预制构件厂新赛道--装配式预应力风电混塔行业技术发展现状及标准体系分析

文 | 张后禅

作者供职于上海电气研砼治筑建筑科技有限公司

陆上风电机组钢-混凝土混合塔筒（以下均简称“混塔”），经多年技术发展和工程应用经验总结，基于国内外现行标准规范的基础上，目前已形成相对完善的技术体系，市场接受度已得到检验和认可，且正以较快的速度进行技术迭代和研发创新，近年来各种新塔型、新材料、新装备、新工艺、新技术在混塔领域的研究成果亟待产业化应用。本文分析了国内外风电混塔行业标准现状及发展趋势，提出混塔技术发展面临的标准限制，体现在设计、材料、生产、施工、运维等各环节，亟待形成混塔的专有标准体系，有利于规范指导混塔行业健康、稳定、可持续发展。

风能作为可再生能源中发展最快的清洁能源，是最具有大规模开发和商业化发展前景的可再生能源，而且便于人们有效利用。根据全球风能理事会（GWEC）统计，2013年全球风电装机新增35.467GW，2022年全球风电新增吊装容量达到77.6GW，其中陆上风电装机68.8GW，到2050年，年新增市场达到208GW，累计市场容量达5,806GW，如图1所示 [1] 。

图1全球风电装机情况

我国风电产业发展迅猛，截至2021年底，全国风电累计装机328GW，其中陆上风电累计装机302GW，截至2022年11月底，风电装机容量达到350GW，同比增长15.1%。 据GWEC估计，2022-2027年中国新增风电装机量占全球新增风电装机量的比重将始终保持在40%以上，到2026年中国风电年新增装机将超过60GW，其中陆上风电超过50GW。前瞻预计，2027年中国风电新增装机规模进一步提高至66GW左右，2023-2027年新增装机容量复合增速约5.64%。 [2]

图2中国海陆风电市场增量展望

国外风力发电在本世纪初进入发展的高峰期，随着风机技术的发展，风机功率越来越大、叶片越来越长，风电混合塔筒技术的研发和应用也进入的市场的高峰期，与此同时，国内的风电企业也陆续的学习和引进国外技术进行开发和应用。早期技术以整环预制结合现场湿作业连接、体内预应力技术为主，施工速度慢，成本高于传统的钢塔筒，加上我国的风电技术发展落后于国外，前期混合塔筒技术并没有大面积的市场应用。

近年来我国新能源政策的推出，风电行业迎来了蓬勃的发展机遇。国内风机 向着大功率、大叶轮直径、单位度电成本降低等趋势发展 ，国内高风速地区的风电开发也日趋饱和，中、低风速地区的风电开发进入快车道。风机塔架的高度从120m向140m、160m、170m乃至180m快速发展，如图3所示 [4][5] 。风力发电机组塔架的荷载也越来越大，传统的钢塔架已经无法满足结构受力的要求，混合塔筒技术成为了市场的主流选择。

图3陆上机组大型化趋势

目前我国的风力发电塔架每年新增及扩容改建市场数量约为10000根左右，产值几千亿元。其中采用混合塔筒技术的大型风力发电机组2022年约为1000根，2023年预估为3000根左右 ，将形成近200亿元的市场规模，带动相关产业的生产总值近千亿元。且随着我国风力发电技术的发展，混合塔筒的市场规模将越来越大，占比整个风电塔架的市场比重也将越来越大，预估最终市场比重将超过60%。

目前混塔行业迎来了快速发展的机遇，但是由于行业近年来发展迅猛，也存在着各种制约行业健康可持续发展的问题，突出问题就是缺乏行业发展的标准规范体系，由于混塔技术在我国的发展时间较短，从业企业也较少，经验积累也相对不足。因此，行业现行参考的标准不同企业也各有差异，有些标准的缺失，也给混塔的设计、生产、施工验收等带来了极大的不便。

