01風(fēng)電混塔技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

風(fēng)能作為可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源，而且便于人們有效利用。根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）統(tǒng)計(jì)，2013年全球風(fēng)電裝機(jī)新增35.467GW，2022年全球風(fēng)電新增吊裝容量達(dá)到77.6GW，其中陸上風(fēng)電裝機(jī)68.8GW，到2050年，年新增市場達(dá)到208GW，累計(jì)市場容量達(dá)5,806GW，如圖1所示[1]。

圖1全球風(fēng)電裝機(jī)情況

我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，截至2021年底，全國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)328GW，其中陸上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)302GW，截至2022年11月底，風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到350GW，同比增長15.1%。據(jù)GWEC估計(jì)，2022-2027年中國新增風(fēng)電裝機(jī)量占全球新增風(fēng)電裝機(jī)量的比重將始終保持在40%以上，到2026年中國風(fēng)電年新增裝機(jī)將超過60GW，其中陸上風(fēng)電超過50GW。前瞻預(yù)計(jì)，2027年中國風(fēng)電新增裝機(jī)規(guī)模進(jìn)一步提高至66GW左右，2023-2027年新增裝機(jī)容量復(fù)合增速約5.64%。[2]

圖2中國海陸風(fēng)電市場增量展望

國外風(fēng)力發(fā)電在本世紀(jì)初進(jìn)入發(fā)展的高峰期，隨著風(fēng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)機(jī)功率越來越大、葉片越來越長，風(fēng)電混合塔筒技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用也進(jìn)入的市場的高峰期，與此同時(shí)，國內(nèi)的風(fēng)電企業(yè)也陸續(xù)的學(xué)習(xí)和引進(jìn)國外技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用。早期技術(shù)以整環(huán)預(yù)制結(jié)合現(xiàn)場濕作業(yè)連接、體內(nèi)預(yù)應(yīng)力技術(shù)為主，施工速度慢，成本高于傳統(tǒng)的鋼塔筒，加上我國的風(fēng)電技術(shù)發(fā)展落后于國外，前期混合塔筒技術(shù)并沒有大面積的市場應(yīng)用。

近年來我國新能源政策的推出，風(fēng)電行業(yè)迎來了蓬勃的發(fā)展機(jī)遇。國內(nèi)風(fēng)機(jī)向著大功率、大葉輪直徑、單位度電成本降低等趨勢發(fā)展，國內(nèi)高風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電開發(fā)也日趨飽和，中、低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電開發(fā)進(jìn)入快車道。風(fēng)機(jī)塔架的高度從120m向140m、160m、170m乃至180m快速發(fā)展，如圖3所示[4][5]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架的荷載也越來越大，傳統(tǒng)的鋼塔架已經(jīng)無法滿足結(jié)構(gòu)受力的要求，混合塔筒技術(shù)成為了市場的主流選擇。

圖3陸上機(jī)組大型化趨勢

目前我國的風(fēng)力發(fā)電塔架每年新增及擴(kuò)容改建市場數(shù)量約為10000根左右，產(chǎn)值幾千億元。其中采用混合塔筒技術(shù)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組2022年約為1000根，2023年預(yù)估為3000根左右，將形成近200億元的市場規(guī)模，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)總值近千億元。且隨著我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，混合塔筒的市場規(guī)模將越來越大，占比整個(gè)風(fēng)電塔架的市場比重也將越來越大，預(yù)估最終市場比重將超過60%。

目前混塔行業(yè)迎來了快速發(fā)展的機(jī)遇，但是由于行業(yè)近年來發(fā)展迅猛，也存在著各種制約行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的問題，突出問題就是缺乏行業(yè)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，由于混塔技術(shù)在我國的發(fā)展時(shí)間較短，從業(yè)企業(yè)也較少，經(jīng)驗(yàn)積累也相對不足。因此，行業(yè)現(xiàn)行參考的標(biāo)準(zhǔn)不同企業(yè)也各有差異，有些標(biāo)準(zhǔn)的缺失，也給混塔的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工驗(yàn)收等帶來了極大的不便。

02混塔引用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

混塔技術(shù)涉及地質(zhì)、機(jī)械、力學(xué)、材料、電力等多個(gè)學(xué)科，我國風(fēng)電混塔行業(yè)正處于快速發(fā)展階段，目前尚未建立完善的混塔技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，參照和引用標(biāo)準(zhǔn)以國標(biāo)為準(zhǔn)、行標(biāo)和團(tuán)標(biāo)為輔。盡管混塔引用的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)梳理高達(dá)數(shù)百項(xiàng)，但由于混塔獨(dú)特的結(jié)構(gòu)體系和特點(diǎn)，引用標(biāo)準(zhǔn)仍存在一定盲區(qū)和和模糊地帶，甚至部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定存在一定沖突；此外，不同混塔廠家有不同的結(jié)構(gòu)型式和生產(chǎn)工藝，對引用標(biāo)準(zhǔn)的理解和認(rèn)知不同，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已不足以指導(dǎo)混塔行業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展，同時(shí)也在一定程度阻礙了科研成果和創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用。

