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項(xiàng)目介紹
160m級(jí)預(yù)制混凝土-鋼混合塔架成套關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用
時(shí)間:2023-02-14    來(lái)源:中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)    分享:
2023年1月17日,中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)組織召開(kāi)了由北京天杉高科風(fēng)電科技有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“北京天杉”)、中廣核風(fēng)電有限公司完成的“160m級(jí)預(yù)制混凝土-鋼混合塔架成套關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”線上科技成果鑒定會(huì)(視頻)。鑒定委員會(huì)專(zhuān)家們認(rèn)為,該項(xiàng)目成果促進(jìn)了國(guó)內(nèi)低風(fēng)速高切變地域風(fēng)力資源的高效利用,對(duì)160m級(jí)預(yù)制混凝土-鋼混合塔架的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和驗(yàn)收具有重要參考價(jià)值,應(yīng)用前景廣闊。

2023年1月17日,中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)組織召開(kāi)了由北京天杉高科風(fēng)電科技有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“北京天杉”)、中廣核風(fēng)電有限公司完成的“160m級(jí)預(yù)制混凝土-鋼混合塔架成套關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”線上科技成果鑒定會(huì)(視頻)。鑒定委員會(huì)專(zhuān)家們認(rèn)為,該項(xiàng)目成果促進(jìn)了國(guó)內(nèi)低風(fēng)速高切變地域風(fēng)力資源的高效利用,對(duì)160m級(jí)預(yù)制混凝土-鋼混合塔架的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和驗(yàn)收具有重要參考價(jià)值,應(yīng)用前景廣闊。

一、立項(xiàng)背景

從2017年全國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)進(jìn)入高塔架市場(chǎng)以來(lái),風(fēng)電行業(yè)對(duì)高塔架風(fēng)電機(jī)組的要求越來(lái)越多。在2017年~2019年120/140m鋼混塔架平臺(tái)化設(shè)計(jì),即在同輪轂高度(如100/120/140m)的基礎(chǔ)上,我國(guó)風(fēng)電塔架基本實(shí)現(xiàn)了115/121-2MW、131-2.XMW、121-2.5MW、140-2.5MW及140-3MWs等不同機(jī)型的匹配,滿足了該階段下機(jī)組產(chǎn)品規(guī)劃下對(duì)于塔架高度、強(qiáng)度的需求。

進(jìn)入2020年以來(lái),隨著國(guó)家十四五規(guī)劃對(duì)風(fēng)電的發(fā)展提出了新的需求,140m及以上高度的塔架需求越來(lái)越多。對(duì)于東部和中部,大部分地區(qū)為低風(fēng)速、高切變區(qū)域,抬高風(fēng)機(jī)輪轂高度能夠顯著提升風(fēng)速,提高收益率;對(duì)于晉北、冀北、遼寧、吉林、黑龍江等地區(qū),屬于高風(fēng)速、高切變區(qū)域,這些區(qū)域風(fēng)資源條件好,風(fēng)速高,同時(shí)風(fēng)切變大,抬高輪轂高度后能夠更大程度的提升后期收益。在這些區(qū)域,140m及以上高塔架甚至180m以上超高塔架應(yīng)用前景廣闊。

二、研究?jī)?nèi)容


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本項(xiàng)目技術(shù)路線圖


超高塔架整機(jī)振動(dòng)控制

2020年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)實(shí)施風(fēng)電項(xiàng)目高塔架方案主要以140m柔性塔架和140m混凝土-鋼混合塔架為主流。市場(chǎng)暫無(wú)140m以上塔架高度批量項(xiàng)目應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。本技術(shù)依托國(guó)電橫罡白橋項(xiàng)目,通過(guò)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行整機(jī)穩(wěn)定性分析、塔架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,并充分考慮吊裝階段塔架振動(dòng)、渦激及機(jī)組共振問(wèn)題,最終實(shí)現(xiàn)完成1臺(tái)155m鋼混塔架樣機(jī)安裝,并持續(xù)保障項(xiàng)目安全。

