超高鋼混風(fēng)電塔筒自提升液壓技術(shù)

陳建平 米智楠 陳 杰 李鮮明 張倫偉

1 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 200092 2 上海同力建設(shè)機(jī)器人有限公司 上海 200436 3 同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院 上海 200092

0 引言

某風(fēng)電場(chǎng)170 m 鋼混塔筒風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用自提升液壓技術(shù)安裝，其葉輪直徑為155 m，輪轂高度為170 m，總高度為247.5 m，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)最高的陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。目前我國(guó)陸上風(fēng)電高風(fēng)速資源日趨稀缺，在低風(fēng)速區(qū)域大幅提升風(fēng)機(jī)塔筒的高度能夠充分捕獲高空風(fēng)能資源，對(duì)提高風(fēng)電單機(jī)容量輸出及降本增效非常有利[1，2]。高塔筒技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，可充分發(fā)掘低風(fēng)速區(qū)域，極大拓展風(fēng)電發(fā)展空間，使以往經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)價(jià)值不理想的低風(fēng)速區(qū)域變得具有經(jīng)濟(jì)性[3，4]，成為我國(guó)低風(fēng)速資源區(qū)域風(fēng)電開(kāi)發(fā)的一個(gè)主要技術(shù)途徑。

傳統(tǒng)的風(fēng)電塔筒安裝方式一般為采用大噸位起重機(jī)進(jìn)行分段吊裝。對(duì)高度超過(guò)120 m 的風(fēng)電塔筒需要使用800 t 及以上的大噸位履帶起重機(jī)[5]，傳統(tǒng)安裝方式不僅施工工序繁瑣，且受到履帶起重機(jī)吊裝能力的制約，同時(shí)運(yùn)輸難度大、運(yùn)輸費(fèi)用高；特別是在山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中，還需花費(fèi)大量額外資金建設(shè)上山道路，大大增加了風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的成本[6]。為了降低施工成本，縮短施工周期，各安裝單位不斷更新工藝、優(yōu)化施工。液壓同步提升技術(shù)對(duì)超重、超高、超大型結(jié)構(gòu)吊裝具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，并能在狹小及復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用，設(shè)備自身質(zhì)量小，單體能量密度高。自20 世紀(jì)90 年代初上海某電廠(chǎng)超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組的鋼內(nèi)筒煙筒的液壓同步頂升工程以來(lái)，液壓同步提升獲得了廣泛應(yīng)用[7-9]。液壓提升的柔性承重索具是高強(qiáng)度鋼絲構(gòu)成的鋼絞線(xiàn)，提升高度不受限，還可以采用多個(gè)位置點(diǎn)作為提升點(diǎn)，大大拓展了同步提升質(zhì)量和作業(yè)面積，且可長(zhǎng)期懸吊（防風(fēng)措施到位），以便于后期施工。文中所述示例風(fēng)電場(chǎng)170 m 鋼混塔筒風(fēng)電機(jī)組的安裝，是液壓提升技術(shù)第一次應(yīng)用在國(guó)內(nèi)風(fēng)電混凝土塔筒的吊裝施工，作為一種新穎的超高塔筒吊裝補(bǔ)充手段，本文著重對(duì)超高塔筒吊裝的自提升液壓技術(shù)做有益的探索。

1 鋼-混風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)

作為我國(guó)最高陸上風(fēng)電機(jī)組，示例風(fēng)電場(chǎng)170 m 鋼混塔筒采用裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式，與風(fēng)電機(jī)組相連的頂節(jié)塔段采用小直徑鋼塔筒，下部的3 節(jié)均為大直徑混凝土塔筒。3 節(jié)混凝土塔筒為現(xiàn)澆多邊形混凝土結(jié)構(gòu)，由外向內(nèi)3 節(jié)層層嵌套組成，依次是混凝土外塔筒、中塔筒和內(nèi)塔筒。葉輪吊裝時(shí)中心高度為84 m，無(wú)需額外大型起重機(jī)械，降低了作業(yè)難度和風(fēng)險(xiǎn)。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式既可有效防止超高塔筒低頻共振，穩(wěn)定性好，還可實(shí)現(xiàn)塔筒工廠(chǎng)化、預(yù)制化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，兼具混凝土塔筒及鋼塔筒的優(yōu)勢(shì)。

