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先进复合材料的应用扩展Ⅱ 先进复合材料在能源工业和环保领域的应用技术和市场预测

2012-7-27 16:06| 发布者: frp论坛客服| 查看: 2578| 评论: 0

摘要: 吴良义(天津市合成材料工业研究所,天津300220) 摘 要:介绍了环氧树脂基体先进复合材料在能源工业的应用技术和市场现状,并对十二五期间的市场进行了规划目标介绍。 关键词:碳纤维;先进复合材料;环氧树脂;能源工 ..
[align=center][size=2][font=楷体_GB2312][font=宋体]吴良义[/font][/font][/size][/align][align=center][size=1][font=华文中宋](天津市合成材料工业研究所,天津300220)[/font][/size][/align]
[size=1][font=华文中宋] [/font][/size]
[size=1][font=华文中宋]摘 要:介绍了环氧树脂基体先进复合材料在[color=black]能源工业[/color]的应用技术和市场现状,并对十二五期间的市场进行了规划目标介绍。[/font][/size]
[size=1][font=华文中宋]关键词:碳纤维;先进复合材料;环氧树脂;能源工业[/font][/size][align=left][color=black][font=黑体] [/font][/color][/align]
[color=black][font=黑体]0. 前言[/font][/color]
[font=宋体]围绕兆瓦级叶片开发的新颖高性能玻璃纤维和高强低粘树脂,对整个玻璃钢传统市场是极大的变革,将使高性能船艇、航天航空零配件、汽车零配件,从传统的[/font][font=宋体]FRP[font=宋体]原材料中脱胎换骨,变得更轻、更强、功能更多,为玻璃钢新兴市场提供新的空间。[/font][/font]
[font=新宋体]2010年我国发电装机容量9.62亿kw,2000年~201O年的增长情况见图1。2010年[/font][color=black][font=新宋体]国内太阳能光伏电池产量8GW,2005年~2010年国内太阳能光伏电池产量增长情况见图2。[/font][/color][font=新宋体]我国发电装机容量中,火电装机容量达70663万千瓦,继续向着大容量、高参数、环保型方向发展,年底全国在运百万千瓦超超临界火电机组达33台,还有11台在建。全年关停小火电机组超过1100万千瓦。[/font]
[font=新宋体]非化石能源发电装机比重上升至26.53%。其中,水电开发步伐加快,装机容量突破2亿千瓦,达21340万千瓦。[/font][font=新宋体]占全国发电装机容量超过20%。[/font][font=新宋体]核电装机容量1082万千瓦,在建规模达26台2941万千瓦。全年新增风电并网容量1399万千瓦,总并网容量达3107万千瓦。[/font]
[color=black][font=新宋体]到2015年,全国总装机容量将达到14.36亿千瓦,“十二五”其间年均增长8%。[/font][/color][font=新宋体],“十二五”时期,全国发电装机容量在结构上将发生变化,首先我国煤电比例将下降,从70%下降到64%,风电、水电及核电等清洁能源的比例将得到很大提高。,“十二五”时期,水电重点要开发金沙江、大渡河等水电基地,[/font][font=新宋体]将开工水电项目1.2亿千瓦,平均每年开工2400万千瓦,帮助我国实现2020年的节能减排目标,履行减排承诺。[/font][font=新宋体]核电将在沿海地区得到快速发展。风电在今后十年将建设7个千万级的发电,相当于建立7个三峡,主要分布在新疆、甘肃、内蒙以及江苏等地。[/font]
[font=新宋体]智能电网发展对上游产业发电侧的促进,对风力发电最有利,其次是太阳能;电网侧方面,电力[/font]
[color=black][font=新宋体] [/font][/color]
[color=black][font=新宋体][/font][/color]
[color=black][font=新宋体][/font][/color]

[font=新宋体]电子设备制造发展空间最大,电路电容器、变压器、开关设备等反倒不是获利最大的上游行业;用户侧产业有电动汽车、太阳能制造等。[/font][font=宋体]2010[font=宋体]年,交通运输的玻璃纤维用量占到玻璃纤维总量的[/font]16[font=宋体]%,而汽车工业占这部分总量的[/font]80[font=宋体]%;电子/电力的玻璃纤维用量占到玻璃纤维总量的[/font]21[font=宋体]%,玻璃纤维布占全世界印刷线路板增强材料的[/font]55[font=宋体]%;另外建筑市场的玻璃纤维用量占到玻璃纤维总量的[/font]34[font=宋体]%。[/font][/font]
[color=black][font=黑体] [/font][/color][color=black][font=黑体]1. [/font][/color][color=black][font=黑体]风力发电机叶片[1][/font][/color][color=black][font=黑体] [/font][/color]
[font=宋体][color=black][font=楷体_GB2312]1.1 [/font][/color][color=black][font=楷体_GB2312]风力发电市场现状[/font][/color][color=black][font=楷体_GB2312][/font][/color][/font][color=black][font=新宋体]据了解由于对风力发电用叶片强度和刚度的[/font][/color]
[font=新宋体][/font][size=1][font=黑体]图3 玻璃纤维在各领域应用的分布[/font][/size][size=1][color=black][font=黑体]
[/font][/color][/size]

[color=black][font=新宋体]要求越来越高,30多米以上的玻璃钢叶片是由环氧树脂和碳纤维粘合制作,德国公司最大的风叶已达到82m。目前风能作为清洁能源受到重视,我国沿海和西北地区的风车田开发,将需求高性能风机叶片。四川东方气轮机厂已于2004年全套引进德国REPOWER公司风力发电机项目,这标志我国风田开发正式启动运行。该项目的风叶直径达35m,由丹麦在天津的独资企业制造配套,并进行国内原材料配套消化吸收。[/font][/color][font=宋体]2007[font=宋体]年以来,中国大飞机和风电复合材料开始快速发展,其使用的胶粘剂和复合材料基体树脂几乎全部靠进口,所以[/font]2010[font=宋体]年中国环氧树脂进口量合计达到[/font]30.96[font=宋体]万[/font]t[font=宋体]。比[/font]2009[font=宋体]年同期增长了[/font]34%[font=宋体],增长率的[/font]80%[font=宋体]与中国风电材料的高速发展遥相呼应。可以说风机叶片和大飞机复合材料机体环氧树脂约[/font]6[font=宋体]~[/font]8[font=宋体]万[/font]t[font=宋体]。[/font][/font]
