随着国内风电产业不断发展壮大,风电机组叶片长度、轮毂高度的不断突破,其塔架的技术路线出现了分歧。
数据显示,自2015年以来,我国每年新增风力发电机组的平均高度及最大高度都呈逐年增长态势;2022年,我国新增风电机组平均高度达109米,最大高度达170米,较2019年的79米和100米分别增长了30米、70米。至2023年底,由上海风领首创的UHPC混塔轮毂中心高度已达到了180米,金风科技也成功完成185米风电塔架吊装。
这意味着,国内风电塔筒行业的高塔筒时代已经来临,风电高塔技术加速发展。未来,风电塔筒行业将进入新一轮增长周期,且风电高塔将成为市场正在的主要动力。根据市场预测,到2025年,我国风电塔筒行业规模有望在风电高塔市场驱动下增长至727亿元。
风电零部件——塔筒
塔筒是满足风机运行的重要结构性部件。风机塔筒一般为采用钢板卷制、焊接等形式组成的柱体或者锥体结构,作为风电机组和基础环间的连接构件,在风机中主要起支撑作用,能够承受上方机舱、轮毂、叶片等的重力荷载、风轮引起的振动载荷及环境风荷载,是实现风电机组维护、输变电等功能所需重要部件。
塔筒的性能直接关系风机运行的安全稳定性,塔筒发生故障需要停机检修从而影响风机效率。目前流行的塔筒结构形式有锥筒型钢制塔筒、混凝土塔筒和钢-混复合型塔筒。较为常见的钢制塔筒为薄壁型变直径高耸结构,由多段筒节经法兰螺栓连接而成,与基础相连的底部筒节设有门洞,塔筒内部设有爬梯、平台等装置。
上世纪七十年代,随着风力发电产业起步发展,风电塔筒行业进入早期发展阶段,市场早期产品通常采用木质或钢管材料制造,高度较低,主要用于小规模试验项目和个别的商业化项目;直至二十一世纪初,风力发电项目容量日益增长,因此,风电塔筒制造商开始采用更先进的设计结构和材料,塔架的高度也逐渐提高,以满足市场应用需求;2010年后,全球陆上风电及海上风机均逐渐进入爆发式增长阶段,大型风电项目建设成为主流,风电塔筒应用要求再次升级,促进行业正式迈入高塔筒时代,风电高塔技术加速发展。
大型化趋势下,塔筒重量增加幅度远远大于高度增加幅度。随着风电机组功率的增大,需采用更大直径的叶片,机组的轮毂高度将增加,进而带动塔筒的高度也相应增加。随着高度的增加,为保持塔筒强度与刚度不变,需要额外增加塔筒的直径和壁厚,使得塔筒重量增加的幅度远远大于高度增加的幅度。
政策环境分析
经济性,140-160米是分水岭
目前,业内对于塔筒技术路线的经济性存在很大争议,有人认为钢塔经济性强于混塔,也有人认为混塔经济性高于钢塔,这里不能一概而论,需要具体到某个风电项目以及项目所具备风资源、地形、机组容量和高度等情况具体分析。
通过与诸多行业专家学者沟通,北极星发现,有一项因素直接决定了塔筒的经济性,它就是风机轮毂高度。在绝大多数情况下,风机轮毂高度越高,混塔经济性相比钢塔会更具备优势,那么当高度达到多少米,两者经济性会达到分水岭?
