风力发电用的塔筒技术工艺发展分析

第一节 风力发电用的塔筒基本生产技术、工艺或流程

当前，常见的风力发电用塔筒的生产工艺包括：下料切割，筒体纵、环缝焊接、筒体液压自动组对、法兰自动焊接、自动喷砂喷涂等。

其中，较为重要的工艺环节是下料和焊接环节。包括环缝焊接和法兰焊接。在塔筒焊接流程中，常用的设备有：30T组队滚轮架、60T电动行走滚轮架、80T喷砂滚轮架、60T喷漆滚轮架、底法兰焊接中心、内外环缝纵缝焊接操作机等。

第二节 风力发电用的塔筒新技术研发、应用情况

2008年7月，山东安得利斯风电技术装备有限公司研制成功一种风电塔筒基础环角焊缝自动焊接装置。该装置属于金属焊接专用装备。这一新型装置解决了塔筒基础环下法兰与基础环手工焊接角焊缝质量不稳定的问题，其特征在于将槽钢采用手工对接焊接方式做成与水平面成20°倾角的三角形槽钢支架，将调整板垂直手工角焊接方式焊固在钢板上，然后将筋板分别与调整板、钢板焊固，组成一个定位底座，焊固在三角形槽钢支架斜面底部，将挡滚与轴承座装配后，焊固在轴承底座固定板上，组成一滚动装置，通过连接螺栓与调整板连接，通过挡滚实现基础环定位，将带有制动器的滚轮架，通过手工焊接方式焊接在三角形槽钢支架的斜面上。可以有效提高基础环下法兰角焊缝质量。

2009年10月，东莞施罗德机械发布了一种新型风电塔筒组对系统。该系统的专门设计至少能减少50%风塔节焊前定位时间。这一创新设计包括塔节校准的自动化，一个无线遥控器控制所有校准操作，简单有效的系统结构等。这些功能解决了塔节校准过程中，对传统工具的依赖，并能有效减少废料。

第三节 风力发电用的塔筒国外技术发展现状

１、德国

德国的装机容量一直世界领先，这完全是由其有力的法律条文来保证的。发展大型风机的研发目标，基于生产的电力信贷和许多其他相关政策以及软贷款、出口协助，促成了德国风力发电市场的发展。在1989年到2008年，德国技术研究部将为选定为示范项目且技术上证明是先进的风力发电项目支付基于生产的电力信贷，“电力接入法案”同时也为本国的风场发展和风力发电技术创造了良好的环境。为了支持德国产风机的发展，政府为风力发电项目提供利率极低的软贷款，政府还出台了一些国际帮助计划，如只提供给风机制造商的专项资助用于在不同风况下测试德国产风机的计划。德国也有其风机的设计和型号认证。

德国在1991开始施行的电力接入方案是其风力发电发展成功的源动力，它要求电网支付至少不含15％税金的90％电力零售价给所接入的风力发电电量。后来到2000年，德国可再生能源法案开始施行，方案要求到2010年德国电力的10％由可再生能源供给，并规定了可再生能源的接入电价。可再生能源法案每两年由德国经济，环境和农业部根据具体情况修订一次。

２、丹麦

丹麦制造商在开发风能技术方面是一流的，他们占据了大部分的世界风能市场。丹麦政府很早便制定了合适的发展目标，并建立了严格的认证制度，这对风机向大容量发展提供了保证，而且辅助以政府贷款以及出口方面的协助。本土稳定的市场需求为其风机制造商的发展提供了良好的环境。现在，丹麦的认证规是“丹麦机型许可和风机认证的技术规范”，丹麦的能源主管部门负责监督其施行，丹麦的国家实验室则作为其信息中心。丹麦政府通过“丹麦风机担保”计划支持本土风机的制造，为使用丹麦风机的大项目提供长期融资和贷款担保。

