嘉斯壮裘科一:构架式预应力钢管风塔关键技术

　　2020年10月14日-16日，2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一，这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会，再次登陆北京，本届大会以“引领绿色复苏，构筑更好未来”为主题，聚焦中国能源革命的未来。能见App全程直播本次大会。

　　

　　在15日下午召开的关键部件技术创新分论坛上，嘉斯壮能源科技有限公司研发中心主任裘科一发表《构架式预应力钢管风塔关键技术》主题演讲。

　　以下为发言实录：裘科一：各位领导专家同仁下午好，非常荣幸站在这里代表青岛华斯壮能源科技有限公司和同济大学建筑设计研究院来做这次报告，介绍构架式运力钢管风塔的关键技术，我将从以下三方面来做这次报告，首先介绍一下研究背景，然后是介绍一下构架式预应力钢管风塔的关键技术，最后说一下它的优点与特征，构架式预应力钢管风塔的优点并不是只有这一种风塔的技术好，其他风塔技术不好，不是这样的，所有技术都有它的适用范围，我们这些技术人员在适用范围之内，去挖掘技术本身应该有的优势，我国三北地区电网调风能力严重不足，导致三北地区的弃风限电也是由来已久，而中东部地区风资源相对匮乏，以往认为这片区域不具备风电开发的条件，但是这块区域恰巧是电力需求特别高，风电可以在当地就近消纳，风场布局由三北地区向中东部地区转移，可以有效的缓解我国电力消纳方面的矛盾，而在低风速高切片地区，提升风塔的轮毂高度，可以有效的提高机组发电效率，提高年发电小时数，来增加风场的收益，使原本不具备风电开发条件的大片中东不地区可以实现风场的经济性开发。

　　

　　那么在一定高度一定轮毂高度的范围内，事实上传统的单管钢塔筒非常是优秀的结构，它材料均匀分布在四周高效提供强度稳定和钢度。随着轮毂高度的上升，底部弯距攀升，对于这种结构，最高效的解决方法，应对方法，增大底部的直径，但是直径超过4米5，难以实现陆地运输，而且塔筒直径如果做得过大不稳定方面要求也会限制材料的发挥，增大塔筒壁厚当然也是一种可行的方法，研究成果这是一种不太经济的方法。钢管是钢塔的结构，再加上比较柔的结构特性，导致它发生各种各样的共振，然后这些共振目前是依靠控制系统和减振系统控制和调节。

　　

　　在这样的背景之下，出现了刚性高峰塔的方案目前刚性高风塔，大多数混合塔方案，组合塔，目前主要在研究钢塔筒混合土组合结构，这种方案的特点也是相当明显它钢度大，混凝土结构有一些自身的属性，注定它施工过程周期比较长，工业化程度相比于钢结构也比较低。角钢构架风电塔方案，是另外一种刚性高风塔的方案，用构架塔代替了筒装塔的结构，来提高塔身的效率，另一方面塔架所有的截点都采用都采用高强螺栓，摩擦型连接，塔架部分无焊接，从而解决了截点的抗疲劳问题，缺点同样存在，缺点来自于角钢，大量的材料集中截面中心。我们提出了构架式运力钢管风塔，它的塔身是全钢结构，提升刚性风塔的工业化程度，另一方面塔身底部设置为构架，可以高效的提高结构刚度，为什么我一直说构架是效率非常高的结构，其实我们可以把塔身看成是一个钢脱子，把那些利用率不高，受力比较小或者基本上没有用的材料，把它全部掏空剩下这么一个骨架，所以它可以达到非常高的利用率，同时我们对塔柱施加压力提高抗疲劳性能，特点钢度大承载力高，工业化制造现场运输，现场拼装的构建都是比较小的构建，可以几个班组同时进行，不占用大型的电装机械，并且造价非常的低。

　　

　　这是整塔的组成下部采用构架式塔架，上部采用单管式塔筒，塔架和塔筒之间用过度段进行连接，结构特点简而言之主要有三点，第一是钢管、第二是构架式第三是应用力，钢管截面是非常优秀的截面形式，材料均匀的分布在截面的四周，整体稳定性很高，风何在体型系数相对小。可以实现材料在空间上的更优分布，基于密度法，结构优化，以最小的代价获取足够的强度、稳定和刚度。那么运力在这项技术里面，它的作用主要在两方面，第一方面抗疲劳，在运力的作用下，运用力降低了塔柱受压的状态，法兰颈部的应力幅上升，降低塔柱疲劳危险点应力比。疲劳寿命提高6倍。我们一般认为疲劳破坏，出现宏观裂纹之后，裂纹发展非常的迅速，导致局部构建，整个结构的失效，而在运力的作用下，就是橙色这条线，裂纹即使出现了，疲劳裂纹即使出现了，发展速度也非常非常慢，甚至在一定时间裂纹停止了发展，就是将疲劳的破坏，改善特殊的黏性破坏，在工程上的意义，检测发现补救争取大量的时间。结果分为两点，塔柱压力可降低法兰螺栓，从而提高螺栓的疲劳寿命，这两张图虚线没有运力，明显下降的更快。

　　

　　运力的另一方面作用在于免维护，免维护的基本原理在于右边这段文字，前面的第一点和第二点，运力改变了法兰，在其正常使用工况，处于受压的状态，见效服役期内螺纹微动磨损和塑性变形，螺栓可以终身免维护，降低运维人工成本。还是那句话，测是为了不测。这是160米风塔，今年9月份实现并网发电，目前我们做到了160m的高度，如果有需要的话完全可以挑战更高的高度，最后是优点与特征。分为四点安全性经济性节地性和适应性，安全性首先第一点构架式的塔架解决共振问题，同时避免了低空高切片区，运力解决了钢结构问题，避免了法兰螺栓，经济性方面，这是160米的工程量统计，尤其突出的是混凝土方量，上面是507个立方，当那个位置的地质条件不是很好，桩占去354立方，混凝土，整体是基础的大概三分之一。

　　

　　由于目前我们的首台实验塔刚并网，参考钢性高峰塔，相比于柔塔增加发电量，高效的结构可以减少直接投资，而散件运输可以减少物流成本，根据成本部门的估算，综合成本相对于现行技术降低10%30%，螺栓免维护岗地业主的运维成本，这方面成本随着社会的发展而上升。

　　

　　节地性传统的整体式基础在风机运行之后下面是没办法利用的，它是一个密闭的空间，它的基础外露面积小于6个平方。构架是运力钢管塔，建立更高的风塔。由于下面非常简单什么都没有，所以可以挂沟渠河流建设，在南方，甚至用做30到70米水深。我的报告就到这里谢谢大家。

　　

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