风电塔架及其安全性与经济性

塔架是风力发电机组的支撑部件，承受机组的重量、风载荷以及运行中产生的各种动载荷，并将这些载荷传递到基础。大型并网风力发电机组塔架高度一般超过几十米，甚至超过百米，重量约占整个机组重量的一半，成本占风力发电机组制造成本的15%～20%。由于风电机组的主要部件全部安装在塔架顶端，因此塔架一旦发生倾倒垮塌，往往造成整个机组报废。因此塔架和基础对整个风电机组的安全性和经济性具有重要影响。

4.2.12.1 塔架的分类

从结构上分，塔架有无拉索的和有拉索两种；按形状分，有圆筒型和桁架型两种；如图4-54所示。

1.拉索式塔架

如图4-54（a）所示，拉索式塔架是单管或桁架与拉索的组合，采用钢制单管或角铁焊接的桁架支撑在较小的中心地基上，承受风力发电系统在塔顶以上各部件的气体及质量载荷，同时通过数根钢索固定在离散地基上，由每根钢索设置螺栓进行调节，保持整个风力发电机组对地基的垂直度，使机组能稳定可靠地运行。

这种组合塔架设计简单，制造费用较低，适用于中、小型风力发电机组。

2.桁架式塔架

图4-54（b）、（c）所示为桁架式塔架，其中图4-54（b）所示桁架由三根钢管或角钢构成，结构与高压线塔架相似。图4-54（c）所示桁架采用钢管或角铁焊接成截锥形桁架支撑在地基上，桁架的横截面多为正方形或者多边形。桁架的设计简单，制造费用较低，工作人员也可以沿着桁架立柱的脚手架爬至机舱，但其安全性较差。从总体布局来看，机舱与地面设施的连接电缆等均暴露在外，因而桁架的外观形象较差。桁架塔架的耗材少，便于运输；但需要连接的零部件多，现场施工周期较长，运行中还需要对连接部位进行定期检查。在早期小型风电机组中，较多采用这种类型塔架结构。随着高度的增大，这种塔架逐渐被钢筒塔架结构取代。但是，在一些高度超过100m的大型风电机组塔架中，桁架结构又重新受到重视。因为在相同的高度和刚度条件下，桁架结构比钢筒结构的材料用量少，而且桁架塔的构件尺寸小，便于运输。对于下风向布置的风电机组，为了减小塔架尾流的影响，也多采用桁架结构塔架。

图4-54　几种不同的塔架

3.钢制锥筒式塔架

图4-54（d）所示为钢制锥筒式塔架。采用强度和塑性较好的多段钢板进行滚压，对接焊成截锥式筒体，两端与法兰盘焊接而构成截锥塔筒。采用截锥塔筒可以直接将机场底座固定在塔顶，将塔梯、安全设施及电缆等不规则部件或系统布局都包容在筒体内部，并可以利用截锥塔筒的底部空间放置各种必要的控制及监测设备，因此采用锥塔筒的风力发电机组外观布局美观。

与桁架式塔架相比，迎风阻力较大，但在目前兆瓦级风力发电机组中广泛采用。

4.钢混组合塔架

图4-54（e）所示为钢混组合塔架。钢筋混凝土结构可以现场浇筑，也可以在工厂做成预制件，然后运到现场组装。钢筋混凝土塔架的主要特点是：刚度大，一阶弯曲固有频率远高于机组工作频率，因而可以有效避免塔架发生共振。早期的小容量机组中曾使用过这种结构。但是随着机组容量增加，塔架高度升高，钢混结构塔的制造难度和成本均相应增大，因此在大型机组中很少使用。

4.2.12.2 塔架结构

随着风电机组容量逐渐加大，塔架的高度、重量和直径相应增大。钢制塔架由塔筒、塔门、塔梯、电缆梯与电缆卷筒支架、平台、外梯、照明设备、安全与消防设备等组成。

大型兆瓦机组塔架高度超过100m，重量超过100t。高度超过30m的锥形钢筒塔，通常分成几段进行加工制造，然后运输到现场进行安装，用螺栓将各段塔筒连接成整体。每段长度一般不超过30m。图4-55所示为塔筒加工图。