混塔設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

混塔設(shè)計(jì)主要引用標(biāo)準(zhǔn)見表1。國際上風(fēng)電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要參考國際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)以及DNV標(biāo)準(zhǔn)，塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面主要參考IEC61400-6及DNVGL-ST-0126，塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中針對材料的具體計(jì)算，主要引用歐洲建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如EN1992、EN1993、fibModelCode2010等。

過去，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)及管理經(jīng)驗(yàn)均不足，風(fēng)電行業(yè)相關(guān)國標(biāo)主要引用了IEC標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T19072-2010《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架》、GB/T18451.1-2012《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求》等。國內(nèi)塔架設(shè)計(jì)主要參考國外規(guī)范及國內(nèi)類似建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，如GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50135-2019《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、JGJ369-2016《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》等。

隨著國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，我國雖積累了一定的基礎(chǔ)研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也形成了部分團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)成果，如TCEC5008-2018《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土塔筒技術(shù)規(guī)范》、NB/T10907-2021《風(fēng)電機(jī)組混凝土塔筒設(shè)計(jì)規(guī)范》這些規(guī)范取得了開創(chuàng)性的成果，但尚未有一個(gè)統(tǒng)一成熟的規(guī)范，對于風(fēng)電混塔結(jié)構(gòu)較為系統(tǒng)的研究也還沒有出現(xiàn)，造成了風(fēng)電混塔塔架的設(shè)計(jì)缺乏充足的理論依據(jù)。需要進(jìn)一步提高現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的深度和廣度來規(guī)范和指導(dǎo)塔筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

混塔材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1.混凝土及其原材料

國內(nèi)混塔混凝土及原材料主要引用現(xiàn)行混凝土及原材料標(biāo)準(zhǔn)如表2和表3所示。

目前混凝土原材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已相對完善和成熟，但是針對特殊摻合料比如硅灰、微珠等超細(xì)粉料，目前各標(biāo)準(zhǔn)對檢測方法、指標(biāo)要求的規(guī)定存在一定沖突，第三方檢測機(jī)構(gòu)往往無法進(jìn)行合格性的判定。

混凝土標(biāo)準(zhǔn)方面主要適用于C60及以下強(qiáng)度等級(jí)混凝土，隨著近年來大功率風(fēng)機(jī)、超高塔架的應(yīng)用，C80及以上高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用已成為主流，但是在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取值、配合比設(shè)計(jì)與計(jì)算、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量控制與驗(yàn)收等方面，仍存在一定標(biāo)準(zhǔn)盲區(qū)或規(guī)定沖突。

2.纖維增韌混凝土及UHPC

同時(shí)纖維增韌混凝土以及超高性能混凝土在混塔領(lǐng)域的研究與應(yīng)用也逐年增加。雖現(xiàn)行建筑領(lǐng)域已有T/CECS10107-2020《超高性能混凝土（UHPC）技術(shù)要求》、JGJ/T221-2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)（見表4）。但UHPC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料性能取值相對保守，未能完全發(fā)揮其材料優(yōu)勢，在生產(chǎn)、制備工藝、強(qiáng)度評定及驗(yàn)收方面要求尚不明確，在混塔領(lǐng)域的應(yīng)用屬于探索和研發(fā)中。

此外，混凝土裂縫標(biāo)準(zhǔn)空白、規(guī)定模糊，對高強(qiáng)混塔構(gòu)件裂縫控制指導(dǎo)性低。目前僅GB50010-2010(2015版)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件裂縫寬度限值進(jìn)行明確，而針對風(fēng)電混塔這種高強(qiáng)混凝土環(huán)形薄壁構(gòu)件的抗裂計(jì)算與設(shè)計(jì)方法、抗裂設(shè)計(jì)材料取值與規(guī)定等尚未規(guī)定。對裂縫影響因素及生產(chǎn)質(zhì)量控制、裂縫檢測及評估、裂縫修補(bǔ)及加固等方向的研究，缺乏相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程和適用性標(biāo)準(zhǔn)。

3.預(yù)埋件

國內(nèi)混塔的重要混凝土預(yù)埋件，如上下預(yù)埋錨板、吊件、錨栓等部件（見圖4），均缺乏相應(yīng)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要參考鋼制塔架等相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)（見表5）。

圖4混塔預(yù)埋件實(shí)物

如上下預(yù)埋錨板無相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，只能按照主機(jī)廠家對鋼塔基礎(chǔ)環(huán)錨板或法蘭相關(guān)內(nèi)部技術(shù)規(guī)范和要求；部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)參照機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T11218-2020《風(fēng)力發(fā)電塔架法蘭鍛件》，造成不同廠家不同標(biāo)準(zhǔn)，且存在簡單引用的標(biāo)準(zhǔn)與混塔的實(shí)際受力工況不同造成部分技術(shù)指標(biāo)不合理和執(zhí)行困難。同時(shí)混塔內(nèi)裝部分相應(yīng)的爬梯、照明等系統(tǒng)雖有鋼塔對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但未明確是否適用混塔，急需混塔自有標(biāo)準(zhǔn)來明確。