2 自提升工藝流程

在傳統(tǒng)的采用大噸位起重機(jī)的安裝流程中，首先安裝底段塔筒，然后依次為中段塔筒、中上段塔筒、頂段塔筒、機(jī)艙、發(fā)電機(jī)、葉輪組合、葉輪等的吊裝。文中所述與傳統(tǒng)安裝流程不同，在安裝機(jī)艙、發(fā)電機(jī)、葉輪組合、葉輪等之后，再進(jìn)行混凝土內(nèi)塔筒和中塔筒的自提升施工流程。在自提升工程中，除了混凝土內(nèi)塔筒段和中塔筒段本身的質(zhì)量外，還要考慮風(fēng)電機(jī)組的重力、葉輪引起的偏心載荷，以及作用在塔筒上的風(fēng)荷載。

根據(jù)NB/T 10908—2021《風(fēng)電機(jī)組混凝土—鋼混合塔筒施工規(guī)范》中的預(yù)制混凝土塔筒安裝就位應(yīng)滿(mǎn)足的規(guī)定：1）每段混凝土塔筒應(yīng)進(jìn)行垂直度測(cè)量，誤差應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求；2）每吊裝一段混凝土塔筒應(yīng)對(duì)其進(jìn)行調(diào)平，誤差應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。因此，從提升質(zhì)量、精度、姿態(tài)、偏心載荷和風(fēng)荷載引起的彎矩等作業(yè)工況以及相關(guān)規(guī)定等，均對(duì)自提升液壓技術(shù)提出了較高的施工要求。

發(fā)電機(jī)組吊裝完成后可實(shí)施自提升施工流程，即采用先細(xì)后粗的自提升液壓技術(shù)，類(lèi)似于抽拔天線(xiàn)，依次將混凝土內(nèi)塔筒和混凝土中塔筒提升到位。施工工藝流程分為混凝土內(nèi)塔筒和中塔筒自提升2 個(gè)階段，即先用混凝土中塔筒頂部作反力支撐平臺(tái)來(lái)提升混凝土內(nèi)塔筒（含頂節(jié)鋼塔筒及風(fēng)電機(jī)組葉輪），再用混凝土外塔筒頂部作反力支撐平臺(tái)來(lái)提升混凝土中塔筒及以上結(jié)構(gòu)，歷經(jīng)2 次累積提升，直至將超高風(fēng)電塔筒成功安裝就位。

在混凝土內(nèi)塔筒自提升階段，將長(zhǎng)行程液壓提升器集群均勻分布于混凝土中塔筒頂部的凸緣圓周處，先將液壓提升器內(nèi)的鋼絞線(xiàn)向下穿過(guò)混凝土中塔筒頂部凸緣的提升孔，再?gòu)幕炷羶?nèi)塔筒底部凸緣的地錨孔穿出后，與地錨相連，如圖1 所示。鋼絞線(xiàn)均勻張緊后，即可對(duì)混凝土內(nèi)塔筒進(jìn)行自提升作業(yè)?；炷羶?nèi)塔筒提升到位后，將內(nèi)塔筒與中塔筒的凸緣用預(yù)應(yīng)力錨桿連接牢固。

圖1 液壓提升器與混凝土塔筒連接示意圖

混凝土內(nèi)塔筒提升完成之后，接著進(jìn)行混凝土中塔筒的自提升階段。先將長(zhǎng)行程液壓提升器集群外移到混凝土外塔筒的頂部，并均勻布置于混凝土外塔筒頂部的凸緣圓周處，將液壓提升器內(nèi)的鋼絞線(xiàn)向下穿過(guò)混凝土外塔筒頂部凸緣的提升孔，再?gòu)幕炷林兴驳撞客咕壍牡劐^孔穿出后與地錨相連，鋼絞線(xiàn)均勻張緊后即可對(duì)混凝土中塔筒進(jìn)行自提升作業(yè)。