[font=宋体]2010年装机总容量达到42305MW。新增16500MW,按1.5兆瓦推算,全年叶片总量达32966片,树脂用量达10.6万吨,加上外资企业出口叶片树脂量可达14万多吨。[/font][font=新宋体]2001年~2010年风电增容及其配套材料的市场变化情况见表1。[/font][font=新宋体][/font][align=left][size=1][font=黑体] [/font][/size][/align][align=left][size=1][font=黑体]表1 2001年~2010年风电增容及其配套材料的市场变化情况[/font][/size][/align][table=583,#ffffff,,0][tr][td]
[font=宋体]年[/font][font=宋体] [font=宋体]份[/font] [/font][/td][td]
[font=宋体]新增容量[/font][font=宋体] /MW [/font][/td][td]
[font=宋体]累计容量[/font][font=宋体]/MW [/font][/td][td=1,1,76]
[font=宋体]1.5MW[/font][font=宋体]配置[/font][font=宋体] /[font=宋体]台[/font] [/font][/td][td]
[font=宋体]配套叶片[/font][font=宋体] /[font=宋体]支[/font] [/font][/td][td]
[font=宋体]机仓罩[/font][font=宋体] /[font=宋体]台[/font] [/font][/td][td]
[font=宋体]叶片总量[/font][font=宋体] /[font=宋体]万[/font]t [/font][/td][td]
[font=宋体]机仓罩总量[/font][font=宋体]/[font=宋体]吨[/font] [/font][/td][td]
[font=宋体]FRP[font=宋体]总量[/font]/[font=宋体]万[/font]t [/font][/td][/tr][tr][td]
[font=宋体]2001 [/font][/td][td]
[font=宋体]57.2 [/font][/td][td]
[font=宋体]398.8 [/font][/td][td=1,1,76]
[font=宋体]3.8 [/font][/td][td]
[font=宋体]11.4 [/font][/td][td]
[font=宋体]3.8 [/font][/td][td]
[font=宋体]0.069 [/font][/td][td]
[font=宋体]107 [/font][/td][td]
[font=宋体]0.079 [/font][/td][/tr][tr][td]
[font=宋体]2002 [/font][/td][td]
[font=宋体]66.3 [/font][/td][td]
[font=宋体]46+5.1 [/font][/td][td=1,1,76]
[font=宋体]4.4 [/font][/td][td]
[font=宋体]13.2 [/font][/td][td]
[font=宋体]4.4 [/font][/td][td]
[font=宋体]0.08 [/font][/td][td]
[font=宋体]124 [/font][/td][td]
[font=宋体]0.092 [/font][/td][/tr][tr][td]
[font=宋体]2003[/font][/td][td]
[font=宋体]98.3 [/font][/td][td]
[font=宋体]563.4 [/font][/td][td=1,1,76]
[font=宋体]6.6 [/font][/td][td]
[font=宋体]19.8 [/font][/td][td]
[font=宋体]6.6 [/font][/td][td]
[font=宋体]0.12 [/font][/td][td]
[font=宋体]183 [/font][/td][td]
[font=宋体]0.14 [/font][/td][/tr][tr][td]
[font=宋体]2004 [/font][/td][td]
[font=宋体]196.8 [/font][/td][td]
[font=宋体]760.2 [/font][/td][td=1,1,76]
[font=宋体]13 [/font][/td][td]
[font=宋体]39 [/font][/td][td]
[font=宋体]13 [/font][/td][td]
[font=宋体]0.24 [/font][/td][td]
[font=宋体]367 [/font][/td][td]
[font=宋体]0.27 [/font][/td][/tr][tr][td]
[font=宋体]2005 [/font][/td][td]
[font=宋体]506.9 [/font][/td][td]
[font=宋体]1267.1 [/font][/td][td=1,1,76]
[font=宋体]34 [/font][/td][td]
[font=宋体]102 [/font][/td][td]
[font=宋体]34 [/font][/td][td]
[font=宋体]0.61 [/font][/td][td]
[font=宋体]946 [/font][/td][td]
[font=宋体]0.70 [/font][/td][/tr][tr][td]
[font=宋体]2006 [/font][/td][td]
[font=宋体]1288 [/font][/td][td]
[font=宋体]2554.7 [/font][/td][td=1,1,76]
[font=宋体]859 [/font][/td][td]
[font=宋体]2577 [/font][/td][td]
[font=宋体]859 [/font][/td][td]
[font=宋体]1.55 [/font][/td][td]
[font=宋体]2404 [/font][/td][td]
[font=宋体]1.79 [/font][/td][/tr][tr][td]
[font=宋体]2007 [/font][/td][td]