为了在世界范围推广丹麦的风机，丹麦的“丹麦国际开发署”，对使用丹麦风机的项目提供直接的资助和项目开发贷款。另一方面丹麦采用了世界上最早且最成功的固定电价的机制，这种稳定的机制也确保了丹麦本土风机制造市场的持续需求。早在1979年，丹麦环境部便强制要求风力发电并网，并要求，每个风场经过商讨后的接入费用的部分由电网给付。从1992年开始，电网被要求以85％的净电价来购买风力发电电量，且不含生产税和配电成本。丹麦的风力发电市场在过去的20多年中一直可以获得稳定政府的资金资助，如从上个世纪90年代，丹麦有用大容量风机替代小容量风机或选址较差的风机，这些项目可以获得20－40％替代费用的资助。现在的丹麦海上风力发电场项目的施行通过政府的招标，陆上风场通过一系列的生产激励来资助。

３、荷兰

荷兰在早期和丹麦是风力发电发展的先锋，但是没能在之后的发展中保持其领先地位。荷兰除了给予研发一定的资助并没有明确的鼓励本土风机制造的政策，在研发的大量投入，希望快速的产生效果，但是研发与生产的脱离使其很难达到预期的目的。在风力发电市场方面，荷兰一直采用固定电价的机制，但最近由于其不够稳定，又尝试了如绿电市场等机制。荷兰政府还制定了到2020年可再生能源的比例达到10％。

４、西班牙

最初西班牙政府为了建立本国的风力发电工业，鼓励国外的风机制造商将生产基地建立在西班牙的本土，这样允许他们得以进入西班牙的风力发电市场。

西班牙政府强制要求在西班牙领土上安装的风机的本地化程度。现在一些西班牙的自治省份还要求这样的本地化率。对满足要求的风场，在南部省份有每度电0.005美金的补助，再加上联邦政府的每度电0.01美金，总计0.015美金。2001年1月份要求30％的本地化率，2003年1月份要求60％，到2005年要求80％。从2007年1月份开始，如果要想得到补助，风场的所有设备必须全部由本地企业生产。

西班牙风机制造的迅猛发展源自于固定电价的政策。西班牙电网被强制在5年里以规定的电价并加上一定的奖金激励。

西班牙也采用欧洲的目标即：到2010年12％的电能来自于可再生能源，设定了到2010年每年有21.5兆亿度电，或每年9000MW的装机。在注意到这个目标可能被提起实现，这个目标被提高到2011年13000MW，或28.6兆亿度电。而且之后风力发电收入的税收可以延期缴纳达15年。

５、美国

美国在世界上的总装机容量位列第二，但是其每年的装机容量由于没有稳定的政策变化很大。因此，美国本国的风力发电市场无法给风机制造商提供稳定的需求。而在2002年，能源巨头GE进入风能给美国市场以极大的改观。美国对本国风力发电制造的支持限于公共的研发，而且是对风力发电研发投资最多的国家。

美国的风力发电装机发展的政策支持一直不连贯，美国的风力发电工业最初在上个世纪80年代加利福尼亚开始，因为该州制定了固定电价的机制。到后来的90年代随着固定电价政策的到期，风力发电的发展速度放缓了，但到1999年又重新开始了。除了各州制定的激励政策外，联邦政府对风力发电也有鼓励政策，尤其是生产税收减免政策，即给合格的发电设施的前10年的所发电力提供由于通货膨胀的价格调整，在2003年有每度电1.8美分的补贴。生产税收减免最初由1992年的能源政策法建立，在1994年到1999年有效，后延期到2001年底，再到2003年底，目前延期到2005年底。生产税收减免对促进风力发电装机容量非常有效，但由于其隔一段时间就需要延期，这使得美国风力发电发展起伏很大。美国风机的发展还有一项全国范围的可再生能源配比标准（RPS），即强制要求在不同的时间里达到不同比例的可再生能源的容量。18个州已经施行了这一政策，而且是风力发电为主，同时，14个州还设立了可再生能源基金，用于尤其是风力发电的发展。

