2023年1月17日， 组织召开了由北京天杉高科风电科技有限责任公司（以下简称“北京天杉”）、中广核风电有限公司完成的“160m级预制混凝土-钢混合塔架成套关键技术研究与应用”线上科技成果鉴定会（视频）。鉴定委员会专家们认为，该项目成果促进了国内低风速高切变地域风力资源的高效利用，对160m级预制混凝土-钢混合塔架的设计、生产、施工和验收具有重要参考价值，应用前景广阔。

一、立项背景

从2017年全国风电市场进入高塔架市场以来，风电行业对高塔架风电机组的要求越来越多。在2017年~2019年120/140m钢混塔架平台化设计，即在同轮毂高度（如100/120/140m）的基础上，我国风电塔架基本实现了115/121-2MW、131-2.XMW、121-2.5MW、140-2.5MW及140-3MWs等不同机型的匹配，满足了该阶段下机组产品规划下对于塔架高度、强度的需求。

进入2020年以来，随着国家十四五规划对风电的发展提出了新的需求，140m及以上高度的塔架需求越来越多。对于东部和中部，大部分地区为低风速、高切变区域，抬高风机轮毂高度能够显著提升风速，提高收益率；对于晋北、冀北、辽宁、吉林、黑龙江等地区，属于高风速、高切变区域，这些区域风资源条件好，风速高，同时风切变大，抬高轮毂高度后能够更大程度的提升后期收益。在这些区域，140m及以上高塔架甚至180m以上超高塔架应用前景广阔。

二、研究内容

本项目技术路线图

超高塔架整机振动控制

2020年国内市场实施风电项目高塔架方案主要以140m柔性塔架和140m混凝土-钢混合塔架为主流。市场暂无140m以上塔架高度批量项目应用经验。本技术依托国电横罡白桥项目，通过在设计阶段进行整机稳定性分析、塔架结构强度分析，并充分考虑吊装阶段塔架振动、涡激及机组共振问题，最终实现完成1台155m钢混塔架样机安装，并持续保障项目安全。

在155m高混凝土-钢混合塔架开发过程中，首先展开对超高塔架整机振动控制问题的研究。在相同尺寸（塔筒直径）的情况下，混凝土塔架截面的刚度约为钢制塔架截面的刚度的2.3倍，混凝土-钢混合塔架需能够将高塔的频率控制在半刚性塔架（塔架一阶频率在叶轮运转的1P~3P之间）范围内，避免塔架的二阶频率与叶轮运转的6P存在共振点的可能。

塔架频率与叶轮频率间的关系

为满足频率的需求，通过对塔架频率的影响因素（包括地基刚度、混凝土段高度、混凝土段斜率、混凝土上端厚度、钢塔段直径和混凝土强度等级）和极端体型（混凝土段做到极高或是极低的水平）的系统分析，获得了高混塔各种情况对于二阶频率和6P之间的关系，探寻了塔架二阶频率的不同影响因素，建立了控制二阶频率和6P不发生共振的技术手段，确定了高混合塔架混凝土段和钢段之间的完美比例关系，为以后的工程项目提供完整的理论依据。

混塔高度和频率的关系

混凝土塔架节段分片

国电恒罡白桥100MW风电项目和甘肃瓜州安北第二风电场C区200MW工程项目，混凝土塔架段采用传统4~6分片设计，为保证拼装的精度和效率，需要配备拼装平台来进行安装，对作业工具、安装精度要求高，现场作业时间长。在本项目中在满足运输条件的情况下，采用2分片或不分片的方式。

两片式混凝土-钢混合塔架

塔筒节段分片干式连接

传统塔筒阶段分片采用湿法灌浆连接，工序复杂，施工周期长。干式连接采用螺栓紧固的方式对塔筒节段片进行连接，通过对齐螺栓孔，安装螺栓，施加预紧力，完成螺栓预紧力紧固后即可吊装，实现了即拼即吊的方式，可明显节约了吊装工期。

项目组设计了多种干式连接方案，通过有限元软件进行整体建模，对干式连接的混凝土最大主应力（极限荷载）、混凝土最小主应力（极限荷载）、钢绞线Mises应力分布、抗弯刚度、抗扭刚度、螺栓应力，进行了全面的模拟分析，最终设计直螺栓的干式连接方案，在保证连接质量的前提下，可大幅度节省工期，降低成本。

有限元分析模型

定制化端模

为满足干式连接竖缝要求，节省材料，降低造价，同时减少分片与不分片之间的转换对模具带来的不便性，项目组开发了全新解决方案，设计完成了可定制的端模，在需要分片时，将端模通过上下部的紧固装置以及内外模的夹持固定在模板内部，浇筑后的预制构件变成两个半环，满足干式竖封要求的两个半环之间1mm的间隙；在不需要分片时，可通过去除紧固装置的方式来取下端模，即可预制整环构件，操作简单，节省模板和灌浆料，实现了分片和不分片两种预制方案的高效转换。

干法连接1mm端模

体外预应力技术

传统混凝土塔筒采用体内预应力，预应力索从预制塔筒壁内预留的孔道穿过，张拉锚固于基础底部和混凝土塔筒顶部。体外预应力锚固技术能在不影响原有结构的前提下，达到有效的提载强化效果，设计灵活、施工快捷。混凝土塔筒预应力采用体外技术，将原有塔筒壁厚由350~400mm减少至250~300mm，大幅度减少构件造价；将塔筒基础内预应力孔道从预留的预制混凝土塔筒筒片的凹槽中移至外侧，有效避免孔道进水对预应力锚固造成的破坏；塔身无预留孔道，在座浆施工时，不需要堵孔作业，可以减少堵孔材料和堵孔作业时间，降低施工难度，减少施工工序，提高现场施工效率。

体外预应力索吊装作业

三、关键技术和创新点

1. 研究开发了160m级预制混凝土-钢混合塔架，形成了相应的设计、生产、施工及验收成套关键技术。

2. 建立了160m级预制混凝土-钢混合塔架的二阶振动控制理论和方法，解决了160m级混合塔架二阶振动控制问题，为低风速高切变地域风力资源的高效利用提供了技术支撑。

3. 开发了预制混凝土塔筒分片和整环通用模板体系，形成了预制混凝土塔筒制作关键技术及质量控制方法。

4. 提出了预制混凝土塔筒分片竖向拼缝干式直螺栓连接技术，提出了预制混凝土塔筒水平接缝坐浆连接技术，形成了预制混凝土塔筒高效拼接技术，提高了生产效率和质量，降低了施工周期和施工成本。

四、社会效益

该项目成果经北京鉴衡认证中心有限公司进行“GWIII钢混式风力发电机组塔架（干式连接）”的检测，符合国际及国家相关结构设计标准。该项目成果有效扩大了风电技术的使用范围，在国电恒罡白桥155m样机项目、中广核兰考广兴200MW风电项目、天润新能天津市武清区河北屯镇风电项目等多项工程中得到应用，每年可发电共计13.7亿kWh，与相同发电量的常规煤电机组相比，每年可节约标煤56万t，减少CO2、SO2和烟尘排放。本项目提高了预制混凝土-钢混合塔架的科技水平，促进了风电项目在当地的经济发展。

中广核河南兰考广兴200MW风电项目

五、总结

该项目成果已获授权发明专利1项，授权实用新型专利6项，制订能源行业标准2项、企业产品标准2项，形成了具有自主知识产权的成套关键技术体系。该项目成果促进了国内低风速高切变地域风力资源的高效利用，对160m级预制混凝土-钢混合塔架的设计、生产、施工和验收具有重要参考价值，应用前景广阔。