經(jīng)過(guò)2 次提升階段，依次將混凝土內(nèi)塔筒和中塔筒拔出，完成風(fēng)電塔筒的安裝作業(yè)，如圖2 所示。

圖2 超高塔筒自提升施工工藝流程

3 液壓系統(tǒng)

自提升液壓系統(tǒng)可分為提升主系統(tǒng)和錨具輔助系統(tǒng)等2 部分，如圖3 所示。提升主系統(tǒng)由提升液壓泵源、電磁換向閥、溢流閥、平衡閥、液壓提升器等組成。液壓油箱1 用于儲(chǔ)存液壓油、散熱、沉淀污物和分離油液中滲入的空氣，并可作為液壓泵和液壓集成塊的安裝平臺(tái)，其上部開(kāi)有通氣孔，使油面與大氣相通。濾油器2為提升液壓泵源4 的吸油過(guò)濾器，確保進(jìn)入提升主系統(tǒng)的油液的清潔度。提升液壓泵源4 包括提升液壓泵、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和變頻器等，通過(guò)微控制器調(diào)節(jié)變頻器的頻率，以改變驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可控制提升液壓泵的輸出流量，為提升液壓缸提供液壓動(dòng)力。提升液壓泵源采用了模塊化結(jié)構(gòu)，以提高液壓提升設(shè)備的通用性和可靠性。根據(jù)提升塔筒吊點(diǎn)的布置以及液壓提升器數(shù)量和泵源流量，可進(jìn)行多個(gè)模塊的組合，每一套模塊以1 套泵源系統(tǒng)為核心，可獨(dú)立控制1 組液壓提升器。

圖3 自提升液壓系統(tǒng)原理圖

圖3 中，壓力表6 顯示液壓泵的出口工作壓力。溢流閥7 限制系統(tǒng)的最高工作壓力。三位四通電磁換向閥10 的中位機(jī)能為H 形，控制提升液壓缸的伸、縮缸動(dòng)作。H 形中位機(jī)能還可使電磁換向閥10 在處于中位時(shí)，液壓油直接回油箱，降低能耗，減少系統(tǒng)發(fā)熱。平衡閥13 在液壓油正向流動(dòng)時(shí)，通過(guò)單向閥快速進(jìn)入提升液壓缸，實(shí)現(xiàn)活塞桿伸出；液壓油反向流動(dòng)時(shí)，單向閥起截止作用，液壓油通過(guò)平衡閥反向流出，帶載下降時(shí)可避免負(fù)載急速下墜。液壓提升器14 和15 由提升液壓缸及上下錨具液壓缸組成，為穿芯式結(jié)構(gòu)，鋼絞線(xiàn)從上錨具、提升液壓缸中部、下錨具依次穿過(guò)。上下錨具由于楔形錨片的作用具有單向自鎖性，提升液壓缸通過(guò)伸縮動(dòng)作和上下錨具的夾緊或松開(kāi)的協(xié)調(diào)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)重物的上升、下降。液壓提升器的升降過(guò)程為：當(dāng)下錨具液壓缸鎖緊鋼絞線(xiàn)時(shí)，上錨具液壓缸松開(kāi)，提升液壓缸的活塞空載伸出或縮回，混凝土塔筒在空中處于不動(dòng)的狀態(tài)；當(dāng)上錨具液壓缸鎖緊鋼絞線(xiàn)時(shí)，下錨具液壓缸松開(kāi)，提升液壓缸的活塞帶載上升或下降。如此交替循環(huán)，混凝土塔筒便上升或下降至預(yù)定的高度。