在155m高混凝土-鋼混合塔架開(kāi)發(fā)過(guò)程中,首先展開(kāi)對(duì)超高塔架整機(jī)振動(dòng)控制問(wèn)題的研究。在相同尺寸(塔筒直徑)的情況下,混凝土塔架截面的剛度約為鋼制塔架截面的剛度的2.3倍,混凝土-鋼混合塔架需能夠?qū)⒏咚念l率控制在半剛性塔架(塔架一階頻率在葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)的1P~3P之間)范圍內(nèi),避免塔架的二階頻率與葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)的6P存在共振點(diǎn)的可能。


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塔架頻率與葉輪頻率間的關(guān)系


為滿足頻率的需求,通過(guò)對(duì)塔架頻率的影響因素(包括地基剛度、混凝土段高度、混凝土段斜率、混凝土上端厚度、鋼塔段直徑和混凝土強(qiáng)度等級(jí))和極端體型(混凝土段做到極高或是極低的水平)的系統(tǒng)分析,獲得了高混塔各種情況對(duì)于二階頻率和6P之間的關(guān)系,探尋了塔架二階頻率的不同影響因素,建立了控制二階頻率和6P不發(fā)生共振的技術(shù)手段,確定了高混合塔架混凝土段和鋼段之間的完美比例關(guān)系,為以后的工程項(xiàng)目提供完整的理論依據(jù)。


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混塔高度和頻率的關(guān)系


混凝土塔架節(jié)段分片

國(guó)電恒罡白橋100MW風(fēng)電項(xiàng)目和甘肅瓜州安北第二風(fēng)電場(chǎng)C區(qū)200MW工程項(xiàng)目,混凝土塔架段采用傳統(tǒng)4~6分片設(shè)計(jì),為保證拼裝的精度和效率,需要配備拼裝平臺(tái)來(lái)進(jìn)行安裝,對(duì)作業(yè)工具、安裝精度要求高,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)。在本項(xiàng)目中在滿足運(yùn)輸條件的情況下,采用2分片或不分片的方式。


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兩片式混凝土-鋼混合塔架


塔筒節(jié)段分片干式連接

傳統(tǒng)塔筒階段分片采用濕法灌漿連接,工序復(fù)雜,施工周期長(zhǎng)。干式連接采用螺栓緊固的方式對(duì)塔筒節(jié)段片進(jìn)行連接,通過(guò)對(duì)齊螺栓孔,安裝螺栓,施加預(yù)緊力,完成螺栓預(yù)緊力緊固后即可吊裝,實(shí)現(xiàn)了即拼即吊的方式,可明顯節(jié)約了吊裝工期。

項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了多種干式連接方案,通過(guò)有限元軟件進(jìn)行整體建模,對(duì)干式連接的混凝土最大主應(yīng)力(極限荷載)、混凝土最小主應(yīng)力(極限荷載)、鋼絞線Mises應(yīng)力分布、抗彎剛度、抗扭剛度、螺栓應(yīng)力,進(jìn)行了全面的模擬分析,最終設(shè)計(jì)直螺栓的干式連接方案,在保證連接質(zhì)量的前提下,可大幅度節(jié)省工期,降低成本。


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有限元分析模型


定制化端模

為滿足干式連接豎縫要求,節(jié)省材料,降低造價(jià),同時(shí)減少分片與不分片之間的轉(zhuǎn)換對(duì)模具帶來(lái)的不便性,項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)了全新解決方案,設(shè)計(jì)完成了可定制的端模,在需要分片時(shí),將端模通過(guò)上下部的緊固裝置以及內(nèi)外模的夾持固定在模板內(nèi)部,澆筑后的預(yù)制構(gòu)件變成兩個(gè)半環(huán),滿足干式豎封要求的兩個(gè)半環(huán)之間1mm的間隙;在不需要分片時(shí),可通過(guò)去除緊固裝置的方式來(lái)取下端模,即可預(yù)制整環(huán)構(gòu)件,操作簡(jiǎn)單,節(jié)省模板和灌漿料,實(shí)現(xiàn)了分片和不分片兩種預(yù)制方案的高效轉(zhuǎn)換。


