超高钢混风电塔筒自提升液压技术

陈建平 米智楠 陈 杰 李鲜明 张伦伟

1 同济大学机械与能源工程学院 上海 200092 2 上海同力建设机器人有限公司 上海 200436 3 同济大学航空航天与力学学院 上海 200092

0 引言

某风电场170 m 钢混塔筒风电机组应用自提升液压技术安装，其叶轮直径为155 m，轮毂高度为170 m，总高度为247.5 m，是当前国内最高的陆上风力发电机组。目前我国陆上风电高风速资源日趋稀缺，在低风速区域大幅提升风机塔筒的高度能够充分捕获高空风能资源，对提高风电单机容量输出及降本增效非常有利[1，2]。高塔筒技术作为一种新兴的技术，可充分发掘低风速区域，极大拓展风电发展空间，使以往经济开发价值不理想的低风速区域变得具有经济性[3，4]，成为我国低风速资源区域风电开发的一个主要技术途径。

传统的风电塔筒安装方式一般为采用大吨位起重机进行分段吊装。对高度超过120 m 的风电塔筒需要使用800 t 及以上的大吨位履带起重机[5]，传统安装方式不仅施工工序繁琐，且受到履带起重机吊装能力的制约，同时运输难度大、运输费用高；特别是在山区风电场建设中，还需花费大量额外资金建设上山道路，大大增加了风电场建设的成本[6]。为了降低施工成本，缩短施工周期，各安装单位不断更新工艺、优化施工。液压同步提升技术对超重、超高、超大型结构吊装具有较强的适应性，并能在狭小及复杂环境下应用，设备自身质量小，单体能量密度高。自20 世纪90 年代初上海某电厂超临界汽轮发电机组的钢内筒烟筒的液压同步顶升工程以来，液压同步提升获得了广泛应用[7-9]。液压提升的柔性承重索具是高强度钢丝构成的钢绞线，提升高度不受限，还可以采用多个位置点作为提升点，大大拓展了同步提升质量和作业面积，且可长期悬吊（防风措施到位），以便于后期施工。文中所述示例风电场170 m 钢混塔筒风电机组的安装，是液压提升技术第一次应用在国内风电混凝土塔筒的吊装施工，作为一种新颖的超高塔筒吊装补充手段，本文着重对超高塔筒吊装的自提升液压技术做有益的探索。

1 钢-混风电塔筒结构

作为我国最高陆上风电机组，示例风电场170 m 钢混塔筒采用装配式钢-混凝土组合结构形式，与风电机组相连的顶节塔段采用小直径钢塔筒，下部的3 节均为大直径混凝土塔筒。3 节混凝土塔筒为现浇多边形混凝土结构，由外向内3 节层层嵌套组成，依次是混凝土外塔筒、中塔筒和内塔筒。叶轮吊装时中心高度为84 m，无需额外大型起重机械，降低了作业难度和风险。钢-混凝土组合结构形式既可有效防止超高塔筒低频共振，稳定性好，还可实现塔筒工厂化、预制化、标准化生产，降低生产成本，兼具混凝土塔筒及钢塔筒的优势。

2 自提升工艺流程

在传统的采用大吨位起重机的安装流程中，首先安装底段塔筒，然后依次为中段塔筒、中上段塔筒、顶段塔筒、机舱、发电机、叶轮组合、叶轮等的吊装。文中所述与传统安装流程不同，在安装机舱、发电机、叶轮组合、叶轮等之后，再进行混凝土内塔筒和中塔筒的自提升施工流程。在自提升工程中，除了混凝土内塔筒段和中塔筒段本身的质量外，还要考虑风电机组的重力、叶轮引起的偏心载荷，以及作用在塔筒上的风荷载。

根据NB/T 10908—2021《风电机组混凝土—钢混合塔筒施工规范》中的预制混凝土塔筒安装就位应满足的规定：1）每段混凝土塔筒应进行垂直度测量，误差应符合设计要求；2）每吊装一段混凝土塔筒应对其进行调平，误差应符合设计要求。因此，从提升质量、精度、姿态、偏心载荷和风荷载引起的弯矩等作业工况以及相关规定等，均对自提升液压技术提出了较高的施工要求。