６、加拿大

加拿大风力发电的准入标准很高，这给风力发电产业带来了不少障碍。加拿大的一些地方政府正在本地区执行将风力发电场开发与国产化比例要求结合起来的政策，强制新建风力发电项目的一定比例成本必须直接到投资本地经济中。政府还规定在该地区组装风机机舱，开发商必需在其项目投标文件中承诺制造厂商将在该地区建立组装厂。魁北克省政府规定，对于本地区风力发电制造业的劳动力成本享有４０％的税收优惠，并且在２０１０年前对全部制造行业实行免除税赋。加拿大政府从1974到2003年间为风力发电研发共投资了1亿美元。

在建立稳定的风力发电市场方面，加拿大还没有制定相关的政策，但是已经有迹象表明政策很快会出台。

加拿大于2003年6月开始执行风力发电发电激励政策（WPPI），为风力所发的电量提供了0.01美元/千瓦时的补贴，但规定了所支持的风力发电容量的上限。加拿大还为风力发电的赠款项目提供几个免税期。一些省份也正在讨论实施再生能源配额制和政府牵头组织风力发电场项目的招标采购，一些地方政府和商业用户自愿购买了绿色能源。

７、英国

到目前为止，英国几乎没有支持风力发电行业发展的激励政策。然而，英国政府从1977年到2003年的对风力发电研发的总投资超过2亿美元。英国的可再生能源政策的不稳定，导致了每年新增风机装机容量的不稳定。在90年代，非化石燃料公约可以为可再生能源发电的发展提供阶段性的保证，但是这些投标都不是很确定的，其合同收益方面也不足以让制造商对英国产生兴趣。目前，在英国授权的电力供应商必须强制遵守“可再生能源义务”（RO），即：从2002年到2003年，每年供应3％，然后从2010年－2011年提高到10.4％。到2027年RO预计至少停留在10.4％的水平。通过可再生能源所产生的电力也被免除了气候变化税，对于海上风场还有额外的资金补助。虽然，这些政策措施目前对于英国的风力发电的发展相当有吸引力，但是，由于风场选址以及批复方面的阻力，让这个市场很不稳定。

８、澳大利亚

虽然澳大利亚政府在历史上几乎没有支持风能发展的政策，但是澳大利亚政府的能源可持续发展会最近实施了一系列的项目来促进可再生能源发电和用可再生能源替代化石燃料。例如，可再生能源投资项目（RIP）支持在新型可再生能源生产设备方面的资金投入。另外，澳大利亚政府也有一些项目来鼓励公司投资于研发方面，这十分有益于早期风力发电公司的发展。这包括研发启动（R&D）项目，这个值得褒扬的项目旨在通过一系列的补助款和贷款，来促进澳大利亚工业的研发和商业化，等等。澳大利亚在风能研发的公共支出是最小的。

澳大利亚采用了强制可再生能源目标（MRET），要求到2010年每年的可再生能源发电达到95亿千瓦时。澳大利亚??标到2010年5000MW的，因为他们相信MRET没有足够的能力来在澳大利亚促使建成风机的制造基地。澳大利亚也有一些国家级温室气体减排项目为可再生能源和绿色电力市场项目提供补助，贷款和资本金。

９、印度

印度当前是发展中国家里风机制造能力和总风机装机容量的佼佼者。印度采取了一些直接的步骤来鼓励本地制造。比如，印度规定了相关关税来鼓励进口风机零部件而不是整套的风机。但是对于风机制造中特殊的轴承，变速箱，偏航零部件和传感器，或者用于转子叶片制造的部件和原材料则免征关税。对用于风机制造的液压刹车部件，万向耦合器，刹车钳，风机控制器和转子叶片的关税则减少征收，对用于发电机制造的部件采取免税政策。印度也根据大部分国际测试认证标准，制定了风机的国家认证标准，由非传统能源资源部（MNES）管理。印度从90年代开始就是风力发展的积极支持者。在90年代的时候，由于一系列多样化的税务方面鼓励、吸引人的退税政策，和一些贷款优惠政策，印度的市场经历了一次重大的飞越。例如，在项目进行装机的第一年，所有的风机都可以按100%折旧，并且享受5年的税务优惠。国家在1995年6月制定的对风能项目实施的导则（后又在1996年6月完善）强制要求所有的国家电力部门以及他们的下级部门和网点都必须做出计划来保证规划的风力发电项目的电网接入的适应性，在对项目给与批复同意之前，他们还要从独立的顾问公司那里咨询所有规划的风能发电项目的详细项目报告（针对装机容量大于1MW的）来评估项目的资金成本和根据保证功率曲线和风场风数据计算的预计发电量。