图4-55　塔筒加工

塔筒通常采用宽度为2m、厚度为10～40mm的钢板，经过卷板机卷成筒状，然后焊接而成。当钢板厚度小于40mm时，可以采用常规卷板设备进行加工。而当厚度超过40mm时，常规卷板设备不能加工，需要特制的卷板设备。塔筒材料的选择依据环境条件而定，可以选用碳素结构钢Q235B、Q235C、Q235D，或高强度结构钢Q345B、Q345C、Q345D。连接法兰一般选用高强度钢。

1.塔筒(www.xing528.com)

塔筒是塔架的主体承力构件，为了吊装及运输的方便，一般将塔筒分成若干段，并在塔筒底部内、外侧设法兰盘，或单独在外侧设法兰盘采用螺栓与塔基相连，其余连接段的法兰盘为内翻形式，均采用螺栓进行连接。根据结构强度的要求，各段塔筒可以采用不同厚度的钢板。

由于风速的剪切效应影响，大气风速随地面高度的增高而增大，因此普遍希望增高机组的塔筒高度，但塔筒高度的增加使制造费用相应地增加，随之也带来技术及吊装上的难度。为此，需要从技术与经济角度进行综合性考虑，初选塔筒的最低高度为

式中 Htg——塔架最低高度，m；

R——风轮半径，m；

Hzg——接近机组的障碍物高度，m；

Az——风轮叶尖的最低点与障碍物顶部的距离，m，一般取Az≈1.5～2.0m。

塔架高度主要依据风轮直径确定，但还要考虑安装地点附近的障碍物情况，风力机功率收益与塔架费用提高的比值。

图4-56给出统计方法得出的塔架高度与风轮直径的关系。塔架增高，风速提高，风力机功率增加，但塔架费用也相应提高，运输和安装等也越来越困难。风轮直径减小，塔架的相对高度增加。从图4-56可以看出，直径20m以下的风轮，其塔架高度随风轮直径变化较大。这是因为小风力机受周围环境的影响较大，塔架相对高一些，可使它在风速较稳定的高度上运行；直径20m以上的风轮，其轮毂中心高与风轮直径的比应为1∶1。

图4-56　塔架高度随风轮直径增加的变化

随着风轮直径的增加，风力机的安装费用会有很大的提高，大型风力机更是如此。吊车要把100t的质量吊到60m高，不但操作困难，费用也必然会大大增加。安装费用增加的规律如图4-57所示，可以看出安装费用与风轮直径成指数关系增长。

图4-57　风轮直径与安装费用的比例

2.平台

塔架中设置若干平台，可用来安装相邻段塔筒、放置部分设备和便于维修内部设施，结构如图4-58所示。塔筒连接处平台距离法兰接触面1.1m左右，以方便螺栓安装。另外，还有一个基础平台，位置与塔门位置相关，平台是由若干个花纹钢板组成的圆板，圆板上有相应的电缆桥与塔梯通道，每个平台一般不少于三个吊板通过螺栓与塔壁对应固定座相连接，平台下面还设有支撑钢梁。

图4-58　平台剖面示意图

图4-59　机舱拉入塔架的电缆

3.电缆及其固定

电缆由机舱通过塔架到达相应的平台或拉出塔架之外，从机舱拉入塔架的电缆如图4-59所示。进入塔架后经过电缆卷筒与支架。电缆卷筒与支架位于塔架顶部，保证电缆有一定长度的自由旋转，同时承载相应部分的电缆重量。电缆通过支架随机舱旋转，达到解缆设定值后自动消除旋转，安装维护时应检查电缆与支架间隙，不应出现电缆擦伤。经过电缆卷筒与支架后，电缆由电缆梯固定并落下。