中车株洲所宋力兵：柔性高塔技术设计与应用

9月19日，由中国可再生能源学会风能专业委员会主办，中车株洲电力机车研究所有限公司承办，金风科技、远景能源、明阳智慧能源、海装风电、施耐德电气协办的“2019第三届中国风电设备质量与可靠性论坛”在株洲召开。

中车株洲所风电塔筒主任设计师出席大会并发表了题为《柔性高塔技术设计与应用》的主旨演讲。以下为发言全文：

宋力兵：各位领导，各位嘉宾，大家下午好，非常荣幸有这个机会来跟大家分享一下中车株洲所《柔性高塔的应用和设计》情况，大家都知道，高塔这个应用越来越广，当然也是对安全性和可靠性要求越来越高，所以我在这里结合我们在设计和应用过程中的一些经验，跟大家来共享一下，也是希望大家多给点建议，谢谢。

我汇报的内容分三个部分，第一个部分是高塔技术的介绍，这两年针对河南、江苏、山东，以及安徽或者湖北的部分区域，在国内大家在积极的推广高塔，它有一个什么特点呢？在这个区域，就是它离电网比较近，它的电网适配性比较好，消纳比较好，另外这些属于平原地区，风比较小，但是他的特点就是风比较小，风切面很大，所以对于高塔来说，高度增加以后，它的能量增加更大一些，所以说大家在推动高塔应用。针对高塔，国内外已经在大量应用，像国外最高已经做到了178米，它有什么特点呢？现在高塔的特点就是说，在结构形式上，有柔性钢塔、混凝土还有钢混，另外材料方面，也是有一些突破，从混凝土、钢，还有一些其它新型塔架出来了，像那种宽架式的。

我大概介绍一下几种技术的对比，纯混凝土的钢度更好一些，耐腐蚀性更好，桁架式的话，运输比较方便，成本相对来说低一点点，柔性钢塔的话，运输安装比较方便，但是柔性钢塔也面临一些其它的问题，控制，包括震动的问题，还有钢混塔架，有一段混凝土的，有一段钢的，在钢度方面比较好，耐腐蚀性比较好，但是在成本方面、经济方面还是要综合评估。

综合这几种塔架形式，从风机基础建设到一些材料成本，包括吊装成本，还有运输成本，做了一个综合性的比较，从我们目前的认识来说的话，钢塔架可能是目前的主流，从它经济性方向来说也是最优的，当然不同的塔架有不同的应用环境，像桁架式、钢塔在滞洪区或者进水的区域应用更好一些，因为它耐腐蚀。但从我们目前来说，经过综合性来考虑我们还是选择柔性钢塔技术。

这是一个典型的风场，我们当时经过评估以后，从100米到120米做两款，一款是普通塔架，一款是高塔，通过对比来看，风量还可以提升400个小时，投资回收期也是满足客户的要求。

这里有一个对比表，是我们汇总的，主要是柔性钢塔和钢-混塔架的对比，从材料方面来说，钢塔主要是钢板和法兰，这个相对成本会高一点点，但具体数字只是预估。从运输成本来看，钢混塔会高一些，但是在投资现场，可以节约成本，建设周期来看，钢混塔要高一些，一般来说可能要一个月左右，柔性钢塔的话稍微低一些。从整机控制来说，钢-混塔不需要特别的处理，但是柔性钢塔需要控制特殊的处理。还有吊装工艺，柔性钢塔稍微简单一些，钢混塔复杂一些，另外柔性钢塔的话也要考虑绕流器的一些措施，这也是它的一些难点。

这是吊装的示意图，钢塔的可能就是五段或者六段，混塔的话可能是分段式的。

对于柔性高塔设计来说的话，我也做一下介绍，什么叫柔性钢塔，塔架的固有频率和风轮的EP有一个焦点，在这个焦点会引起一些共振，那么所以要想一些办法来避开共振点，这个共振点怎么来避开？各家有各家的技术，大体来说，我们叫动态穿越，各家可能实现的方式不一样。在共振点我们采取的是一个动态穿越、平行穿越，可以看到红色的是经过穿越以后的一个加速曲线，震动水平已经明显降下来了，黑色是不加控制的，除了平行穿越，还要再增加一些其它的控制方法，包括控制的跳转，控制的时间，都要加以控制，包括一些匹配性，包括一些控制保护。

另一个就是在基础这块的话，因为柔性高塔增加高度以后，达到11万或者12万的极限高度，经济性不好，安全性也不好，为了考虑风机的安全，我们应用了锚栓技术，它的整体性更好，没有什么薄弱环节，另外一个是锚栓埋的更深一些，对整体受力更好。