隨著風(fēng)塔行業(yè)的快速更新迭代，國內(nèi)外混塔的預(yù)應(yīng)力材料、預(yù)埋件（預(yù)埋錨板、吊件、錨栓等）均參考鋼制塔架、橋梁、建筑等相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)，見表6。標(biāo)準(zhǔn)繁雜分散，適用范圍和要求不同；造成無法參照或執(zhí)行困難。同時(shí)預(yù)埋件本身種類繁多、使用數(shù)量少不利于形成針對混塔應(yīng)用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。各生產(chǎn)廠家亦沒有公開、可量化的指標(biāo)參數(shù)可供參考，再加上與風(fēng)電混塔相關(guān)的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中缺乏產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)約束性要求。

4.質(zhì)量驗(yàn)收

目前國內(nèi)的混塔產(chǎn)品驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為主（見表6），其內(nèi)容偏少僅屬綜合性規(guī)范一小部分；且因此受產(chǎn)品類型不同、制作模式不同、預(yù)應(yīng)力體系不同等影響形成不同的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；也因標(biāo)準(zhǔn)編制所屬行業(yè)特點(diǎn)不同、側(cè)重點(diǎn)不同造成標(biāo)準(zhǔn)中驗(yàn)收內(nèi)容、方法和要求均有差異；甚至出現(xiàn)同一類型產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)存在極大差異的情況。過程中鋼筋工程、模具質(zhì)量驗(yàn)收主要參照建筑業(yè)行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)，但無完全適用混塔類弧形構(gòu)件的驗(yàn)收和質(zhì)量控制需求。

以構(gòu)件外觀質(zhì)量和尺寸偏差為例，目前存在的標(biāo)準(zhǔn)限制如下：

檢查項(xiàng)目、項(xiàng)目名稱、檢查方法各標(biāo)準(zhǔn)有不同要求；

部分允許偏差指標(biāo)各標(biāo)準(zhǔn)有不同要求；

—特殊環(huán)段或連接過渡段重要預(yù)埋件檢查項(xiàng)目空白。

混塔施工相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

混塔施工材料和施工驗(yàn)收規(guī)范主要引用標(biāo)準(zhǔn)見表7和表8，針對混塔施工的專門標(biāo)準(zhǔn)仍相對缺乏，詳見表7和表8。

以混塔預(yù)應(yīng)力體系為例，目前國內(nèi)混塔預(yù)應(yīng)力有體內(nèi)和體外兩種，但T∕CEC5008-2018《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土塔筒技術(shù)規(guī)范》內(nèi)容主要是體內(nèi)預(yù)應(yīng)力體系的裝配混凝土塔筒相關(guān)要求，與市場主流的體外預(yù)應(yīng)力體系產(chǎn)品有一定差異性和適用性的問題。

（a）體內(nèi)預(yù)應(yīng)力（b）體外預(yù)應(yīng)力

圖5 混塔預(yù)應(yīng)力體系

近年，隨著市場需求量增長陸續(xù)出現(xiàn)了一批能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T10908-2021《風(fēng)電機(jī)組混凝土塔筒施工規(guī)范》、NB/T10906—2021《陸上風(fēng)電場工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)施工規(guī)范》、NB/T10628-2021《風(fēng)電場工程材料試驗(yàn)檢測技術(shù)規(guī)范》，但因其編制時(shí)間較早，涉及混塔塔型少，內(nèi)容也僅僅簡單章節(jié)表述，其又涵蓋了現(xiàn)場現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制裝配式混凝土工藝方式的技術(shù)要求，造成標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的深度和細(xì)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足混塔產(chǎn)品快速發(fā)展上升對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范支撐的需求，加之近年來混塔發(fā)展快，新施工設(shè)備、施工方式、施工材料不斷應(yīng)用，需要更為細(xì)化、更為專業(yè)和更為全面的標(biāo)準(zhǔn)。

03制定混塔標(biāo)準(zhǔn)體系的意義

鑒于目前混塔引用標(biāo)準(zhǔn)的不足，結(jié)合混塔獨(dú)特的結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造特征，因此亟待形成一套專有的標(biāo)準(zhǔn)體系，涉及結(jié)構(gòu)涉及、材料要求、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量控制、質(zhì)量驗(yàn)收、施工工藝、運(yùn)維養(yǎng)護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)，用于規(guī)范指導(dǎo)混塔行業(yè)健康、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展，計(jì)劃編制的混塔標(biāo)準(zhǔn)體系如表9所示。

混塔系列標(biāo)準(zhǔn)體系的制定和統(tǒng)一，不僅可規(guī)避目前執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不一致、規(guī)避生產(chǎn)、施工及驗(yàn)收環(huán)節(jié)存在的困惑和爭議，形成滿足我國工程質(zhì)量監(jiān)管體系要求的混塔設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)維等系列化標(biāo)準(zhǔn)，更有利于混塔行業(yè)健康發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)編制過程中，更利于實(shí)現(xiàn)科研成果共享，促進(jìn)各種新技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)創(chuàng)新作用，滿足市場對技術(shù)和質(zhì)量的更高需求，促進(jìn)我國混塔產(chǎn)業(yè)向更高水平和質(zhì)量發(fā)展。

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