大型风电钢混塔架施工技术探析.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023大型风电钢混塔架施工技术探析由淑明（中国安能集团 第一工程局有限公司，广西 南宁 530000）摘要：风电项目的塔身越高发电效益越好，但随着塔架高度的上升，传统钢制塔架的制作、运输、安装等成本相应增加，而风剪切、塔影效应、风脉动以及共振等因素叠加带来的稳定性问题欲发显著。为有效解决以上问题，某风电项目采用分段直塔筒全预应力混凝土塔架技术，并取得成功。介绍了钢混塔架的基础处理及塔筒现浇、预制、连接等主要施工技术，并指出了其在造价、稳定性、发电量和工艺方面的优势。关键词：大型风电；钢混塔架；施工技术中图分类号：TM614文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.085收稿日期：2022-01-06作者简介：由淑明（1975），男，山东省邹平人，工程师，主要从事工程建设技术与管理工作E-mail：为了获得最佳投资收益，近年来风电技术研发向着大容量、长叶片、高塔架趋势发展，单机容量达到45 MW，风轮直径增大到170 m，风机塔架高度达到180 m。对于风电工程来说，塔架高度一般与风速成正比，塔身越高，可接受的风速越大，发电效益越好。国内塔架设计选型使用较多的是传统钢制塔架，但随着塔架高度的增高，其制作、运输、安装等成本相应增加，且风剪切、塔影效应、风脉动以及共振等因素叠加带来的稳定性问题欲发显著。中国安能集团第一工程局有限公司在安徽宿州某风电项目成功采用分段直塔筒全预应力混凝土塔架技术，有效解决了上述问题。1工程概况某风电项目设计安装15台3.3 MW风机机组，总装机容量50 MW。机组采用水平轴、三叶片、上风向设计、变速变桨距调节、双馈异步发电机并网的总体设计方案。风机转轮直径165m，预装轮毂高度155 m。拟建场地地质条件上部为粉土、粉质黏土，下部为砂岩，整体地质状况较为松软，塔架选用SSP混凝土塔架+钢架组合模式，以提高塔架稳定性。混凝土塔架段高106.1 m，共29节，钢架段高46.0 m，共3节。预制混凝土塔段分为A、B、C 3种，其直径分别为8.0、6.5、4.0 m，不同型号塔段通过变径加强段连接，顶部塔段通过16根预应力钢绞线体外张拉联结至风机基础底部锚垫板。钢架分为转换段、T1、T2段，整体呈锥形，最顶端高程为152.5 m。2钢混塔架主要施工技术2.1塔架基础处理该项目地处长江中下游，受地下水影响较大，被水侵蚀后松土弹性形变大，风机基坑开挖后应先采用锤击基础预应力管桩对地面进行加工改造，增强其承载力及稳定性，再开展后续基础浇筑作业。管桩采用PHC-600-AB-110型预应力混凝土管桩，桩径600 mm，壁厚110 mm，桩长2527 m，单桩竖向抗压极限承载力为3 220 kN，单桩竖向抗拔极限承载力为1 740 kN。现场土方开挖至相应标高后，适当抛填碎石、砖渣等至设计标高，场地内地面应尽量平整，桩机行进路线的地面坡度1%，确保桩机平稳移位或作业。打桩前，结合设计要求，在地质条件较复杂的部位试打。立桩用点打桩起吊，绑扎点距桩端0.239L处（L为管桩长），将桩喂至桩机前，桩机调整垂直度满足要求后，开始插桩作业。第一节桩顶距地面余0.5 m时停止施工，起第二节桩，操作同前，当上、下节桩中心线重合时，校正垂直度，确保上、下节桩顺直，偏差2 mm，清理连接桩上的杂物，用楔形铁片填实连接板间隙，焊接管桩。停锤以贯入度为主，入土深度为辅，当贯入度达到设计要求且入土深度和设计深度相差不大时，可停锤；当贯入度达到设计要求而入土深度和设计深度相差较大时，应停止施工并及时汇报，如遇贯入度骤变、桩身失控倾斜、断桩、移位或严重回弹，桩顶及桩身破碎等特殊情况，应立即停锤，及时研究处理。试桩合格后，才能进行全面施打。2.2现浇混凝土塔筒施工第1节塔筒为与基础预埋件连接段塔筒，质量大，宽度较宽，且承载力要求强，为达到荷载要求及避免运输过程中损坏，采用现场现浇方式进行筒节制作。模板采用大块组合钢模板，钢筋在预制厂加工，主筋均为原筋，不能焊接，半成品用平板车运至施工现场。