2023年1月17日，中國混凝土與水泥制品協(xié)會組織召開了由北京天杉高科風電科技有限責任公司（以下簡稱“北京天杉”）、中廣核風電有限公司完成的“160m級預制混凝土-鋼混合塔架成套關鍵技術研究與應用”線上科技成果鑒定會（視頻）。鑒定委員會專家們認為，該項目成果促進了國內低風速高切變地域風力資源的高效利用，對160m級預制混凝土-鋼混合塔架的設計、生產、施工和驗收具有重要參考價值，應用前景廣闊。

一、立項背景

從2017年全國風電市場進入高塔架市場以來，風電行業(yè)對高塔架風電機組的要求越來越多。在2017年~2019年120/140m鋼混塔架平臺化設計，即在同輪轂高度（如100/120/140m）的基礎上，我國風電塔架基本實現了115/121-2MW、131-2.XMW、121-2.5MW、140-2.5MW及140-3MWs等不同機型的匹配，滿足了該階段下機組產品規(guī)劃下對于塔架高度、強度的需求。

進入2020年以來，隨著國家十四五規(guī)劃對風電的發(fā)展提出了新的需求，140m及以上高度的塔架需求越來越多。對于東部和中部，大部分地區(qū)為低風速、高切變區(qū)域，抬高風機輪轂高度能夠顯著提升風速，提高收益率；對于晉北、冀北、遼寧、吉林、黑龍江等地區(qū)，屬于高風速、高切變區(qū)域，這些區(qū)域風資源條件好，風速高，同時風切變大，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以上超高塔架應用前景廣闊。

二、研究內容

本項目技術路線圖

超高塔架整機振動控制

2020年國內市場實施風電項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。市場暫無140m以上塔架高度批量項目應用經驗。本技術依托國電橫罡白橋項目，通過在設計階段進行整機穩(wěn)定性分析、塔架結構強度分析，并充分考慮吊裝階段塔架振動、渦激及機組共振問題，最終實現完成1臺155m鋼混塔架樣機安裝，并持續(xù)保障項目安全。

在155m高混凝土-鋼混合塔架開發(fā)過程中，首先展開對超高塔架整機振動控制問題的研究。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-鋼混合塔架需能夠將高塔的頻率控制在半剛性塔架（塔架一階頻率在葉輪運轉的1P~3P之間）范圍內，避免塔架的二階頻率與葉輪運轉的6P存在共振點的可能。

塔架頻率與葉輪頻率間的關系

為滿足頻率的需求，通過對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度等級）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于二階頻率和6P之間的關系，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系，為以后的工程項目提供完整的理論依據。

混塔高度和頻率的關系

混凝土塔架節(jié)段分片

國電恒罡白橋100MW風電項目和甘肅瓜州安北第二風電場C區(qū)200MW工程項目，混凝土塔架段采用傳統(tǒng)4~6分片設計，為保證拼裝的精度和效率，需要配備拼裝平臺來進行安裝，對作業(yè)工具、安裝精度要求高，現場作業(yè)時間長。在本項目中在滿足運輸條件的情況下，采用2分片或不分片的方式。

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，工序復雜，施工周期長。干式連接采用螺栓緊固的方式對塔筒節(jié)段片進行連接，通過對齊螺栓孔，安裝螺栓，施加預緊力，完成螺栓預緊力緊固后即可吊裝，實現了即拼即吊的方式，可明顯節(jié)約了吊裝工期。

項目組設計了多種干式連接方案，通過有限元軟件進行整體建模，對干式連接的混凝土最大主應力（極限荷載）、混凝土最小主應力（極限荷載）、鋼絞線Mises應力分布、抗彎剛度、抗扭剛度、螺栓應力，進行了全面的模擬分析，最終設計直螺栓的干式連接方案，在保證連接質量的前提下，可大幅度節(jié)省工期，降低成本。

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，同時減少分片與不分片之間的轉換對模具帶來的不便性，項目組開發(fā)了全新解決方案，設計完成了可定制的端模，在需要分片時，將端模通過上下部的緊固裝置以及內外模的夾持固定在模板內部，澆筑后的預制構件變成兩個半環(huán)，滿足干式豎封要求的兩個半環(huán)之間1mm的間隙；在不需要分片時，可通過去除緊固裝置的方式來取下端模，即可預制整環(huán)構件，操作簡單，節(jié)省模板和灌漿料，實現了分片和不分片兩種預制方案的高效轉換。

干法連接1mm端模

體外預應力技術

傳統(tǒng)混凝土塔筒采用體內預應力，預應力索從預制塔筒壁內預留的孔道穿過，張拉錨固于基礎底部和混凝土塔筒頂部。體外預應力錨固技術能在不影響原有結構的前提下，達到有效的提載強化效果，設計靈活、施工快捷?；炷了差A應力采用體外技術，將原有塔筒壁厚由350~400mm減少至250~300mm，大幅度減少構件造價；將塔筒基礎內預應力孔道從預留的預制混凝土塔筒筒片的凹槽中移至外側，有效避免孔道進水對預應力錨固造成的破壞；塔身無預留孔道，在座漿施工時，不需要堵孔作業(yè)，可以減少堵孔材料和堵孔作業(yè)時間，降低施工難度，減少施工工序，提高現場施工效率。

體外預應力索吊裝作業(yè)

三、關鍵技術和創(chuàng)新點

1. 研究開發(fā)了160m級預制混凝土-鋼混合塔架，形成了相應的設計、生產、施工及驗收成套關鍵技術。

2. 建立了160m級預制混凝土-鋼混合塔架的二階振動控制理論和方法，解決了160m級混合塔架二階振動控制問題，為低風速高切變地域風力資源的高效利用提供了技術支撐。

3. 開發(fā)了預制混凝土塔筒分片和整環(huán)通用模板體系，形成了預制混凝土塔筒制作關鍵技術及質量控制方法。

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

四、社會效益

該項目成果經北京鑒衡認證中心有限公司進行“GWIII鋼混式風力發(fā)電機組塔架（干式連接）”的檢測，符合國際及國家相關結構設計標準。該項目成果有效擴大了風電技術的使用范圍，在國電恒罡白橋155m樣機項目、中廣核蘭考廣興200MW風電項目、天潤新能天津市武清區(qū)河北屯鎮(zhèn)風電項目等多項工程中得到應用，每年可發(fā)電共計13.7億kWh，與相同發(fā)電量的常規(guī)煤電機組相比，每年可節(jié)約標煤56萬t，減少CO2、SO2和煙塵排放。本項目提高了預制混凝土-鋼混合塔架的科技水平，促進了風電項目在當地的經濟發(fā)展。

中廣核河南蘭考廣興200MW風電項目

五、總結

該項目成果已獲授權發(fā)明專利1項，授權實用新型專利6項，制訂能源行業(yè)標準2項、企業(yè)產品標準2項，形成了具有自主知識產權的成套關鍵技術體系。該項目成果促進了國內低風速高切變地域風力資源的高效利用，對160m級預制混凝土-鋼混合塔架的設計、生產、施工和驗收具有重要參考價值，應用前景廣闊。