在90年代中期对未来市场成长的期盼吸引了一定数量的公司进入印度市场。

然而，即使拥有强力的适应风力发电场发展的政府规则，在90年代末由于不准确的风资源数据、低水平的风机安装工艺和低等的风机性能，还是导致了在90年代末和2000年代初印度市场装机容量的急剧下降。这个时期的政策导向也开始不稳定。

在最近一些年，市场开始进行自身的重组。印度政府实行了特许权项目，已经规划了50个风力发电场。一些省份的扶助政策也刺激了近期的发展。

10、巴西

巴西政府出台了管理风力发电场发展的政策，包括严格的本地化配套要求，主要是通过Proinfa15的立法（对可替代资源发电项目的鼓励法案）。Proinfa旨在增加独立能源制造商在国内电力发电中的参与能力，并且提供一个到2006年以固定价格强制购买3300MW可再生能源的合同，其中分别包括风力发电，生物能和小水电。可再生能源项目亦有权使用优惠信贷。从2005年1月开始，Proinfa立法要求风力发电场总投资的60%必须在巴西国内采购；而只有能保证达到这个指标的公司才有资格可以参与投标。另外，从2007年以后，这个指标将增长到90%。

根据上述的Poinfa法案，由一个国家机构Eletrobrás以一个极具竞争力的价格签署的风力发电场20年的购电协议，这第一次预示着巴西有风能发展环境的稳定。第一个Proinfa项目将于2006年12月并网。Proinfa的第二阶段包括在未来的20年里实现可再生能源提供10%的国家电力。

11、日本

日本并没有在鼓励本地制造上发挥特殊的积极角色。然而，日本的新能源与工业技术发展组织（NEDO），补贴了私人公司风机安装费用的三分之一，并且地方政府还补贴了一半的装机费用。政府通过了建议书，计划在15-17年的固定合同期内以居民用电的零售价来购买可再生能源所生产的电力，实质上，就是为风力发电制定了固定电价。日本还确定可再生能源到2010年要占到日本基本能源的3%，而且每个电力零售商到2010年必须有1.35%的销售来自风力发电。政府也制定了官方的目标到2010年风机安装容量增加到3000MW。

第四节 风力发电用的塔筒技术开发热点、难点分析

1、防腐技术一直是风力发电用塔筒行业中开发的热点和难点

以往，钢结构及网架的防腐蚀没有受到应有的重视，只采用手工除锈，涂刷一般红丹底漆和普通油漆，使用半年或一年后，涂层起泡、透锈、脱落，钢材受到腐蚀，返修十分困难。

防腐层受到破坏是多种因素造成的，其主要原因是涂层材料不耐腐蚀以及涂层施工方法不当。

钢结构和网架长期暴露在空气中，当气候变化时，空气的相对湿度超过某一临界值，在钢铁的表面就会形成水膜，这空气湿度的临界值与钢铁表面状态和表面有无吸湿物有关。

当空气被污染或在沿海地区空气中含盐时，临界湿度都很低，钢铁表面容易形成水膜。

钢铁的腐蚀主要是电化学腐蚀，钢结构在焊接时造成与母材材质的差异，焊渣及应力都会形成腐蚀电池的阴极和阳极区，尤其是钢铁表面除锈不彻底，钢材表面留有一层轧制的氧化铁皮。有些人认为这氧化皮不是锈，其实不然，这氧化皮是高温腐蚀产物，主要是四氧化三铁，它在含微量盐的水中，与钢铁的电极电位差可达0.26伏。在水膜中，轧制氧化皮将作为在的阴极，纯钢铁形成阳极。阳极不断地被腐蚀，阴极逐渐地扩大，锈蚀产物拱破涂层，钢结构被腐蚀。