首先立塔筒内侧模板绑扎内侧墙板钢筋绑扎外侧墙板筋安放门洞口模板绑扎门洞口加筋、内外墙板拉筋；然后立塔筒墙体外模，并对内外模板进行固定，顶面绑扎构造钢筋；最后采用商品混凝土浇筑。2.3预制混凝土塔筒施工（1）塔筒运输。除第1节塔筒外，剩余塔筒均在预制厂制作完成后运输至施工现场。混凝土塔筒自身较重，体积大，直接运输极为不便，为避开交通要道，减少运输途中建筑物的拆迁，采用分片式塔筒运输方式运输。即在制作塔筒时将塔筒制作成C型筒片，对比O型塔筒减少了一半的体积与质量，更便于运输，运送现场后再拼装成O型塔筒。该方法运输限制少，普通板车就可以运输，也便于塔筒制作。（2）塔筒吊装。塔筒吊装前将组装、吊装场地平整压实，检测地基承载力是否符合设计或施工方案要求，并规划平台分区、确定主吊站位、运输通道与塔筒组装位置。预制分片运送至堆放区后，选用平衡梁1个、25 T/8 m吊带3根、20 T/1 m吊带2根、35 T卸扣6个、20 T手拉葫芦1个、M52旋转吊环3个，采用悬挂方式吊装卸车，吊装过程中确保塔筒受力平衡、垂直起吊，避免磕碰塔筒。预制水泥支撑座放置预制分片，支撑座根据塔筒直径摆放，A段塔筒组装至少放置12个水泥支撑，B段塔筒组装至少放置8个水泥支撑，将可调螺杆承台放置在水泥支撑座上方，采用激光水准仪调平，水平度控制在1 mm。预制分片塔筒采用180 T级履带吊组装，首先将第1片塔筒吊放至可调螺杆承台上方，调整承台至筒壁中心位置，使所有承台均与塔筒下表面接触受力，复测塔筒底面水平度，水平度误差控制在1mm；然后将第2片塔筒与第1片塔筒预拼装，复测调整第2片塔筒底平面水平度，核对孔位是否匹配，若不匹配则更换或扩孔；再次预拼后吊离一定位置，在第1片塔筒距离筒壁外侧1 cm处粘贴止水胶条，完成后将第2片塔筒与第1片塔筒拼接，通过液压千斤顶调整筒节顶面平整度2 mm，并用3根涂抹二硫化钼的弯矩螺栓紧固，紧固力为90 kN，紧固后刻画防松标识线并复测顶面水平度；最后对塔筒内侧环氧结构胶作勾缝处理，外侧则用美工刀切除挤出的止水胶条。拼装完成后采用30 T/14 m吊带4根、M52旋转吊环4个、35 t卸扣4个，采用悬挂方式吊装到位。165人 民 黄 河2023年S12.4塔筒连接施工（1）灌浆式连接。安装现浇-预制连接段A1时，在其顶部凹槽灌浆连接。首先采用激光水平仪均布4点（避开门洞上方位置），每处沿环向并列放置两块HPDE垫板（底部需平整），每处垫板厚度24 cm。现浇段上表面灌浆前需洒水湿润，不可有积水。从一侧开始灌浆，直至从另一侧溢出，且灌浆料与现浇段上口齐平，灌浆顶面覆盖塑料薄膜养护。灌浆作业须连续进行，严禁振捣。记录每个位置垫片及灌浆厚度，留置两组（3个/组）砂浆试块，同条件养护，第一组试块判定灌浆料是否达到终凝及早期强度，在强度未达到5 MPa前，如气温降至5 以下，需采取措施加温养护。第二组试块用于判定灌浆料最终强度，张拉钢绞线时，需保证试块强度大于75%塔筒混凝土强度。（2）干式连接。除A1段采用灌浆连接外，其余各段均采用免灌浆干式连接工艺。上节塔筒吊装距下部塔筒约1 m处，人员在工装平台上观测塔筒对接，如发现因预制时不正确的修补工序及缺棱掉角等引起对接面有缝隙，则记录缝隙起止范围及缝隙张开高度。若对接面没有缝隙或缝隙平均高度不超过6mm且垂直度符合要求，则用环氧结构胶（AB胶）均匀涂抹已吊装好的最上一段筒节顶端，打胶时要均匀，浆料要饱满并保证连续性要求。塔筒垂直度不满足要求时，使用水泥基砂浆对筒节对接面进行座浆。如需使用HDPE垫板，在垫板上表面调平的情况下尽量减小垫板厚度，并保证四处均使用垫板。使用经纬仪测量筒壁左侧和筒壁右侧垂直度，根据垂直度测量结果，用垫片进行微调，至垂直度符合要求后座浆。座浆层需高出垫板上表面5 mm，内侧呈梯形。座浆层中间部分需高出垫板5 mm且垫板上不能有座浆料，座浆完成后勾缝处理。使用经纬仪测量外壁垂直度，垂直度满足设计要求、各项数据合格后，调整爬梯使爬梯正常连接，避免出现弯曲和变形影响使用。接地线连接，施工平台上移吊装下一段筒节。（3）锚栓预应力连接。单台上下锚头固定端垂直距离为109.4 m，共16束钢绞线，每束钢绞线根数为15根。