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中岩科技:用“小材料”成就中国风电“大身躯”

作者:   发布时间:2024年01月31日    浏览量:69   字体大小:  A+   A- 

在黑龙江省大庆市,一座座陆上风电混塔在零下15℃的寒风中展露新姿。这些风电混塔巍然伫立在茫茫白雪之上,轮毂高度达140—160米,下部混凝土段高度达90—110米。

风能作为可再生能源中发展最快的清洁能源,是中国实现“3060”双碳目标的有效途径之一。据全球风能理事会(GWEC)统计,未来五年内,中国风电新增装机规模可提高至60GW以上。国内大功率、长叶片、高塔筒的大型化风电机组推新换代明显加速。

风电机组中,塔筒起着提升风机高度、保障机组安全的重要作用。受动力荷载和振动频率等因素的影响,目前国内主流的高塔筒方案是混塔技术,风电钢混塔架用安装拼接材料是非常关键的基础材料,其性能对于风电塔架基础的安全与稳定起着关键作用,是风电产业链中非常重要的一环。

更大的风机需要更高的高度来支撑,助力中国风电发展,如何让巨大的风电机组与风电塔架屹立不倒?中国建筑材料科学研究总院有限公司(简称:中国建材总院)所属企业中建材中岩科技有限公司(简称:中岩科技)有办法。

传统钢塔向混塔的转变

从风电技术的发展历程看,我国早期的风电开发集中在内蒙古、新疆等高风速地区,主要采用传统钢塔作为风电机组的基础。随着我国大力发展风电产业,风电开发逐步向河南、安徽等中、低风速地区发展。低风速风电技术的关键,是提高风电机组在此环境下的风能利用率,降低度电成本,从而实现项目盈利。因此,围绕“提高发电量—控制成本—确保可靠性”这一目标,国内风机向着大型化、大功率化、大叶片化的趋势发展,而作为风力发电机组支撑结构的风电塔架则从120米向185米的高度不断突破。

传统钢塔在塔高超过100米后,塔筒重量会呈指数型增加,经济性较差。钢混塔架则能够同时满足安全性能高,减少用钢量降低成本,装配式分片方便运输等特点,已成为超高塔架发展的主流形式。

2015年,国内风机龙头企业金风科技旗下的天杉高科研制出分片预制式钢混塔技术,突破了传统钢塔的应用局限。所谓混塔技术,即风力发电机组塔架的上部为钢塔筒,下部为混凝土塔筒。作为传统钢塔衍生发展的重要方向之一,混塔可搭载150米以上大直径叶片,且具有刚度大、抗疲劳和避震性能更强等特性,既可应用于高切变、高风速地区,也可应用于低风速高塔架场景。经测算,140米以上混塔相比普通钢塔成本可降低30%—50%,在风电平价时代的驱动下,近年来混塔备受市场青睐,进入高速发展期,未来随着风电塔架高度的增加,混塔占比将越来越大。

“小材料”成就“大身躯”

上述混塔技术中,如何确保风电机组的安全性与稳定性,是最令人担忧的问题。

经过多年探索与创新,中岩科技自主研发出的高性能风电基础用水泥基灌浆料和风电混塔拼接用水泥基座浆料,广泛应用于陆上风电混凝土塔筒的建设中,有效解决了这一问题。

混塔吊装犹如“搭积木”:风电混塔的建造施工涉及基座建造、管片预制、运输、拼装、吊装、预应力张拉等多道工序。管片厂根据设计要求预制塔架管片并运输到项目现场,现场经过找平后将管片拼接成圆环,然后在底座的基础上将拼接成的圆环像“搭积木”般地搭建成混凝土塔架。混凝土塔架的上部为钢塔段,钢塔和混凝土塔筒用法盘进行连接,最后用预应力张拉确保塔架的安全和稳定。

混凝土塔架这种“大身躯”的整体拼接吊装离不开几种关键的“小材料”:塔架的建造首先需要安全稳固的“底盘”,风电灌浆料可用于风电基础的锚栓灌浆,该材料需要有大流态、低粘度的工作性能以保证法兰盘下灌浆层的充盈,同时具有较高的力学性能和抗裂性,满足基体的强度发展;预制混凝土管片竖缝的拼接主要使用预制节段环氧拼接胶,此材料在混合搅拌后能够快速固化且具有高黏结和抗疲劳的特性,使管片能够牢牢地“粘合”在一起;混凝土塔架的横向缝拼接需要使用拼接胶或座浆料,可针对不同的管片精度,对混塔水平缝进行填充施工以满足承载力的需求。

中岩科技北京分公司总经理范德科告诉记者,中岩科技自主研发的陆上风电钢混塔架用水泥基座浆料,采用了特种胶凝材料和纳米活化技术,可提高吊装施工的安全性和效率,经200万次抗压疲劳试验后试件未破坏,可有效保障整个风机塔架的服役寿命。环氧拼接胶产品,对高精度管片具有较好的匹配性,降低了后期渗漏水风险,同时通过材料体系的优化可适应冬季低温下的应用需求。这些“小材料”已经成功应用于国内多个地区的陆上风电项目的建设,尽管它们在整个风电产业链中占比较小,但在一定程度上对风电行业的技术变革起到了关键性作用,是风电产业链中不可或缺的重要一环。

凭借关键“小材料”为中国陆上风电混塔保驾护航,中岩科技成为近年来以科技创新与新材料研发服务国家能源基础建设的代表性央企。

独特低温施工技术助力冬季风电建设

独特的低温施工技术,是中岩科技研发的陆上风电钢混塔架用水泥基座浆料的另一大技术特点。

在我国东北和西北地区,冬季最低气温可达-15℃以下,常温型混塔安装拼接材料在低负温条件下会因为受冻、早期力学性能发展缓慢等原因,极大地影响塔架的吊装施工进度,增加施工成本和难度。

“针对这些冬季施工难题,中岩科技重点开发了可在-15℃左右正常使用的安装拼接成套材料,其力学性能基本能够达到常温型技术指标。如果在东北、青藏高原等极寒地区,配合‘预埋伴热带’等施工辅助加热措施,也可以满足超低温环境下风电塔架建造的技术需求,这对于缩短冬季施工等待期、大幅降低人力和设备成本起到关键性作用。”范德科告诉记者。

技术创新永无止境。2022年8月,中岩科技被认定为国家专精特新“小巨人”企业。中岩科技坚持科技创新,聚焦化学建材、特种水泥基材料和防护修复加固材料与服务三大业务板块,致力于推动产业发展、打造特种工程服务领军企业,具有自主知识产权的产品和技术已广泛应用于铁路、公路、机场、桥梁、隧道、风电、核电、装配式建筑等领域。

近年来,中岩科技在陆上风电钢混塔架用安装拼接材料技术领域,尤其是适用于超低温环境下的产品技术方面实现了国产化替代,并与龙头企业在产业链上下游协作配套,推进核心产业链各环节协同发展。

在我国《“十四五”现代能源体系规划》的指引下,风电作为一种可持续发展的清洁能源,其技术的不断创新和应用规模的不断扩大,势必成为我国能源结构转型的重要推动力量。在此背景下,中岩科技正在牵头主编国内首部陆上风电钢混塔架用水泥基座浆料的建材行业标准,力争为行业有序化、规范化、良性化发展持续作贡献。

来源:企业观察报