[font=宋体]3311 [/font][/td][td]
[font=宋体]5865.9 [/font][/td][td=1,1,76]
[font=宋体]2207 [/font][/td][td]
[font=宋体]6621 [/font][/td][td]
[font=宋体]2207 [/font][/td][td]
[font=宋体]3.97 [/font][/td][td]
[font=宋体]6181 [/font][/td][td]
[font=宋体]4.60 [/font][/td][/tr][tr][td]
[font=宋体]2008 [/font][/td][td]
[font=宋体]6154 [/font][/td][td]
[font=宋体]12020 [/font][/td][td=1,1,76]
[font=宋体]4103 [/font][/td][td]
[font=宋体]12490 [/font][/td][td]
[font=宋体]4160 [/font][/td][td]
[font=宋体]7.00 [/font][/td][td]
[font=宋体]11488 [/font][/td][td]
[font=宋体]8.54 [/font][/td][/tr][tr][td]
[font=宋体]2009 [/font][/td][td]
[font=宋体]13803 [/font][/td][td]
[font=宋体]25805 [/font][/td][td=1,1,76]
[font=宋体]9202 [/font][/td][td]
[font=宋体]27601 [/font][/td][td]
[font=宋体]5330 [/font][/td][td]
[font=宋体]15.7 [/font][/td][td]
[font=宋体]25768 [/font][/td][td]
[font=宋体]19.2 [/font][/td][/tr][tr][td]
[font=宋体]2010 [/font][/td][td]
[font=宋体]16500 [/font][/td][td]
[font=宋体]42305 [/font][/td][td=1,1,76]
[font=宋体]11000 [/font][/td][td]
[font=宋体]32995 [/font][/td][td]
[font=宋体]6660 [/font][/td][td]
[font=宋体]19.8 [/font][/td][td]
[font=宋体]30802 [/font][/td][td]
[font=宋体]22.9 [/font][/td][/tr][/table]
[font=宋体] [/font][font=宋体]根据国家发改委的规划,到[/font][font=宋体]2020[font=宋体]年我国风力发电能力将达到[/font]3[font=宋体]万兆瓦,按照目前每千瓦装机容量投资[/font]7000[font=宋体]元计算,未来[/font]15[font=宋体]年中国风电设备市场规模将超过[/font]2000[font=宋体]亿元。目前[/font]4[font=宋体]家抢占市场空白的风电巨头在华年生产能力已经超过[/font]3000[font=宋体]兆瓦。[/font][/font][align=left][font=宋体]国内风电市场从2004年进入一个高速发展期,连续4年增长率超过100%。2008年回落到85.8%,2009年又实现倍增式增长。增长率为124%。2004~2010年7年平均新增装机容量为5965.7MW。7年[/font][/align][align=left][font=宋体]平均增长率为114%,累计增长了81.8倍。2009年装机总容量2580MW。新增1380MW,按1.5MW推算,全年叶片总量达27578片,树脂用量达6.9万多吨,加上外资风电企业出口叶片,树脂量可达9.7万吨。[/font][font=宋体]2009年新增风电装机10,129台,容量13,803.2兆瓦,年同比增长124%;累计风电装机21,581台,容量25,805.3兆瓦,年同比增长114%,台湾省当年新增风电装机37台,容量77.9兆瓦;累计风电装机227台,容量436.05兆瓦。2010年新增风电装机16500MW,按1.5MW风机计算,相当于新增风机11000台。风电装机容量已连续四年、隔年后又实现倍增式增长,并网运行容量达到1,760万千瓦,约占总容量的2%。中国电力行业为缓解能源资源矛盾,保护全球环境做出了重要贡献。[/font][/align]
[font=楷体_GB2312][font=宋体]1.2 风机叶片的各种基体树脂及其份额[/font][/font][font=宋体]风机叶片的基体树脂为环氧树脂、环氧乙烯基树脂和不饱和树脂。在对比性能试验中,亚什兰的[/font][font=宋体]Derakane[font=宋体]环氧乙烯基酯树脂具有与环氧树脂相同的强度性能,完全固化所需时间不到后者的三分之一。[/font] [/font]
[font=宋体]天津艾尔姆[/font][font=宋体]LM[font=宋体]公司依然为世界市场的领导者拥有世界[/font]25%[font=宋体]的市场份额,其用高性能不饱和聚酯树脂做风机叶片复合材料基体树脂,其[/font]5.0MW/61.5[font=宋体]米叶片也是目前世界上成功运行的最长最大的风机叶片。[/font][/font][font=宋体]总起来将,环氧树脂,主要品种是双酚[/font][font=宋体]A[font=宋体]环氧和双酚[/font]F[font=宋体]环氧共混物或共聚物,并用韧性固化剂混合物共固化体系,仍占有风机叶片[/font]40%[font=宋体]的席位,乙烯基树脂和不饱和聚酯树脂各占[/font]30%[font=宋体]的席位。现在说三分天下还为时过早。因为除艾尔姆公司外,还没有哪家公司能生产并成功运行兆瓦级不饱和聚酯[/font][/font][font=宋体][/font][size=1][font=宋体]
[/font][/size]

[font=宋体]树脂风机叶片。[/font][align=left][font=楷体_GB2312][font=宋体]1.3[/font] [/font][font=楷体_GB2312][font=宋体]未来5年风电装机容量预测[/font][/font][/align][align=left][font=宋体]根据国家相关政策、电网规划和设备供应能力等预测2011年[/font][font=宋体]~2015年装机容量预测见表2。[/font][font=宋体][/font][/align][align=left][font=宋体][size=1][font=楷体_GB2312]1.4 [/font][/size][color=black][font=楷体_GB2312]陆地风电场的市场竞争与质量不确定等问题[/font][/color][size=1][font=楷体_GB2312][/font][/size][/font][/align]