发电机组吊装完成后可实施自提升施工流程，即采用先细后粗的自提升液压技术，类似于抽拔天线，依次将混凝土内塔筒和混凝土中塔筒提升到位。施工工艺流程分为混凝土内塔筒和中塔筒自提升2 个阶段，即先用混凝土中塔筒顶部作反力支撑平台来提升混凝土内塔筒（含顶节钢塔筒及风电机组叶轮），再用混凝土外塔筒顶部作反力支撑平台来提升混凝土中塔筒及以上结构，历经2 次累积提升，直至将超高风电塔筒成功安装就位。

在混凝土内塔筒自提升阶段，将长行程液压提升器集群均匀分布于混凝土中塔筒顶部的凸缘圆周处，先将液压提升器内的钢绞线向下穿过混凝土中塔筒顶部凸缘的提升孔，再从混凝土内塔筒底部凸缘的地锚孔穿出后，与地锚相连，如图1 所示。钢绞线均匀张紧后，即可对混凝土内塔筒进行自提升作业。混凝土内塔筒提升到位后，将内塔筒与中塔筒的凸缘用预应力锚杆连接牢固。

图1 液压提升器与混凝土塔筒连接示意图

混凝土内塔筒提升完成之后，接着进行混凝土中塔筒的自提升阶段。先将长行程液压提升器集群外移到混凝土外塔筒的顶部，并均匀布置于混凝土外塔筒顶部的凸缘圆周处，将液压提升器内的钢绞线向下穿过混凝土外塔筒顶部凸缘的提升孔，再从混凝土中塔筒底部凸缘的地锚孔穿出后与地锚相连，钢绞线均匀张紧后即可对混凝土中塔筒进行自提升作业。

经过2 次提升阶段，依次将混凝土内塔筒和中塔筒拔出，完成风电塔筒的安装作业，如图2 所示。

图2 超高塔筒自提升施工工艺流程

3 液压系统

自提升液压系统可分为提升主系统和锚具辅助系统等2 部分，如图3 所示。提升主系统由提升液压泵源、电磁换向阀、溢流阀、平衡阀、液压提升器等组成。液压油箱1 用于储存液压油、散热、沉淀污物和分离油液中渗入的空气，并可作为液压泵和液压集成块的安装平台，其上部开有通气孔，使油面与大气相通。滤油器2为提升液压泵源4 的吸油过滤器，确保进入提升主系统的油液的清洁度。提升液压泵源4 包括提升液压泵、驱动电动机和变频器等，通过微控制器调节变频器的频率，以改变驱动电动机的转速，可控制提升液压泵的输出流量，为提升液压缸提供液压动力。提升液压泵源采用了模块化结构，以提高液压提升设备的通用性和可靠性。根据提升塔筒吊点的布置以及液压提升器数量和泵源流量，可进行多个模块的组合，每一套模块以1 套泵源系统为核心，可独立控制1 组液压提升器。

图3 自提升液压系统原理图

图3 中，压力表6 显示液压泵的出口工作压力。溢流阀7 限制系统的最高工作压力。三位四通电磁换向阀10 的中位机能为H 形，控制提升液压缸的伸、缩缸动作。H 形中位机能还可使电磁换向阀10 在处于中位时，液压油直接回油箱，降低能耗，减少系统发热。平衡阀13 在液压油正向流动时，通过单向阀快速进入提升液压缸，实现活塞杆伸出；液压油反向流动时，单向阀起截止作用，液压油通过平衡阀反向流出，带载下降时可避免负载急速下坠。液压提升器14 和15 由提升液压缸及上下锚具液压缸组成，为穿芯式结构，钢绞线从上锚具、提升液压缸中部、下锚具依次穿过。上下锚具由于楔形锚片的作用具有单向自锁性，提升液压缸通过伸缩动作和上下锚具的夹紧或松开的协调动作，实现重物的上升、下降。液压提升器的升降过程为：当下锚具液压缸锁紧钢绞线时，上锚具液压缸松开，提升液压缸的活塞空载伸出或缩回，混凝土塔筒在空中处于不动的状态；当上锚具液压缸锁紧钢绞线时，下锚具液压缸松开，提升液压缸的活塞带载上升或下降。如此交替循环，混凝土塔筒便上升或下降至预定的高度。