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干法連接1mm端模


體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)

傳統(tǒng)混凝土塔筒采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力索從預(yù)制塔筒壁內(nèi)預(yù)留的孔道穿過(guò),張拉錨固于基礎(chǔ)底部和混凝土塔筒頂部。體外預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)能在不影響原有結(jié)構(gòu)的前提下,達(dá)到有效的提載強(qiáng)化效果,設(shè)計(jì)靈活、施工快捷。混凝土塔筒預(yù)應(yīng)力采用體外技術(shù),將原有塔筒壁厚由350~400mm減少至250~300mm,大幅度減少構(gòu)件造價(jià);將塔筒基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)應(yīng)力孔道從預(yù)留的預(yù)制混凝土塔筒筒片的凹槽中移至外側(cè),有效避免孔道進(jìn)水對(duì)預(yù)應(yīng)力錨固造成的破壞;塔身無(wú)預(yù)留孔道,在座漿施工時(shí),不需要堵孔作業(yè),可以減少堵孔材料和堵孔作業(yè)時(shí)間,降低施工難度,減少施工工序,提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率。


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體外預(yù)應(yīng)力索吊裝作業(yè)


三、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

1. 研究開(kāi)發(fā)了160m級(jí)預(yù)制混凝土-鋼混合塔架,形成了相應(yīng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工及驗(yàn)收成套關(guān)鍵技術(shù)。

2. 建立了160m級(jí)預(yù)制混凝土-鋼混合塔架的二階振動(dòng)控制理論和方法,解決了160m級(jí)混合塔架二階振動(dòng)控制問(wèn)題,為低風(fēng)速高切變地域風(fēng)力資源的高效利用提供了技術(shù)支撐。

3. 開(kāi)發(fā)了預(yù)制混凝土塔筒分片和整環(huán)通用模板體系,形成了預(yù)制混凝土塔筒制作關(guān)鍵技術(shù)及質(zhì)量控制方法。

4. 提出了預(yù)制混凝土塔筒分片豎向拼縫干式直螺栓連接技術(shù),提出了預(yù)制混凝土塔筒水平接縫坐漿連接技術(shù),形成了預(yù)制混凝土塔筒高效拼接技術(shù),提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量,降低了施工周期和施工成本。

四、社會(huì)效益

該項(xiàng)目成果經(jīng)北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司進(jìn)行“GWIII鋼混式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架(干式連接)”的檢測(cè),符合國(guó)際及國(guó)家相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目成果有效擴(kuò)大了風(fēng)電技術(shù)的使用范圍,在國(guó)電恒罡白橋155m樣機(jī)項(xiàng)目、中廣核蘭考廣興200MW風(fēng)電項(xiàng)目、天潤(rùn)新能天津市武清區(qū)河北屯鎮(zhèn)風(fēng)電項(xiàng)目等多項(xiàng)工程中得到應(yīng)用,每年可發(fā)電共計(jì)13.7億kWh,與相同發(fā)電量的常規(guī)煤電機(jī)組相比,每年可節(jié)約標(biāo)煤56萬(wàn)t,減少CO2、SO2和煙塵排放。本項(xiàng)目提高了預(yù)制混凝土-鋼混合塔架的科技水平,促進(jìn)了風(fēng)電項(xiàng)目在當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。


圖片 9.png

中廣核河南蘭考廣興200MW風(fēng)電項(xiàng)目


五、總結(jié)

該項(xiàng)目成果已獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng),授權(quán)實(shí)用新型專(zhuān)利6項(xiàng),制訂能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)、企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng),形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套關(guān)鍵技術(shù)體系。該項(xiàng)目成果促進(jìn)了國(guó)內(nèi)低風(fēng)速高切變地域風(fēng)力資源的高效利用,對(duì)160m級(jí)預(yù)制混凝土-鋼混合塔架的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和驗(yàn)收具有重要參考價(jià)值,應(yīng)用前景廣闊。


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