錨具輔助系統(tǒng)由錨具液壓泵源5、吸油過(guò)濾器3、錨具溢流閥8、錨具壓力表9、錨具電磁換向閥11 和12等組成。吸油過(guò)濾器3 保證進(jìn)入錨具輔助系統(tǒng)的液壓油的清潔度。錨具液壓泵源5 包括錨具驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和錨具定量液壓泵。錨具電磁換向閥11 和12 為三位四通電磁換向閥，其中位機(jī)能均為H 形，分別控制上錨液壓缸與下錨液壓缸的松開(kāi)和鎖緊動(dòng)作。H 形中位機(jī)能可使錨具電磁換向閥11 和12 處于中位時(shí)，上、下錨具液壓缸能夠處于浮動(dòng)狀態(tài)，有利于重物自鎖。錨具溢流閥8 用來(lái)調(diào)定錨具系統(tǒng)壓力。

4 控制策略

在混凝土內(nèi)塔筒和中塔筒的提升中，需要采用液壓提升器集群作業(yè)，將液壓提升器均勻布置在多個(gè)提升點(diǎn)位，各點(diǎn)的同步控制是自提升液壓技術(shù)的關(guān)鍵。通過(guò)同步控制，實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)塔筒和中塔筒的提升姿態(tài)（包含垂直度和調(diào)平）的調(diào)控，保證高精度的安裝就位。自提升液壓系統(tǒng)采用變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步調(diào)節(jié)，即采用變頻器、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和定量泵組合的方式，構(gòu)成變頻提升液壓泵源。變頻提升液壓泵源沒(méi)有選用帶有斜盤(pán)變排量機(jī)構(gòu)的變量泵，降低了提升系統(tǒng)的成本，同時(shí)拓寬了調(diào)速范圍，具有更好節(jié)能效果。作為一種新型的容積控制的調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)液壓泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變液壓泵的輸出流量，有效控制液壓提升器的上升或下降速度，實(shí)現(xiàn)混凝土塔筒同步提升的目的。

同步提升過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)液壓提升器的提升距離比平均值大時(shí)，微控制器將減少相應(yīng)的液壓泵源的變頻器頻率，減緩其提升速度，反之則加大頻率，確保所有液壓提升器的最大同步高差不大于5 mm。每一組液壓提升器的系統(tǒng)壓力獨(dú)立設(shè)定，提升過(guò)程中的壓力值僅作為提升輔助參考量，提升過(guò)程中壓力會(huì)有變化，最大值不超過(guò)設(shè)計(jì)給定荷載；每臺(tái)泵站含2 個(gè)提升泵源及1 個(gè)錨具泵源，2 組液壓提升器共用1 個(gè)錨具泵源，錨具電磁換向閥11 和12 分別控制上下錨具液壓缸，完成松開(kāi)和鎖緊錨具的工作。如果一個(gè)泵源出現(xiàn)故障，則可通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)切換，保障繼續(xù)工作?；炷羶?nèi)塔筒和中塔筒提升時(shí)，根據(jù)激光（或傾角）傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)、導(dǎo)向反饋系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)共同判斷塔筒姿態(tài)，由微控制器根據(jù)一定的控制策略和算法實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電混凝土塔筒結(jié)構(gòu)的整體提升的姿態(tài)控制和荷載控制。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)自提升液壓技術(shù)在大型、超高風(fēng)電塔筒的安裝作了初步探討和應(yīng)用嘗試，通過(guò)對(duì)控制方式分析和比較，創(chuàng)新研制了超高風(fēng)電塔筒自提升液壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集機(jī)、電、液、傳感、檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)控制于一體，將傳統(tǒng)施工技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制相結(jié)合。液壓提升器集群分布作為起重機(jī)械，同時(shí)以鋼絞線(xiàn)作承重索具，以混凝土中塔筒作提升平臺(tái)提升混凝土內(nèi)塔筒、以混凝土外塔筒作提升平臺(tái)提升混凝土中塔筒，在高重心、大風(fēng)載、大偏心等復(fù)雜工況條件下，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的控制策略與控制算法應(yīng)用于液壓同步提升控制系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控體系，精細(xì)操作，共同對(duì)塔筒提升姿態(tài)全程實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，確保在復(fù)雜環(huán)境下超高、超重的混凝土塔筒、機(jī)艙及葉輪等平穩(wěn)、精準(zhǔn)安裝到位。