要作好防腐工程，达到长效防腐的效果，必须满足三项基本要求，即：做好表面处理、选择高性能材料、达到一定的涂层厚度。

１、表面处理

表面处理非常重要，同一种油漆，同一种腐蚀环境，使用抛喷射除锈较手工除锈漆膜寿命可延长三倍到五倍。

应清除钢铁表面的污物和锈层，尤其是轧制钢材时形成的黑氧化皮，它是电化学腐蚀的阴极，是腐蚀的根源，必须除掉。表面处理质量应达到涂装前钢材表面预处理规范的Sa2.5级。

２、材料选择

表面涂刷专用防腐漆，仍是目前对钢结构及网架防腐的主要手段。防腐漆按保护功能可分为底漆、中层漆和面漆，各层油漆均有其特性，各负其责，几层组合起来，形成复合涂层，提高防腐性能，延长使用寿命。

1）底涂层

（１）富锌底漆

富锌底漆是由大量的微细锌粉与少量的成膜基料组成。锌的电化学活性比钢铁高，在受到腐蚀时，有"自我牺牲"的作用，使钢铁被保护。腐蚀产物氧化锌又填充了空隙，使涂层更加致密。作为防腐蚀涂装系列的底漆，一般厚度为30—40微米，太厚易龟裂和剥落。常用的富锌底漆有三种：

水玻璃无机富锌底漆：五十年前研制的无机富锌底漆是以水玻璃为基料，加入锌粉，混合后涂刷。固化后要用清水冲洗，施工工艺复杂，工艺条件苛刻，表面处理必须在Sa2.5级以上，另外对环境温度、湿度都有要求，形成的涂膜易开裂、脱皮，目前已很少采用。

醇溶型无机富锌底漆：该底漆是以正硅酸乙酯为基料，以酒精为溶剂，经部分水解聚合，加入锌粉混合均匀后涂覆成膜。

有机富锌底漆：有机富锌底漆是以环氧树脂为成膜基料，加入锌粉，固化形成涂层。环氧富锌底漆不但防腐性能优良，而且附着力强，并与下道涂层环氧云铁中层漆结合紧密，与其他高性能的中层漆均有良好的粘结性。主要用于一般大气中的钢架结构和石油化工设备的防腐。

（2）环氧铁红底漆

环氧铁红底漆是分罐装的双组份涂料，甲组份（漆料）由环氧树脂、氧化铁红等防锈颜料、增韧剂、防沉剂等制成，乙组份为固化剂，施工时按比例调配。

氧化铁红是一种物理性防锈颜料，其性质稳定、遮盖力强、颗粒细微、能在漆膜中起到很好的屏蔽作用，有很好的防锈性能。环氧铁红底漆对钢板及上层环氧面漆均有很好的粘结力，常温干燥快，对上层面漆不渗色，较普遍地用于钢质管道、贮罐、钢结构防腐工程，作防锈底漆使用。

环氧铁红底漆中含有缓蚀剂，当面层漆受到破坏后，底漆缓蚀剂起到钝化和缓蚀作用，仍可保护钢铁。

２）中涂层

中涂漆一般为环氧云铁漆和环氧玻璃鳞片漆或环氧厚浆漆。

（１）环氧云铁漆

环氧云铁漆是以环氧树脂为基料加入云母氧化铁制成，云母氧化铁的微观结构像片状云母，其厚度仅为数微米，而直径为数十微米到100微米。它耐高温、耐碱、耐酸性、无毒，片状结构可阻止介质渗透，增强了防腐性能。它收缩率低，表面有粗糙度，是一种优良的中层防腐漆。

（２）环氧玻璃片漆

环氧玻璃鳞片漆是以环氧树脂为基料，以薄片状的玻璃鳞片为骨料，再加各种添加剂组成的厚浆型防腐漆。玻璃鳞片厚度仅为2—5微米，片径为100—3000微米。由于鳞片在涂层中上下多层排列，形成独特的屏蔽结构。