每束索的总预应力为2 929.5 kN，单根钢绞线张拉力195.3 kN。钢绞线根据计算的长度经测量后下料、剥皮、安装到上端锚具中并打紧夹片，利用制索将下料完成的索卷起来形成盘，以便运输和安装放索。穿索用现场主吊将塔顶吊架吊至塔顶，并用固定弯板固定。穿索前卷扬机布置完成后立即布置卷扬机钢丝绳，钢丝绳通过滑轮导向安装到需要穿索的位置，并对所有钢丝绳、滑轮进行检查，确认安全无误后进行穿索作业。将待安装的索端部万向吊环与钢丝绳连接，启动卷扬机将钢丝绳预紧。检查无误后启动混塔顶卷扬机提升索体。将索体提升到混塔顶后，安装锚具下方的双半垫板，松动钢丝绳，使锚具固定在双半垫板上。将下端钢绞线穿过锚具对应孔位，完成钢绞线的安装。穿索时要求上下两端锚具孔一一对应，每根钢绞线安装时相互不会扭曲，不会发生顺序错误。重复以上步骤，直到一台混塔的16束预应力索全部安装完成。将限位板装入钢绞线，在靠紧工作锚环前，核查工作夹片是否平整和漏装，确切无误后将限位板靠紧工作锚环，务必要将限位板的限位槽面对着锚环，不能装反，避免钢绞线拉断1；千斤顶套入单根钢绞线内，并将千斤顶的端部抵到限位板端面后进行逐根钢绞线的张拉。张拉顺序：先里后外、先左后右，逐排张拉，不得打乱顺序，防止漏拉情况发生。再次核对千斤顶编号与油压表是否对应，油管连接是否正确，无误后进行张拉；相对应的二束同时开启油泵给千斤顶供油，千斤顶慢慢持荷，当两端油压表指针上升到设计应力的25%时，立即停止供油，并记录钢绞线长度。再次启动油泵并供油，注意千斤顶的活塞长度，达到180 mm时停止供油，然后回油；回油到位后，将千斤顶举到紧靠锚环端面；再次给千斤顶供油，重复上述步骤；张拉到设计应力的100%时，停下并记录钢绞线长度，再回到设计应力的25%时再次量尺且记录，然后计算实际张拉延伸量。核对理论延伸量与实际延伸量的差值，其应控制在6%之内。3钢混塔架施工优势分析（1）造价分析。钢混塔的设计原理如同砌墙，无论多重的东西放在墙上，墙本身须达到一定厚度。当钢混塔承载2 MW级主机时，其必要的混凝土厚度承载力远高于安全余量要求；当承载3 MW及以上的机组时，余量得到释放。因此，150 m叶轮直径是塔架选型的分水岭，随着叶轮的增大，钢混塔成本优势将更明显。目前140 m以上钢混塔相比普通钢塔，成本可降低30%50%。钢混塔的运行周期可由20 a提升至50 a，耐久性更长。混塔可现场预制不受运输条件限制，无紧固件连接无须定期检修维护，后期运维成本低，但钢塔为固定厂家生产后运至现场，增加了成本。钢混塔质量大，可在一定程度上节省基础工程量，减少成本。（2）稳定性分析。钢混塔筒轮毅高度为100160 m，风机功率为2.05.0 MW，能够有效阻挡风力。预应力薄壁混凝土结构外形呈环状，在结构上使用C型/O型管片，高度为4 m、宽度为3.37.8 m、壁厚仅220 mm，在投入使用中所花费材料很少。后张预应力钢绞线可以保证结构的刚度以及稳定性。纯钢结构细长薄壁件抗屈曲能力偏弱，而混凝土结构承压及抗屈曲能力相对更强。钢混塔的安全可靠性很大程度上取决于施工质量。（3）发电量分析。钢混塔阻尼比高于钢结构，其结构安装和运行过程振动远小于钢筒，不会因频繁控制主机振动而损失发电量。钢混塔塔高不受塔筒直径或运输条件限制，塔身越高，风速越大，风机转速越快，发电量越多。（4）工艺优点分析。高精度预制圆环筒节，模板数量少，利用率高；筒节之间无须后灌浆调平，安装、拆卸速度快；风场就近预制，节约运输成本，到场快速；体外张拉预应力钢绞线安装便捷、运维方便；装机容量、轮毂高度更灵活，只调整筒节和钢绞线数量即可。4结语通过采用分段直塔筒全预应力混凝土塔架施工技术，减少了人工、材料等的投入，极大改进了传统塔筒拼装工艺，降低了建设成本和工期，提升了发电效益。随着国家新能源领域的快速发展，市场对中低风速地区风力资源需求与日俱增，对混凝土塔筒的技术创新与生产施工要求更为迫切。只有缩短生产运输时间、提高安装速度、保证质量，才能适应市场需求。参考文献：1孟欣，许川川.风电机组混合塔筒施工关键技术 J.武汉大学学报（工学版），2021，54（增刊1）：170-173.【责任编辑吕艳梅】166