混塔技术涉及地质、机械、力学、材料、电力等多个学科，我国风电混塔行业正处于快速发展阶段，目前尚未建立完善的混塔技术标准体系，参照和引用标准以国标为准、行标和团标为辅。尽管混塔引用的国内外标准梳理高达数百项，但由于混塔独特的结构体系和特点，引用标准仍存在一定盲区和和模糊地带，甚至部分标准规定存在一定冲突；此外，不同混塔厂家有不同的结构型式和生产工艺，对引用标准的理解和认知不同，现有标准规范已不足以指导混塔行业健康稳定发展，同时也在一定程度阻碍了科研成果和创新技术的应用。

混塔设计主要引用标准见表1。国际上风电行业标准主要参考国际电工委员会(IEC)标准以及DNV标准，塔架结构设计方面主要参考IEC61400-6及DNVGL-ST-0126，塔架结构设计中针对材料的具体计算，主要引用欧洲建筑结构设计标准，如EN1992、EN1993、fibModelCode2010等。

过去，我国风力发电机组设计及管理经验均不足，风电行业相关国标主要引用了IEC标准，如GB/T19072-2010《风力发电机组塔架》、GB/T18451.1-2012《风力发电机组设计要求》等。国内塔架设计主要参考国外规范及国内类似建筑结构设计规范，如GB50010-2010《混凝土结构设计规范》、GB50135-2019《高耸结构设计标准》、JGJ369-2016《预应力混凝土结构设计规范》等。

随着国内风电行业的快速发展，我国虽积累了一定的基础研究和实践经验，也形成了部分团体标准成果，如TCEC5008-2018《风力发电机组预应力装配式混凝土塔筒技术规范》、NB/T10907-2021《风电机组混凝土塔筒设计规范》这些规范取得了开创性的成果，但尚未有一个统一成熟的规范，对于风电混塔结构较为系统的研究也还没有出现，造成了风电混塔塔架的设计缺乏充足的理论依据。需要进一步提高现有标准的深度和广度来规范和指导塔筒结构的设计。

1.混凝土及其原材料

国内混塔混凝土及原材料主要引用现行混凝土及原材料标准如表2和表3所示。

目前混凝土原材料相关标准已相对完善和成熟，但是针对特殊掺合料比如硅灰、微珠等超细粉料，目前各标准对检测方法、指标要求的规定存在一定冲突，第三方检测机构往往无法进行合格性的判定。

混凝土标准方面主要适用于C60及以下强度等级混凝土，随着近年来大功率风机、超高塔架的应用，C80及以上高强混凝土的应用已成为主流，但是在混凝土结构设计取值、配合比设计与计算、生产工艺、质量控制与验收等方面，仍存在一定标准盲区或规定冲突。

2.纤维增韧混凝土及UHPC

同时纤维增韧混凝土以及超高性能混凝土在混塔领域的研究与应用也逐年增加。虽现行建筑领域已有T/CECS10107-2020《超高性能混凝土（UHPC）技术要求》、JGJ/T221-2010《纤维混凝土应用技术规程》等行业标准或团体标准（见表4）。但UHPC结构设计材料性能取值相对保守，未能完全发挥其材料优势，在生产、制备工艺、强度评定及验收方面要求尚不明确，在混塔领域的应用属于探索和研发中。

此外，混凝土裂缝标准空白、规定模糊，对高强混塔构件裂缝控制指导性低。目前仅GB50010-2010(2015版)《混凝土结构设计规范》对预应力混凝土构件裂缝宽度限值进行明确，而针对风电混塔这种高强混凝土环形薄壁构件的抗裂计算与设计方法、抗裂设计材料取值与规定等尚未规定。对裂缝影响因素及生产质量控制、裂缝检测及评估、裂缝修补及加固等方向的研究，缺乏相应的技术规程和适用性标准。

3.预埋件

国内混塔的重要混凝土预埋件，如上下预埋锚板、吊件、锚栓等部 件（见图4） ，均缺乏相应专业标准，主要参考钢制塔架等相关的行业标准和国家标准（见表5）。

图4混塔预埋件实物

如上下预埋锚板无相应标准，只能按照主机厂家对钢塔基础环锚板或法兰相关内部技术规范和要求；部分行业标准参照机械行业标准JB/T11218-2020《风力发电塔架法兰锻件》，造成不同厂家不同标准，且存在简单引用的标准与混塔的实际受力工况不同造成部分技术指标不合理和执行困难。同时混塔内装部分相应的爬梯、照明等系统虽有钢塔对应的标准，但未明确是否适用混塔，急需混塔自有标准来明确。