锚具辅助系统由锚具液压泵源5、吸油过滤器3、锚具溢流阀8、锚具压力表9、锚具电磁换向阀11 和12等组成。吸油过滤器3 保证进入锚具辅助系统的液压油的清洁度。锚具液压泵源5 包括锚具驱动电动机和锚具定量液压泵。锚具电磁换向阀11 和12 为三位四通电磁换向阀，其中位机能均为H 形，分别控制上锚液压缸与下锚液压缸的松开和锁紧动作。H 形中位机能可使锚具电磁换向阀11 和12 处于中位时，上、下锚具液压缸能够处于浮动状态，有利于重物自锁。锚具溢流阀8 用来调定锚具系统压力。

4 控制策略

在混凝土内塔筒和中塔筒的提升中，需要采用液压提升器集群作业，将液压提升器均匀布置在多个提升点位，各点的同步控制是自提升液压技术的关键。通过同步控制，实现混凝土内塔筒和中塔筒的提升姿态（包含垂直度和调平）的调控，保证高精度的安装就位。自提升液压系统采用变频控制技术实现同步调节，即采用变频器、驱动电动机和定量泵组合的方式，构成变频提升液压泵源。变频提升液压泵源没有选用带有斜盘变排量机构的变量泵，降低了提升系统的成本，同时拓宽了调速范围，具有更好节能效果。作为一种新型的容积控制的调速系统，通过变频器调节液压泵驱动电动机的转速，进而改变液压泵的输出流量，有效控制液压提升器的上升或下降速度，实现混凝土塔筒同步提升的目的。

同步提升过程中，当某个液压提升器的提升距离比平均值大时，微控制器将减少相应的液压泵源的变频器频率，减缓其提升速度，反之则加大频率，确保所有液压提升器的最大同步高差不大于5 mm。每一组液压提升器的系统压力独立设定，提升过程中的压力值仅作为提升辅助参考量，提升过程中压力会有变化，最大值不超过设计给定荷载；每台泵站含2 个提升泵源及1 个锚具泵源，2 组液压提升器共用1 个锚具泵源，锚具电磁换向阀11 和12 分别控制上下锚具液压缸，完成松开和锁紧锚具的工作。如果一个泵源出现故障，则可通过手动开关切换，保障继续工作。混凝土内塔筒和中塔筒提升时，根据激光（或倾角）传感器检测的数据、导向反馈系统测量的数据共同判断塔筒姿态，由微控制器根据一定的控制策略和算法实现对风电混凝土塔筒结构的整体提升的姿态控制和荷载控制。

5 结语

本文对自提升液压技术在大型、超高风电塔筒的安装作了初步探讨和应用尝试，通过对控制方式分析和比较，创新研制了超高风电塔筒自提升液压控制系统，该系统集机、电、液、传感、检测、网络通信、计算机控制于一体，将传统施工技术和计算机控制相结合。液压提升器集群分布作为起重机械，同时以钢绞线作承重索具，以混凝土中塔筒作提升平台提升混凝土内塔筒、以混凝土外塔筒作提升平台提升混凝土中塔筒，在高重心、大风载、大偏心等复杂工况条件下，创新设计的控制策略与控制算法应用于液压同步提升控制系统，结合现场实时监控体系，精细操作，共同对塔筒提升姿态全程实时调节，确保在复杂环境下超高、超重的混凝土塔筒、机舱及叶轮等平稳、精准安装到位。