈性形變耦合振動，相互影響。當(dāng)風(fēng)流經(jīng)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(jié)構(gòu)，共振和渦激振動得不到及時解決，將造成支撐結(jié)構(gòu)失效，導(dǎo)致災(zāi)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(jìn)的技術(shù)手段直面高塔的新挑戰(zhàn)。
維穩(wěn)之道——多管齊下抑共振，加阻器械減渦激
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(yùn)達(dá)股份以安全與發(fā)電量為著力點(diǎn)，在長時間的探索與研發(fā)基礎(chǔ)上，與DNV GL合作開發(fā)了柔塔控制策略。放棄損失發(fā)電量的傳統(tǒng)單一動態(tài)穿越策略，研發(fā)了快速穿越共振轉(zhuǎn)速、塔架主動阻尼、動態(tài)推力削減、變槳增益自適應(yīng)等先進(jìn)控制技術(shù)來滿足柔性塔架的強(qiáng)度要求并合理地避開共振點(diǎn)。同時酌情考慮采用擺錘或水箱等方式對塔架進(jìn)行加阻，進(jìn)一步削弱機(jī)組的塔架共振現(xiàn)象。為安全起見，將動態(tài)穿越作為防止塔架振動的保護(hù)策略。通過不斷優(yōu)化控制策略，在保證安全的基礎(chǔ)上，將發(fā)電量損失降到最低。
運(yùn)達(dá)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(shù)等進(jìn)行了測試，通過與仿真結(jié)果的對比，一致性較好，驗證了綜合抑振控制策略的有效性。
TMD質(zhì)量阻尼器解決渦激振動效果驗證
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(fā)生在較低的風(fēng)速下，主要影響吊裝過程。運(yùn)達(dá)股份研發(fā)團(tuán)隊在設(shè)計過程中，從細(xì)節(jié)入手，對每節(jié)塔筒的吊裝過程進(jìn)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(shù)，進(jìn)而采取加裝擾流條或可拆卸塔架阻尼器等相應(yīng)措施減少渦激影響以滿足整機(jī)安全吊裝與運(yùn)行要求。
柔塔的二階渦激振動往往發(fā)生在20m/s以上的風(fēng)速下。雖然在低風(fēng)速區(qū)，二階渦激振動的頻率很低，但是從安全角度出發(fā)，不容忽視。運(yùn)達(dá)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(jìn)而降低渦激帶來的疲勞損傷與極限載荷。
通過在樣機(jī)上安裝TMD質(zhì)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(shù)，測試發(fā)現(xiàn)安裝阻尼器后減震率達(dá)60%以上。
隨著低風(fēng)速風(fēng)電開發(fā)的持續(xù)深入，柔塔也將迎來更為廣闊的應(yīng)用前景。作為能顯著提升風(fēng)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益的高塔技術(shù)的柔塔，在增加塔架高度的同時，還需要機(jī)組控制策略、運(yùn)輸、安裝、施工等一系列核心技術(shù)手段來解決塔架增高帶來的新挑戰(zhàn)。運(yùn)達(dá)股份積極開展風(fēng)電新技術(shù)的研究，以可靠性和安全性為前提，加大技術(shù)創(chuàng)新，推動我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展。