随着风塔行业的快速更新迭代，国内外混塔的预应力材料、预埋件（预埋锚板、吊件、锚栓等）均参考钢制塔架、桥梁、建筑等相关的行业标准或国家标准，见表6。标准繁杂分散，适用范围和要求不同；造成无法参照或执行困难。同时预埋件本身种类繁多、使用数量少不利于形成针对混塔应用的相关标准和规范。各生产厂家亦没有公开、可量化的指标参数可供参考，再加上与风电混塔相关的国家及行业标准中缺乏产品质量指标约束性要求。

4.质量验收

目前国内的混塔产品验收标准以行业标准为主（见表6），其内容偏少仅属综合性规范一小部分；且因此受产品类型不同、制作模式不同、预应力体系不同等影响形成不同的验收标准；也因标准编制所属行业特点不同、侧重点不同造成标准中验收内容、方法和要求均有差异；甚至出现同一类型产品的标准存在极大差异的情况。过程中钢筋工程、模具质量验收主要参照建筑业行业通用标准，但无完全适用混塔类弧形构件的验收和质量控制需求。

以构件外观质量和尺寸偏差为例，目前存在的标准限制如下：

混塔施工材料和施工验收规范主要引用标准见表7和表8，针对混塔施工的专门标准仍相对缺乏，详见表7和表8。

以混塔预应力体系为例，目前国内混塔预应力有体内和体外两种，但T∕CEC5008-2018《风力发电机组预应力装配式混凝土塔筒技术规范》内容主要是体内预应力体系的装配混凝土塔筒相关要求，与市场主流的体外预应力体系产品有一定差异性和适用性的问题。

（a）体内预应力（b）体外预应力

图5 混塔预应力体系

近年，随着市场需求量增长陆续出现了一批能源行业标准NB/T10908-2021《风电机组混凝土塔筒施工规范》、NB/T10906—2021《陆上风电场工程风电机组基础施工规范》、NB/T10628-2021《风电场工程材料试验检测技术规范》，但因其编制时间较早，涉及混塔塔型少，内容也仅仅简单章节表述，其又涵盖了现场现浇混凝土和预制装配式混凝土工艺方式的技术要求，造成标准内容的深度和细度远远不能满足混塔产品快速发展上升对相关标准规范支撑的需求，加之近年来混塔发展快，新施工设备、施工方式、施工材料不断应用，需要更为细化、更为专业和更为全面的标准。

鉴于目前混塔引用标准的不足，结合混塔独特的结构体系和构造特征，因此亟待形成一套专有的标准体系，涉及结构涉及、材料要求、生产工艺、质量控制、质量验收、施工工艺、运维养护等各个环节，用于规范指导混塔行业健康、稳定、可持续发展，计划编制的混塔标准体系如表9所示。

混塔系列标准体系的制定和统一，不仅可规避目前执行标准不一致、规避生产、施工及验收环节存在的困惑和争议，形成满足我国工程质量监管体系要求的混塔设计、生产、施工、运维等系列化标准，更有利于混塔行业健康发展。标准编制过程中，更利于实现科研成果共享，促进各种新技术的应用，发挥标准引领创新作用，满足市场对技术和质量的更高需求，促进我国混塔产业向更高水平和质量发展。

参考文献：

[1] 中国风电产业发展报告（2023）[J].电气时代,2023(05):14-19.

[2] 吕萍,石耀鹏.中国风电产业进入市场化高质量发展阶段[J].风能,2023(05):72-76.

[3] 王经亚.陆上风电塔筒产品发展趋势探析[J].中国设备工程,2022(10):223-226.

[4] 牛家兴. 预应力混凝土—钢组合风电塔架结构性能研究[D].湖南大学,2014.

[5] 赵靓.百米之上的进化[J].风能,2022(01):22-28.