為啥風機塔筒高度不是隨意定制化

故事背景

業(yè)主甲：我想要118.88m的塔筒，“要要發(fā)發(fā)發(fā)”，聽起來就吉利。

廠家乙：親，沒有的哦，咱們這款風機塔筒只有110m、120m和140m的哦。

業(yè)主甲：你們不是宣稱機組可以定制化的嗎？

廠家乙：親，不是隨意定制的哦。我們可以提供幾個方案供您選擇。其余的塔筒方案可能會引發(fā)共振，有倒塔的風險呢。

現(xiàn)實案例

設計院的朋友應該都清楚，廠家提供的方案中塔筒并不是隨意定制化，以20x葉輪直徑的機組為例，通常塔筒高度以115m、120m、140m為主。解釋原因通常是為了避免風機葉輪1P、3P共振，因此避開了一些塔筒的設計高度。

如果風機產(chǎn)生共振，還是比較危險的，重則會出現(xiàn)倒塔的嚴重事故發(fā)生。（共振的危害可參考虎門大橋和深圳賽格大廈事件）

原因剖析

要想了解風機塔筒不能實現(xiàn)高度定制化的原因，需要先了解以下幾個定義。

下圖為坎貝爾圖-柔塔頻率示意圖。從圖中可以看出，剛性塔架自有頻率在葉輪一階頻率（1P）以上，柔性塔架自有頻率在葉輪一階頻率1P以下。

原因剖析

柔性塔筒：塔筒的一階自然頻率與葉輪旋轉(zhuǎn)一階頻率（1P）相交或者小于1P時，這樣的塔筒叫作柔性塔筒。

剛性塔筒：塔筒的一階自然頻率在葉輪旋轉(zhuǎn)一階頻率（1P）以上，叫作剛性塔筒。

需要說明的是，柔性塔筒和剛性塔筒，都是全鋼塔筒，都是由鋼材制作，外觀并無差異。

現(xiàn)在大兆瓦機組的塔筒高度都大于100m（葉輪直徑在17x~18x以上機組），而100m以上高度的全鋼塔筒通常被設計為柔性塔筒。

早期的較小風電機組（如1.5MW~2MW）塔筒高度一般在100m以下，這些較小風電機組的全鋼塔筒通常為剛性塔筒。如果當前使用較多的100m以上高度的全鋼塔筒也設計為剛性塔筒，則剛塔的用鋼量相較于柔塔形式會大大增加（90米高的傳統(tǒng)塔架一般重約200余噸，120米高則已接近600噸），這是不經(jīng)濟的且也不符合行業(yè)集約、綠色（目前鋼鐵行業(yè)屬于高耗能行業(yè)）且高效（產(chǎn)品重量較大，不利于機組大型化發(fā)展）發(fā)展的初心。

主流水平軸風電機組有三個葉片，當每個葉片旋轉(zhuǎn)至最下方（即與塔筒平行）時，均會對塔筒產(chǎn)生一次激勵，塔筒受到的主要激勵頻率為葉輪轉(zhuǎn)頻與葉片通過頻率（一階頻率簡稱1P、三階頻率3P）。若1P、3P與塔筒固有頻率過于接近，即引發(fā)共振，導致塔筒振動偏大。

在國標GB/T19072-2003《風力發(fā)電機組塔架》中規(guī)定：塔架工作狀態(tài)下的固有頻率必須在大于葉輪頻率1階（1P）的10%和小于葉輪3階（3P）的10%的范圍內(nèi)。

解決方案

采用柔塔技術的風機為避免產(chǎn)出共振現(xiàn)象，通常采取的措施：

1.當葉輪轉(zhuǎn)動頻率接近塔筒自有頻率時，控制葉輪轉(zhuǎn)速，直到風速較大，轉(zhuǎn)速明顯高于共振點時，控制葉輪直接跳過共振頻率進行高轉(zhuǎn)速運行；

2.塔筒內(nèi)增加阻尼裝置，降低塔筒振動，改變塔筒自身固有頻率。（可參考深圳賽格大廈采取的措施）

雖可采取多種方式避免柔塔機組出現(xiàn)共振現(xiàn)象。但畢竟柔塔塔架頻率與葉輪一階頻率（1P）在同一范圍內(nèi)，如果塔架高度過多，則針對每個塔架高度均需定制化控制策略，成本將會大大增加，相較于幾款塔筒高度的成熟化產(chǎn)品，也會因為產(chǎn)品形式過多，帶來更大的不確定性風險。

混塔技術，即混凝土塔筒段+剛性塔筒段技術，相較于柔性塔架，則解決了共振問題。混塔技術由于混凝土段和剛性塔筒段的剛性均比較大，不存在共振風險，也降低了風機渦激振動即機艙晃動幅度大的風險。

那混塔形式相較于柔塔形式優(yōu)勢很多，那未來是不是混塔會取代柔塔呢？目前看來不會。由于混塔形式在較低高度（如110~140m區(qū)間）的成本相較柔塔形式并無優(yōu)勢；且混塔在現(xiàn)場吊裝、安裝、施工工藝和等方面要求較高，且安裝進度也比柔塔明顯要慢得多，以及混塔安全性等問題也需時間去考驗。在140m輪轂高度及以上的項目中，因為柔塔技術成本過高，且存在較多的技術難題，因此基本以混塔形式為主。