[font=宋体]国内风电市场[/font][font=宋体] [font=宋体]“僧多粥少”,产能过剩已是不争的事实。在近几年国内风电装机每年[/font]100%[font=宋体],[/font][/font][size=1][font=宋体][/font][/size][align=left][size=1][font=宋体] [/font][/size][/align][align=left][size=1][font=宋体]表2 2010年-2015年新增风电装机容量预测[/font][/size][size=2][font=宋体] [/font][/size][font=宋体][size=1]/MW[/size][size=2][font=宋体][/font][/size][/font][/align][table=100%][tr][td=1,1,62]
[size=1][font=宋体]装机容量[/font][/size][size=1][/size][/td][td]
[font=宋体][size=1]201 1[/size][size=1][font=宋体]年[/font][/size][/font][size=1][/size][/td][td]
[font=宋体][size=1]2012[/size][size=1][font=宋体]年[/font][/size][/font][size=1][/size][/td][td]
[font=宋体][size=1]2013[/size][size=1][font=宋体]年[/font][/size][/font][size=1][/size][/td][td]
[font=宋体][size=1]2014[/size][size=1][font=宋体]年[/font][/size][/font][size=1][/size][/td][td]
[font=宋体][size=1][color=black]2015[/color][/size][size=1][font=宋体]年[/font][/size][/font][size=1][font=Arial][/font][/size][/td][/tr][tr][td=1,1,62]
[size=1][font=宋体]新增[/font][/size][size=1][/size][/td][td]
[size=1][font=宋体]12000 [/font][/size][/td][td]
[size=1][font=宋体]12500 [/font][/size][/td][td]
[size=1][font=宋体]13000 [/font][/size][/td][td]
[size=1][font=宋体]13500 [/font][/size][/td][td]
[font=宋体][size=1][color=black]14550 [/color][/size][size=1][font=Arial][/font][/size][/font][/td][/tr][tr][td=1,1,62]
[size=1][font=宋体]累计[/font][/size][size=1][/size][/td][td]
[size=1][font=宋体]53800 [/font][/size][/td][td]
[size=1][font=宋体]66300 [/font][/size][/td][td]
[size=1][font=宋体]79300 [/font][/size][/td][td]
[size=1][font=宋体]92800 [/font][/size][/td][td]
[font=宋体][size=1][color=black]102850 [/color][/size][size=1][font=Arial][/font][/size][/font][/td][/tr][/table][size=1][font=宋体]
[/font][/size]

[font=宋体]的增速带动下,风机设备制造也随着高速发展形成了超过[/font][font=宋体]80[font=宋体]家整机企业、年产近[/font]4000[font=宋体]万千瓦制造能力;[/font][/font][font=新宋体]目前国内风机价格已从2007年的7000元/千瓦跌落至4000元/千瓦以下[color=black],从原料到叶片制造一直与整机厂的利润率在13%左右,不超过15%。[/color][/font][font=宋体]而今后[/font][font=宋体]10[font=宋体]年,我国的风电场建设速度可能维持在年装机[/font]1500[font=宋体]万[/font]~2000[font=宋体]万千瓦之间。企业正在上演价格恶性竞争,风机质量难以保证。[/font][/font][align=left][color=black][font=新宋体]陆地风电场近5年,存在质量不确定问题,风电场火灾、风电机组倒塌和风机叶片折损事故屡见不鲜,[/font][/color][font=新宋体]近期,风机着火、倒塌事故接连发生,而风机的出厂数量却在直线上升,见图4~图6。单机容量[/font][/align][align=left][color=black][font=新宋体][/font][/color][/align][align=left][size=1][color=black][font=黑体]图4 大唐山西左云风机整机倒塌 图5 风机叶片事故照片 叶片内异物 图6 风机质量——内膨胀裂纹和破洞[/font][/color][/size][/align]
[font=新宋体]也是越做越大。[/font][color=black][font=新宋体]出现的质量问题包括风机叶片断裂、主轴断裂、电机起火、齿轮箱漏油等[/font][/color][font=新宋体]风机的质量问题已经引起产业链条上所有利益方的关注,这个产业需要增加一些忧患意识。“一个产业如果从源头开始出了问题,不去解决,反而回避,将是可怕的事情。”许多风机制造业人士都表示了担忧。[/font][font=楷体_GB2312][font=宋体]1.5 海上风电场用碳纤维风机叶片的市场预测[/font][/font]
[font=新宋体]目前风电场建设已经从陆地向海上发展,海上风电场建设需要单机容量更大的风电机组。目前海上风电机组最大功率已经达到6MW。陆地风电场近5年,存在质量不确定问题,风电场火灾、风电机组倒塌和风机叶片折损事故屡见不鲜,碳纤维能够为海上风力发电提供更轻质、更抗拉力、更耐腐蚀的新材料[/font][font=新宋体]2010年随着中国海上风电序幕的拉开,碳纤维在风机叶片领域的技术研究将成为风电市场新的重头课题,这也为风电设备企业提供了新的经济增长点,同时中国碳纤维产业也迎来了新的发展机遇。[/font]
