為助力風電行業(yè)轉型發(fā)展，許繼集團有限公司針對我國東部地區(qū)風力資源普遍存在的“低風速、高切變”等特點，設計生產超高風電機組。
6月14日，在國家電投魯陽風電場，許繼集團有限公司生產的XW3600/155風電機組正在偏航驅動的牽引下緩緩旋轉，尋找最佳迎風角度。該機組投運半年來，實現(xiàn)零故障穩(wěn)定運行。
“這臺風電機組的輪轂高達170米，整機長度比一列復興號標準高鐵車組還要再長一節(jié)車廂。它刷新了全球最高的風力發(fā)電機組紀錄。”許繼集團所屬許繼風電科技公司總工程師程林志介紹說。
在助推新能源發(fā)展的道路上，許繼集團聚焦低風速地區(qū)風電發(fā)展，設計超高風電機組，創(chuàng)新應用混塔技術，持續(xù)為風電行業(yè)發(fā)展作貢獻。
設計超高風機助力風電行業(yè)發(fā)展
我國風資源開發(fā)多是優(yōu)先摘取“低垂的果實”，即重點開發(fā)新疆、內蒙古等地豐富的高風速風資源。而河南、浙江、山東等地區(qū)不易開發(fā)的低風速風資源如同“高枝的果實”。
我國碳達峰、碳中和目標提出后，能源清潔低碳發(fā)展步伐加快。隨著人們對風資源特性的認知層層深入，全國風資源可開發(fā)利用潛力不斷升級。“我國的低風速風資源其實是非常豐富的，覆蓋了全國總面積的68%。而高塔可以說是解決低風速風資源開發(fā)問題的關鍵技術。目前中東部平原風電場對此類風電機組的需求非常大。”程林志說。
超高風電機組就像是摘取“高枝果實”的梯子，有助于挖掘巨大的風電開發(fā)空間。而同時，風電行業(yè)發(fā)展進入擺脫補貼依賴的階段。要降低成本，最直接的就是在效率上下功夫，即在同等資源條件下提升風機效率和出力。面對這樣的機遇和挑戰(zhàn)，許繼集團提前部署，開展高塔機型的研究。
“客觀來講，風速是受地理環(huán)境因素影響的。山區(qū)風切變低，平原相對較高，就是因為日落后地表迅速降溫，大氣變?yōu)樯吓吕涞臓顟B(tài)。氣流主要是水平運動，因此會出現(xiàn)上層風速大、下層風速小的現(xiàn)象。”高塔機型項目負責人李成晨解釋道，“在山區(qū)，山體阻擋了氣流運動，本來平穩(wěn)的氣流被擾動，上下層間的風速差距減小了。因此，較高的風切變一般出現(xiàn)在平原地區(qū)，風速會隨著塔架高度提升，風機可利用小時數(shù)也會增加。此外，高空湍流小，葉片受力相對均勻，也有利于延長機組壽命。”
風電機組重達百噸，要想在高空穩(wěn)定運行，全靠塔筒支撐。傳統(tǒng)的鋼塔筒約占風電機組整體成本的大約兩成，其高度超過100米后，重量會以指數(shù)級增加，且很難規(guī)避共振問題。這就要求塔筒設計選型必須具備高強度和低成本兩項特征。
經(jīng)過對多類塔筒的制造周期、工藝標準、避震性能、共振頻率、結構剛度等數(shù)據(jù)的綜合考量，許繼集團最終選擇了更加安全、可靠、經(jīng)濟的混塔技術來為首臺170米風力發(fā)電機組筑牢根基。
應用混塔技術適應低風速電場需求
2020年12月，魯陽風電場170米超高機組塔架搭建完成。塔架上部采用傳統(tǒng)的鋼塔筒結構，下部是三節(jié)層層嵌套的多邊形混凝土結構。吊裝時，風輪中心高度為84米，無需大型起重機械即可完成吊裝。機組吊裝完成后，工作人員采用自提升裝置，將下部類似“魚竿”的混凝土結構一節(jié)一節(jié)地抽出，最終實現(xiàn)輪轂中心高度達到170米。
魯陽風電場是世界首例170米陸上現(xiàn)場澆筑施工的自提升式超高混塔項目。項目技術難度大、工藝復雜、生產精度高，很多生產模具都是第一次應用到風電塔筒建造中。“大到鋼材，小到螺栓，每一個零部件都需要極高的生產裝配精度。整個作業(yè)過程猶如‘鋼筋繡花’。”李成晨說，“堆砌的時候，底層若有一絲誤差，高空就會出現(xiàn)難以估量的問題。”
項目現(xiàn)場全員輪流值班，確保24小時不間斷施工。為保證夜間澆筑順利完成，工作人員常常通宵跟蹤混凝土澆筑。終于，魯陽風電場項目于2020年12月23日成功并網(wǎng)。
混塔風電機組可以就地安裝，倒運便捷，超過140米后的成本優(yōu)勢明顯，且應用了自提升技術，無需額外租用大噸位吊車吊裝，從而節(jié)約了施工成本。另外，塔筒無需維護、塔頂振幅小的特點，讓調試及維護效率得到提升。
相較于常規(guī)機組，混塔風電機組的發(fā)電量優(yōu)勢更加明顯。根據(jù)現(xiàn)場的運行數(shù)據(jù)測算，170米風力發(fā)電機組相比同地區(qū)常見的100米風力發(fā)電機組，平均發(fā)電量提升最高可達20%。即使是在同一個風場，170米機組較140米機組的發(fā)電量也有顯著提升。魯陽風電場140米高度風速5.16米/秒，170米高度風速5.45米/秒，相同的機組等效利用小時數(shù)增加了200小時，度電成本進一步下降。
推廣高塔風機持續(xù)助力碳減排
當前，整個行業(yè)對風機效率、性能和全生命周期度電成本提出了更高的要求，更大容量、更大葉輪、更高塔筒將成為陸上風機發(fā)展的方向。
許繼集團正著手研發(fā)風輪直徑160～180米的大容量系列機組，以度電成本最低為目標，持續(xù)降低建設成本；開展風電源網(wǎng)協(xié)調技術研究，以適應新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。在高塔方面，該集團將200米及更高塔筒作為發(fā)展方向，開啟了前瞻性研究。
在張北國家風光儲輸示范工程中，許繼集團就實現(xiàn)了自動調頻調壓技術、風電機組有功無功的在線可調技術、130%過電壓穿越（HVRT）、虛擬同步技術的研發(fā)應用。這些技術為新能源的友好并網(wǎng)鋪平了道路。許繼集團為河南封丘荊隆宮風電場提供了19臺葉輪直徑為131/146米的風力發(fā)電機組，并引入了輪轂中心高度140米的超高混塔風電機組，拉開了高塔風機推廣和應用的大幕。
截至2020年年底，許繼集團已在河南、河北、山西、內蒙古、青海、新疆、云南、遼寧等多個省份投運風電機組近1500余臺。這些風電機組平均每年發(fā)電60億千瓦時，可供約300萬戶家庭全年用電，相當于中和了200萬輛燃油汽車全年的碳排放。
許繼集團將繼續(xù)發(fā)揮優(yōu)勢，深挖潛能，加強技術研發(fā)，為我國中東部低風速區(qū)域的風電場發(fā)電機組選型提供更優(yōu)質的解決方案。
（許繼集團供圖）
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