自升式海上風(fēng)機(jī)安裝平臺(tái)樁腿升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐蔚平 裘繼承 薛雷剛

摘 要：本文主要介紹自升式平臺(tái)樁腿升降系統(tǒng)形式，分析海上風(fēng)機(jī)安裝平臺(tái)的特點(diǎn)，優(yōu)先選擇和設(shè)計(jì)一種適用風(fēng)電安裝平臺(tái)使用的升降系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)機(jī)安裝；自升式；升降系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TK89 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

海上風(fēng)電在上世紀(jì)90年代初率先從歐洲起步，我國的海上風(fēng)電發(fā)展則相對(duì)較晚，直到2007年，我國海上風(fēng)電示范項(xiàng)目才建成發(fā)電，隨后發(fā)展速度也十分緩慢。但隨著海上風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)的明確，特別是國家能源局最新規(guī)劃的出臺(tái)：到2020年，海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到 30 MW。海上風(fēng)電工程將迎來新的發(fā)展機(jī)遇，開展關(guān)鍵技術(shù)研究和開發(fā)顯得非常必要和迫切。

2 自升式平臺(tái)樁腿升降系統(tǒng)形式

自升式平臺(tái)樁腿升降系統(tǒng)，用于樁腿插入海底并支撐起平臺(tái)離開海平面一定高度，進(jìn)行各種作業(yè)。其主要形式有液壓頂升式和齒輪齒條式。

2.1 液壓頂升式

液壓頂升式樁腿升降裝置，由液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，確保樁腿能夠克服泥土、砂石等帶來的阻力和升降平臺(tái)自身的重力，將樁腿插入（拔離）海床以及升降整個(gè)平臺(tái)。平臺(tái)樁腿在工作過程中需運(yùn)行平穩(wěn)，無卡死現(xiàn)象；插樁（拔樁）過程中，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)需滿足一定節(jié)距的行程要求；系統(tǒng)設(shè)計(jì)為自鎖式樁腿液壓升降系統(tǒng)，在各種工作及非工作狀態(tài)下，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自鎖；通過操作計(jì)算機(jī)或中央控制臺(tái)，完成平臺(tái)的升降作業(yè)。

2.2 齒輪齒條式

齒輪齒條式樁腿升降裝置，由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力傳遞系統(tǒng)（主要包括齒輪齒條及相應(yīng)的減速機(jī)構(gòu)）和平臺(tái)升降控制系統(tǒng)三大部分組成。該系統(tǒng)是在平臺(tái)適當(dāng)位置的樁腿上設(shè)置一定數(shù)量的齒條，并對(duì)應(yīng)在每根齒條上安裝幾個(gè)小齒輪，齒條及其對(duì)應(yīng)的小齒輪數(shù)量根據(jù)所要求的舉升能力和平臺(tái)總體要求加以確定。動(dòng)力通過樁邊馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪減速箱，然后傳遞給與齒條嚙合的小齒輪，從而帶動(dòng)平臺(tái)的升降。齒輪齒條式升降系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是具有升降速度快、操作簡單和易對(duì)井位。

3 國外自升式平臺(tái)樁腿升降系統(tǒng)簡介

3.1 英國 “Resolution”安裝船

由英國五月花能源公司設(shè)計(jì)、我國山海關(guān)造船廠承建的“果敢”號(hào)安裝船，是第一艘專為海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)施工及風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝而建造的海洋工程船。該船長130.5 m、寬 38 m、型深 8 m，航速 10.5 kn，最大載重量9 240 t，船舶總噸位 14 000 GT。該船6個(gè)液壓升降腿分布于全船兩側(cè)，提升系統(tǒng)由樁腿及電力液壓升降系統(tǒng)組成。每個(gè)樁腿（含樁靴）高71.6 m，截面為4 m×4 m ，重450 t，所用鋼板最厚達(dá)150 mm，80%為超高強(qiáng)度鋼。樁腿提升速度最大為1 m/min，單樁提升能力3 750 t，支承能力5 000 t。6條樁腿由中央進(jìn)行集中控制，既可聯(lián)動(dòng)又可以單動(dòng)，可在3.25～35 m 水深及大風(fēng)浪海況下滿負(fù)載工作。樁腿升降系統(tǒng)由 4 臺(tái)主液壓缸及 4 臺(tái)從液壓缸聯(lián)合工作（圖1），每個(gè)樁腿由一個(gè)主環(huán)梁和次環(huán)梁構(gòu)成，每個(gè)環(huán)梁由四個(gè)起升油缸驅(qū)動(dòng)，每個(gè)環(huán)梁由四個(gè)抓取油缸帶動(dòng)兩個(gè)抓取橫梁實(shí)現(xiàn)抓緊動(dòng)作，起升油缸支撐基座固定在船體甲板上。升降系統(tǒng)還包括上、下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)緊固裝置，以保證樁腿運(yùn)動(dòng)時(shí)的垂直度。整個(gè)液壓系統(tǒng)中壓力達(dá)300 kg/cm?。為適應(yīng)海底土壤狀況，設(shè)計(jì)了箱型樁靴，樁靴位于樁腿底部，臥在船底凹槽內(nèi)，長 9 m、寬 7 m、高 6.305 m，重 132 t。