[font=新宋体]在海上风电系统中,应当开发出功率更大的风力发电机和更长的叶片,用来降低成本,提高效率。海上风机叶片需要有很强的耐盐雾腐蚀、耐海浪及潮流冲击的性能,由于是在海上安装,需要叶片的质量更轻量化,[/font][color=#333333][font=新宋体]还要有很强的抗台风能力。[/font][/color][font=新宋体]这些性能要求远远不是传统叶片材料所能够满足的,而碳纤维复合材料相对于传统材料更能满足海上风电叶片所需达到的强度和硬度。[/font][color=black][font=新宋体]所以高性能碳纤维复合材料风机叶片势在必行。到2020年我国风机叶片市场对CF 的需求量将达[/font][/color][font=新宋体][/font][align=left][color=black][font=新宋体]到万吨级水平。2010年我国风机叶片市场需求CF 量为250t。其份额由2.11%增至15.63%,见图3,到2015年将需求碳纤维3000t。碳纤维风电叶片复合材料将达到5000t见图4,配套环氧树脂或乙烯基树脂2000t[sup][2][/sup]。[/font][/color][/align][align=left][color=black][font=新宋体] [/font][/color][/align]
[font=新宋体][/font][size=1][font=黑体]图4 我国风电叶片领域[url=http://www.frponline.com.cn/news/detail_31434.html]碳纤维[/url]消费预测/t[/font][/size][color=black][font=黑体]2. 输电杆塔[/font][/color]
[color=black][font=楷体_GB2312][font=宋体]2.1 美国复合材料输电塔杆进程[/font][/font][/color][color=black][font=新宋体]钢材由于具有良好的物理力学性能以及易于加工等特性,一直被认为是输电杆塔的理想材料。但随着电网建设的发展,其逐渐暴露出资源消耗量大,高山大岭地区运输不便以及运行维护费用高等问题,容容易出现各种安全隐患。随着新材料技术及其制备工艺的发展,用高端应用领域的先进复合材料,近年在国外已逐步应用于输电线路工程中。Strongwell公司、Shakespear公司、Newmark公司等都开发了自己的复合材料电杆产品,并得到了比较广泛的应用。目前,美国一直顶到了相关产品的标准,美国土木工程师学会也已经制订了输电杆塔中纤维复合材料产品应用标准[3]。[/font][/color]
[color=black][font=楷体_GB2312][font=宋体]2.2 复合材料输电塔杆可行性[/font][/font][/color][color=black][font=新宋体]输电线路应用复合材料杆塔主要技术优势如下:[/font][/color]
[color=black][font=新宋体]⑴[/font][/color][color=black][font=新宋体] 节约钢材,减少对矿产资源的消耗。[/font][/color][color=black][font=新宋体]⑵[/font][/color][color=black][font=新宋体] 良好的绝缘性应用;[/font][/color]
[color=black][font=新宋体]①[/font][/color][color=black][font=新宋体] 减少每个绝缘子串中绝缘子的用量;[/font][/color][color=black][font=新宋体]②[/font][/color][color=black][font=新宋体] 绝缘子串可以离结构更近;[/font][/color]
[color=black][font=新宋体]③[/font][/color][color=black][font=新宋体] 可以减少相线和相线的距离;[/font][/color][color=black][font=新宋体]④[/font][/color][color=black][font=新宋体] 在满足屏蔽相导线免遭雷击的设计条件下,避雷线的高度可以降低,从而使杆塔结构设计更加紧凑。[/font][/color]
[color=black][font=新宋体]⑤[/font][/color][color=black][font=新宋体] 复合材料杆塔绝缘的优越性,对解决高压输电线路杆塔运行中的污闪、雾闪,特别是雷电跳闸问题具有重要意义。[/font][/color][color=black][font=新宋体]⑶[/font][/color][color=black][font=新宋体] 杆塔轻质高强。[/font][/color]
[color=black][font=新宋体]⑷[/font][/color][color=black][font=新宋体] 材料及结构的可设计性强。整体2段混合结构上段为复合材料,用来抗闪络,下段为钢质的或钢筋混凝土的用以承受机械应力,可达到既实用(解决跳闸问题)又经济(降低造价)的目的。[/font][/color][color=black][font=新宋体]⑸[/font][/color][color=black][font=新宋体] 维护/维修性好[/font][/color]
[color=black][font=新宋体]⑹[/font][/color][color=black][font=新宋体] 应用使用范围更广。[/font][/color][color=black][font=新宋体]⑺[/font][/color][color=black][font=新宋体] 使用环境友好。[/font][/color]
[color=black][font=新宋体]输电线路应用复合材料杆塔存在以下瓶颈及制约:[/font][/color][size=1][color=black][font=新宋体]
[/font][/color][/size]

[color=black][font=新宋体]⑴[/font][/color][color=black][font=新宋体] 刚度问题;[/font][/color][color=black][font=新宋体]⑵[/font][/color][color=black][font=新宋体] 节点连接问题;[/font][/color]
[color=black][font=新宋体]⑶[/font][/color][color=black][font=新宋体] 热稳定性问题;[/font][/color][color=black][font=新宋体]⑷[/font][/color][color=black][font=新宋体] 环境与老化问题;[/font][/color]