还有一个关键技术就是涡激振动，可能大家最近发现一些问题，一旦振动起来，这是很危险的，什么叫涡激共振，风吹过塔筒以后，在背面会形成两个反对称的漩涡，但漩涡的脱落频率，与塔的特质频率一致的时候，会引起共振，危害就是在吊装过程中引起共振的话，是无法吊装的，也会造成一些损伤。严重的话，可能会引起倒塔，业内已经出现过事故的。通过中车对柔性高塔的评估的话，我们在一阶和二阶都做了一些分析和研究，在调查过程中，对于光塔的话，可能几米的风速，会把这个塔给振起来，在安装完之后，在停机状态下。当然我这显示一个特定风速，在18米或者20多米，可能会把风机给振动起来。现在我们采取一些什么措施呢？在吊装过程中可能加扰流器、缆绳，在停机状态下，可能会采取一些加阻尼器来考虑这个问题。

涡机共振发生的条件是什么呢？当风的脱落频率接近塔的特征频率的时候，当然它的状态下可能是在吊装过程中，也可能在停机状态下，那个时候电网不带电。它的风速的话，可能各家的技术不一样，现在有很多家，风速可能在16米到25米不等，因为它也是个范围。但是通过某些风场我们也做了些统计，比如说这个风场，可能16米到25米，这个风频分布的概率很低，也就意味着涡机共振在某些区域发生的概率很低，但是低并不代表不会发生，一旦发生危害比较大，所以我们要采取一些工程办法。

涡机共振发生的条件，肯定跟塔的结构有关系，跟风速也有关系，跟风机的状态也有关系，所以它是一个耦合状态。对于塔的一阶共振的话，我们是才用加绕流器的方式来抑制它的共振，这是安装示意图，它的原理是通过安装扰流条以后，破坏风筒的风，打乱气流，来改善特征。

这是我们加上扰流条以后，力也减小了。但另一种办法，就是加涡流发生器，这也是比较新的应用，在国内刚刚起步，这个应用办法现在大家都在试用，在塔的外臂贴上涡流发生器，原理也是破坏气流的方式，使脱落涡发生改变。像我们在某些风场，我们做了一些样机，后续会加装大尺度的涡流发生器，来破坏涡流。

对于二阶的抑制来说的话，是加上液体阻尼器，来消耗能量，减小振动。当然阻尼器的大小，包括数量，这是要经过精细的计算和分析的，包括液体的液位，这是有很多考虑在里面。像这种应用在建筑上是有广泛应用的，高层建筑，包括各种塔，在国外八十年代已经提出这个理论了，但是在风机上，这个应用在国内大量的应用，也是刚起步。

最右边图是加装液体阻尼器的效果图，假装液体阻尼器之后，位移有适当减小，加速以后，我们可以去测算它的疲劳损伤，在实际工程应用中，考虑到特殊的共患，可能它的减振效果会更明显，现在只是检测到大风的状态下，它的减振效果。

最后一部分，是我们的应用情况，这是我们频率穿越的一个对比，在频率穿越范围内，我们做了一些分析和测试，测试出来的效果，跟我们实际仿真是比较吻合的，这是我们当时做论证的时候，做了一些测试，可以看到叶片的载荷、叶根的载荷，最大值、中间值和最小值，都是比较吻合的，包括载荷的数量集，跟仿真是比较吻合的。

这里讲到的是一个北斗高精度定位系统，因为塔的中部会有一些摆动比较大的情况，主要测量机舱的位移，就是塔顶的位移，它有什么特点呢？可以精确的定位，还可以实施追踪变形，当然也可以实测振动摆幅。可以看到我们数值，125米，140米可能位移更大一些，在发电状态下，最大的位移，现在实测180米左右。对于柔性高塔来说，为了保证安全性、可靠性，在螺栓方面我们做了一些监测，也是摆正对螺栓的预警产生一些影响，我们做了一些布控，包括塔筒。可以看到实测的曲线跟仿真的曲线是比较吻合的，不管是在额定工况下，还是其他的工况下都是比较一致的。

这是我们频率的曲线，左边是一阶和二阶的特征频率，右边是实测，二阶的话，稍微有一点偏差，所以二阶振动解决方案，还是有些意义的，在做液体阻尼器适配的时候，还是要进行一些综合性分析。

这是我们加了液体阻尼器之后的实测效果，左边是没加的实测效果，右边是加了以后的实测效果，可以看到振动明显有减小，16米左右，目前来说，还有一些数据在整理，在更大的风速下，是不是效果会更明显呢？或者在二阶的情况下，效果还会更好一些，谢谢大家。

（标题为编者所加，文字未经发言嘉宾本人审阅。）