以下是某风电项目钢塔混塔成本比较,该项目批量安装了4MW机组,可以看出,当塔筒高度在140时,钢塔的经济性优于混塔;当高度来到165米时,混塔的经济性已经略高于钢塔;但当高度达到185米时,经测算混塔的经济性明显优于钢塔。
不同项目情况不一样,上图CCPA风电混塔分会公布的一个不同高度下,钢塔与混塔成本的走势图,可以看出,在塔架高度120米到140米左右,钢塔和混塔经济性基本不分上下,但随着高度的增加,高度来到140米及以上,混塔的经济性优势逐步凸显。
以中低风速4MW机组(120m轮毂高度)的东北某项目进行对比。在钢塔筒采购单价为7200元/t时,钢混塔与全钢塔成本基本持平,随着钢塔筒采购价格持续走高,钢混塔经济性相对较高。
安全性毋庸置疑,但各有所长
塔架的高可靠性是确保风电机组正常运行的首要条件,不论是混塔还是钢塔,都要求具备极高的安全性。
钢塔是国内应用最广泛的塔架形式,数据显示,目前超过90%以上的机组都采用了刚性钢塔或柔性钢塔,而高度在120米-140米风电机组,已多数采用柔塔技术,相对于刚性塔筒,其塔筒重量明显降低,造价明显降低,材料、工艺、运输、吊装和传统刚性塔架并无实质区别。
安全方面,钢塔技术从中国风电萌芽之初应用到现在,经历了30余年的安全性验证,最早的一批钢塔机组已经安全退役,钢塔技术已经形成完备成熟的产业链,在一定高度空间和条件下,钢塔技术路线还是具备绝对优势的。
对于160米级别以上超高风机,全钢柔塔技术路线存在太大不确定性,同时,钢材等原材料成本上升,混塔技术成为提升风机高度和保障机组可靠性运行的另一选择。国内180米及185米级别以上的超高风电机组,基本全部采用了混塔技术。
当然,我们也应该看到,对比钢塔,虽然混塔有着成本低、结构刚度大、运输限制少这些显著的优点,但以下几点缺陷仍然是风电行业需要克服的难题。
混塔生产周期长,对环境要求较为严苛。三北地区寒冷干燥的环境往往是混塔生产制造和储存养护的大敌,干燥会使水泥缺乏足够的粘结力,从而会在混凝土表面出现片状或粉状脱落。
混塔质量管控难度大。预制管片对环境温度、湿度等因素较为敏感,养护过程中易产生裂缝,修复困难,预制管片在运输和安装过程更是管片发生损伤的重灾区。
正如风机直驱、双馈、半直驱技术路线之争一样,在低电价时代,后者成为更多企业的选择。钢塔和混塔的技术路线之争,笔者认为,目前难分高下,在保障安全的前提下,哪种技术路线能最大程度的适应市场需求,谁才能更甚一筹。
塔筒产能地区分布状况
目前,塔筒的产能主要集中在“三北”地区(即中国的东北、华北和西北地区)和沿海省市,这些地区通常拥有较为丰富的风资源和适合风电项目发展的地理环境。
受到运输半径以及码头港口等物流因素的限制,塔筒的产能布局多紧靠在陆上风电大基地和海上风电基地附近。这种布局有利于降低运输成本,提高生产效率,同时也确保了风电项目的快速推进和顺利实施。
具体来看,一些知名的塔筒制造商如天顺风能、大金重工、天能重工和泰胜风能等,都在不同地区进行了产能布局。
天顺风能的塔筒产能合计约90万吨/年,其产能扩充主要集中在“三北”和中原地区。这些地区的风能资源丰富,且靠近风电项目集中的地区,有利于天顺风能充分利用其产能优势,满足市场需求。
在海上风电方面,天顺风能正积极推进德国和射阳的海工基地建设,同时在江苏、广东/广西及福建等地规划塔筒工程。这些举措展示了天顺风能在海上风电领域的布局和战略眼光。
大金重工的设计产能也达到了100万吨/年,其中海上风电蓬莱基地的产能达到50万吨/年。此外,大金重工还在阜新、兴安盟、尚义等地拥有陆上风电的产能。这种多元化的产能布局使大金重工能够更好地适应不同地区的风电项目需求。
天能重工的产能布局在塔筒厂商中最为分散,拥有9个陆上风电基地和4个海上风电基地,总产能超过83万吨/年(含在建项目)。这种分散的产能布局有助于天能重工更好地覆盖全国各地的风电项目,提高市场竞争力。
泰胜风能则在东台、包头、哈密等地拥有陆上风电基地,并在上海、启东等地兼具海上风电产能。这种产能布局使泰胜风能能够更好地满足不同地区的风电项目需求,同时也有助于公司拓展新的市场领域。
总的来说,塔筒产能的地区分布状况反映了风电行业发展的地域特性和资源分布特点。各塔筒制造商通过在不同地区进行产能布局,以更好地满足市场需求,提高市场竞争力。随着风电行业的持续发展,未来塔筒产能的地区分布也将继续优化和完善。