[color=black][font=新宋体]⑸[/font][/color][color=black][font=新宋体] 应用成本问题。[/font][/color][color=black][font=新宋体]木质杆、钢管杆、水泥杆和FRP杆的寿命成本分析见表3。 [/font][/color]
[size=1][color=black][font=黑体]表3 木质、钢管、水泥和FRP杆的寿命成本分析/$[/font][/color][/size][table=100%][tr][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]材料类别[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]使用年限[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]建设成本[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]维修成本[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]年平均成本[/font][/color][/size][/td][/tr][tr][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]木质杆[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]30[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]250[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]210[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]15[/font][/color][/size][/td][/tr][tr][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]钢管杆[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]35[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]260[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]245[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]14[/font][/color][/size][/td][/tr][tr][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]水泥杆[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]35[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]350[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]245[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]17[/font][/color][/size][/td][/tr][tr][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]FRP杆[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]80[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]900[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]0[/font][/color][/size][/td][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]11[/font][/color][/size][/td][/tr][/table][size=1][color=black][font=新宋体]
[/font][/color][/size]

[color=black][font=新宋体]分析表3的数据可知,虽然FRP杆塔建设成本最高,是[/font][/color][color=black][font=新宋体]木质杆的3.6倍,是钢管杆的3.5倍;是水泥杆的3.6倍,[/font][/color][color=black][font=新宋体]但其使用寿命是其他材料的2.3~2.7倍,且维修成本为零,而其他材料的维修成本与建设成本相当,所以,年平均成本仅为11$/a, 是其他材料的64.71%~78.57%,所以综合成本是最低的。[/font][/color][color=black][font=新宋体]纤维缠绕工艺是树脂基复合材料的主要制造技术之一,其产品可充分发挥复合材料的特点[5]。但由于原材料价格居高不下,使得即便考虑复合材料在缩减走廊、交通运输、运行维护上的综合效益[6],其生产成本仍为钢材的2倍。为此,在35 kV杆塔结构设计中,国核电力规划设计研究院的[/font][/color][color=black][font=新宋体]刘泉[/font][/color][color=black][font=新宋体]等人[7]重新设计了主杆的加工工艺,采用石英砂/树脂颗粒的夹层结构,杆体采用石英砂夹层结构可降低15%的造价,但增加了结构的P-△效应,通过加大套筒长度和加劲肋高度强节点刚度增加节点连接的[/font][/color][size=1][color=black][font=新宋体]
[/font][/color][/size]

[color=black][font=新宋体]可靠性,同时改进杆体材料的方式控制杆塔整体变形和套筒局部变形。北京玻璃钢研究院的曹小平和国核电力规划设计研究院的任宗栋[8][/font][/color][font=宋体] [font=宋体]对[/font][/font][color=black][font=新宋体]夹层结构复合材料杆塔进行了设计,攻克了PU泡沫预成型、[/font][/color][size=1][color=black][font=新宋体]
[/font][/color][/size]