玻璃鳞片涂料比云铁涂料有更多的优点，一般涂一遍可达150—300微米。日本关西海上机场和本洲到四国的跨海大桥的钢结构都使用环氧玻璃鳞片涂料，涂层厚度达到1000微米。

３）面涂层

用于面漆层的涂料按其价位可划分为三种等级；

（1）普通级为环氧漆、氯化橡胶漆、氯磺化聚乙烯漆等；

（2）中等级为聚氨酯漆；

（3）高等级为有机硅改性聚氨酯漆、有机硅改性丙烯酸面漆、氟涂料等。

环氧漆经化学固化后，化学性质稳定，涂层致密，有很强的粘接力，很高的机械性能。它耐酸、碱、盐，能抵抗多种化学介质的侵蚀。在东化公司试验室中，环氧漆试件浸在硫酸、盐酸、氢氧化钠溶液，盐水和汽油、柴油、原油等16种化学介质中最长已达15年之久，但仍保持完好，足可证明环氧漆是一种十分可靠的防腐材料。

氯化橡胶漆以氯化橡胶为成膜物，氯化橡胶是用天然橡胶与氯气反应制成，它属惰性树脂，成膜后密封性能非常好，水汽、氧气对漆膜的渗透率极低，而且耐酸、耐碱、耐水、耐氧化剂、耐各种腐蚀性气体的腐蚀，在用醇酸树脂改性后，耐侯性好，在使用过程，漆膜理化性能变化很小，可以说是一种经济耐用的防腐材料。

２、涂层厚度

涂料是防腐蚀的中间材料，必须经过涂装才能形成涂层。如果涂层厚薄不均，钢材表面的毛刺或锚纺的高峰会露出涂层。如果涂层施工遍数少，涂层有针孔，水中的氧、氯离子、水分子等会穿过这些薄弱的地方，使钢铁生锈腐蚀。腐蚀产物体积膨胀，形成锈包，逐渐扩大，最后涂层起泡脱落。

为了防止水、氧和电解质穿过涂层，最好选用几种高性能的防腐涂料组成一个加厚的复合防腐涂层体系，即：重防腐蚀涂层体系。

从公式：T=L2/6D可以看出：使用寿命T与涂层厚度L的平方成正比。增加涂层厚度,能加强涂层的隔离能力，是提高涂层寿命，保护钢铁的有效手段。采用新型的高固体份厚浆涂料，经少量次数的涂装，可以得到250—500微米的重防腐蚀涂层，而超重防腐蚀涂层厚度可达1000—2000微米，防腐涂层厚度一般最少不低于200微米，厚度要均匀、连续完整、无针孔。交工前要用测厚仪和电火花检漏仪检查，可参照中国石油天然气行业标准SY/T0447-96检查验收。

2、制约因素

在技术发展的同时，仍然存在一些制约因素：

1）政治制约：在2003年以前，缺乏风电发展目标和切实可行的战略规划；缺乏有效的经济激励机制和强有力的体制保障；缺乏鼓励风电技术和设备国产化的政策措施；缺乏有效的投融资体制；缺乏政府指导下的风电采购政策；缺乏强有力的宣传，公众对可再生能源的认识不足。

2）技术制约：国内风电研发技术仍显薄弱，风电产业链发育不完善，风电设备产能不足，大型风电设备依然依赖进口。

第五节 风力发电用的塔筒未来技术发展趋势

塔筒的防腐保护是未来技术发展的一大重点，目前国内已经自主研发出配套涂层材料、风力发电机叶片复合树脂材料及风力发机叶片保护等涂料。通过与国外同类产品各项指数对比，我国的风力发电机塔筒防腐蚀涂料新产品的成功研发为风发电配套涂层材料国产化迈出了坚实的一步，具有巨大的经济效益和社会效益，今后的塔筒一定会在材料技术上发展得越来越好。

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