[color=black][font=新宋体]蒙皮结构缠绕成型、泡沫夹层与蒙皮粘结定位、复合材料横担套接环固定等多种技术难关,为塔杆进一步工程化提供了技术基础。所研制的复合材料塔杆的主要性能满足输电线路对复合材料的要求,但耐电痕化与淋雨性能需要提高。几种常用纤维增强复合材料的力学性能见表4。[/font][/color][color=black][font=新宋体]因为复合材料塔他的刚度要求很高,所以,输电杆塔一般采用环氧树脂基体,玻璃纤维增强型复合材料,简写为GFRP。同样,因为杆塔电绝[/font][/color]
[color=black][font=新宋体] [/font][/color][size=1][color=black][font=黑体]表4 几种常用纤维增强复合材料的力学性能[/font][/color][/size][table=100%][tr][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]材料[/font][/color][/size][/td][td=1,1,31]
[size=1][color=black][font=新宋体]相对[/font][/color][/size][size=1][color=black][font=新宋体]密度[/font][/color][/size]
[size=1][color=black][font=新宋体]γ[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]纵向拉[/font][/color][/size][size=1][color=black][font=新宋体]伸强度[/font][/color][/size]
[size=1][color=black][font=新宋体]σ[sub]b[/sub]/MPa[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]纵向拉[/font][/color][/size][size=1][color=black][font=新宋体]伸模量[/font][/color][/size]
[size=1][color=black][font=新宋体]E/GPa[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]比强度[/font][/color][/size][size=1][color=black][font=新宋体]σ[sub]b[/sub]/γ[/font][/color][/size]
[size=1][color=black][font=新宋体]/MPa[/font][/color][/size][/td][td=1,1,38]
[size=1][color=black][font=新宋体]比模量[/font][/color][/size][size=1][color=black][font=新宋体]E/γ[/font][/color][/size]
[size=1][color=black][font=新宋体]/GPa[/font][/color][/size][/td][/tr][tr][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]玻璃纤维/环氧[/font][/color][/size][/td][td=1,1,31]
[size=1][color=black][font=新宋体]1.80[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]1370[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]45[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]761[/font][/color][/size][/td][td=1,1,38]
[size=1][color=black][font=新宋体]25[/font][/color][/size][/td][/tr][tr][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]高强碳纤维/环氧[/font][/color][/size][/td][td=1,1,31]
[size=1][color=black][font=新宋体]1.50[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]1330[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]155[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]887[/font][/color][/size][/td][td=1,1,38]
[size=1][color=black][font=新宋体]103[/font][/color][/size][/td][/tr][tr][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]高模量碳纤/环氧[/font][/color][/size][/td][td=1,1,31]
[size=1][color=black][font=新宋体]1.69[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]636[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]302[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]376[/font][/color][/size][/td][td=1,1,38]
[size=1][color=black][font=新宋体]189[/font][/color][/size][/td][/tr][tr][td]
[size=1][color=black][font=新宋体]芳纶纤维/环氧[/font][/color][/size][/td][td=1,1,31]
[size=1][color=black][font=新宋体]1.38[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]1310[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]78[/font][/color][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][color=black][font=新宋体]949[/font][/color][/size][/td][td=1,1,38]
[size=1][color=black][font=新宋体]57[/font][/color][/size][/td][/tr][/table][size=1][color=black][font=新宋体]
[/font][/color][/size]

[color=black][font=新宋体]缘要求等级高且杆塔成本的要求而不用碳纤维做增强材料。[/font][/color][font=新宋体]复合材料杆塔的主要成型工艺一般选择拉挤、缠绕和复合成型工艺。拉挤单一方法容易出现贯通性裂纹,而缠绕干比重大刚度低,而复合成型工艺却能解决上述问题。[/font]
[font=新宋体]分析复合材料的结构及优势,在材料技术、结构设计技术和试验应用技术取得突破的基础上,其在输电线路杆塔领域的应用,具有广泛的需求背景和巨大的潜在市场容量,经过电力设计单位、复合材料制造单位和输电领域应用单位的共同努力下,可以预言,输电复合材料杆塔的应用前景,会有一个广阔美好的未来。[/font][color=black][font=新宋体][/font][/color][color=black][font=楷体_GB2312][font=宋体]2.3 中国复合材料输电塔杆进程[/font][/font][/color]
[color=black][font=新宋体]我国在国家电网公司的建设环境友好型、资源节约型的“两型三新”线路。采用新型环保复合材料代替钢材成为输电杆塔用材并于2009年6月由国家电网公司牵头启动,从利用复合材料绝缘特性、抗覆冰特性、抗腐蚀特性三个方面进行应用研究,并在10、35、110以及220 kV四个电压等级线路杆塔上应用了复合材料,其中,10、35 kV采用全复合材料杆方案;110、220 kV杆塔中复合材料仅应用在横担上,利用其绝缘性缩减线路走廊。目前,部分试点工程已上线运行,运行状况良好,形成了一定的科研成果[4]。[/font][/color][font=黑体]3.电网用复合材料 [/font]
[font=楷体_GB2312][font=宋体]3.1 中国电网用复合材料现状[/font][/font][font=新宋体]国际上对于导线材料研究的主要目标是提高导线的输送能力,主要侧重于以下三个方面:提高导线的导电率,导电率的提高意味着可以降低线损,提高导线的输送能力。提高导线的耐温水平,对于受热稳定控制的输电线路来讲,导线耐温水平的提高,意味着输送能力的增加。降低芯材的线膨胀率,线膨胀率的降低,意味着在夏季满负荷运行时,导线的驰度稳定,运行更安全[9]。[/font]
[font=新宋体]2006年6月第一条碳纤维复合芯铝导线开始在中国使用,至今已有100多条使用该种导线的线路(电站)投运[10]。其中主要以电网增容改造或扩建为主,电压等级有66kv、110kv 、220kv和500kv四种,其中220kv占69%,110kv占22%,500kv占2%,330kv占1%,其他占6%。西北电网使用份额为56%,华中电网使用份额为14%,华北电网使用份额为13%,南方电网使用份额为10%,东北电网使用份额为4%。单线总长度超过3000km。[/font][size=1][font=新宋体]
[/font][/size]

[size=1][font=新宋体] [/font][/size][size=1][font=新宋体]表5 各电网投运碳纤维复合芯铝导线所占比例[/font][/size][table=100%][tr][td]
[size=1][font=新宋体]西北电网[/font][/size][/td][td]
[size=1][font=新宋体]华中电网[/font][/size][/td][td]
[size=1][font=新宋体]华北电网[/font][/size][/td][td]
[size=1][font=新宋体]南方电网[/font][/size][/td][td]
[size=1][font=新宋体]东北电网[/font][/size][/td][/tr][tr][td]
[size=1][font=新宋体]56%[/font][/size][/td][td]
[size=1][font=新宋体]14%[/font][/size][/td][td]
[size=1][font=新宋体]13%[/font][/size][/td][td]
[size=1][font=新宋体]10%[/font][/size][/td][td]
[size=1][font=新宋体]4%[/font][/size][/td][/tr][/table]
[size=1][font=新宋体] [/font][/size][size=1][font=新宋体]表6 各电压等级投运碳纤维复合芯铝导线所占比例[/font][/size][font=新宋体][/font][table=100%][tr][td=1,1,54]
[font=新宋体]220kv[/font][size=1][font=新宋体][/font][/size][/td][td=1,1,57]
[font=新宋体]110kv[/font][size=1][font=新宋体][/font][/size][/td][td=1,1,57]
[font=新宋体]500kv[/font][size=1][font=新宋体][/font][/size][/td][td=1,1,57]
[font=新宋体]330kv[/font][size=1][font=新宋体][/font][/size][/td][td=1,1,47]
[font=新宋体]其他[/font][size=1][font=新宋体][/font][/size][/td][/tr][tr][td=1,1,54]
[size=1][font=新宋体]69%[/font][/size][/td][td=1,1,57]
[size=1][font=新宋体]22%[/font][/size][/td][td=1,1,57]
[size=1][font=新宋体]2%[/font][/size][/td][td=1,1,57]
[size=1][font=新宋体]1%[/font][/size][/td][td=1,1,47]
[size=1][font=新宋体]6%[/font][/size][/td][/tr][/table][size=1][font=新宋体]
[/font][/size]

[font=新宋体] [/font][font=新宋体][/font]
[size=1][font=黑体]图5 各电网投运碳纤维复合芯铝导线所占比例 图6 各等级电压输电投运碳纤维复合芯铝导线所占比例[/font][/size][font=黑体][/font][font=新宋体] [/font]

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