3.2 NG-2500X安裝船

NG-2500X安裝船可用于海洋油氣基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建設(shè)及風(fēng)電場(chǎng)安裝。其樁腿為三角形桁架式結(jié)構(gòu)，長85 m、工作水深41m。升降裝置為齒輪齒條系統(tǒng)，電氣驅(qū)動(dòng)，升降速度為0.8 m/min。設(shè)計(jì)參數(shù)為：波高13.1m，風(fēng)速38.8m/s，表面潮流1.64m/s，樁腿插入土壤深度3～5 m?？偱e升重量5 500 t，單腿升降能力1494 t，可變載荷約9000 kn，18套齒輪齒條驅(qū)動(dòng)裝置。圖2為其結(jié)構(gòu)與升降系統(tǒng)圖。

4 自升式平臺(tái)樁腿升降系統(tǒng)對(duì)比分析與發(fā)展方向

4.1 樁腿升降系統(tǒng)對(duì)比分析

液壓頂升式樁腿升降系統(tǒng)與齒輪齒條式樁腿升降系統(tǒng)相對(duì)比，液壓頂升式升降系統(tǒng)的升降動(dòng)作完全通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和控制，這種驅(qū)動(dòng)方式具有能吸收振動(dòng)、工作平穩(wěn)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)采用銷子和銷孔配合，升降時(shí)銷子和銷孔之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)和摩擦力的問題，所以對(duì)樁腿的制造工藝要求較低；但液壓頂升式升降系統(tǒng)由于工作時(shí)是通過間斷步進(jìn)式升降的方式來實(shí)現(xiàn)的，所以升降速度慢、操作繁瑣、工作效率較低。

齒輪齒條式樁腿升降系統(tǒng)可采用液壓馬達(dá)或電機(jī)方式驅(qū)動(dòng)齒輪：

液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)簡單，受載均勻，升降運(yùn)動(dòng)連續(xù)，同比電機(jī)體積小，齒輪受載柔和，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；缺點(diǎn)是升降系統(tǒng)剎車時(shí)受到?jīng)_擊力，需單獨(dú)油源供給。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是速度快、操作靈活，并有平穩(wěn)地連續(xù)運(yùn)動(dòng)的能力；其缺點(diǎn)是為緩沖樁腿站立時(shí)齒條受的沖擊力，需在樁架上下加上緩沖裝置或采取其他措施補(bǔ)償沖擊力；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)體積大，占用甲板面積大；平臺(tái)升起后采用剎車進(jìn)行固定，升降機(jī)構(gòu)一直處于受力狀態(tài)。

4.2 樁腿升降系統(tǒng)的發(fā)展方向

（1）安全可靠性更高。由于升降系統(tǒng)的工況非常復(fù)雜，而且升降系統(tǒng)直接關(guān)系到整個(gè)平臺(tái)的安全，所以在制造及檢驗(yàn)過程中，對(duì)升降系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)的安全可靠性提出更高的要求；

（2）配備自動(dòng)化程度更高、更先進(jìn)的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)按照程序要求對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)系統(tǒng)的故障進(jìn)行診斷、報(bào)警、處理；

（3）采用高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼，以降低平臺(tái)自重；

（4）增大可變載荷和自持能力。

5 自升式平臺(tái)樁腿升降系統(tǒng)的選擇

某海上風(fēng)機(jī)安裝平臺(tái)具有較強(qiáng)的海上作業(yè)能力，最多可同時(shí)運(yùn)輸3臺(tái)6 MW整體式海上風(fēng)機(jī)，最大載重量約為6 500 t。風(fēng)機(jī)安裝裝置最大起重能力1 200 t，可滿足目前國內(nèi)最大的6 MW海上風(fēng)機(jī)整體安裝要求。

本平臺(tái)要求升降作業(yè)的頻率較高，并且處在海況頻變的風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域，要求系統(tǒng)的工作更加可靠。另外，適合風(fēng)機(jī)安裝作業(yè)的時(shí)間窗口并不多，因此對(duì)平臺(tái)的升降速度也提出了較高的要求。

根據(jù)國外著名液壓系統(tǒng)設(shè)備商Rexroth的資料顯示，液壓頂升式樁腿升降系統(tǒng)升降速度可以達(dá)到1m/min，與齒輪齒條式升降系統(tǒng)的升降速度相差不大，并且通過操作計(jì)算機(jī)或中央控制臺(tái)完成平臺(tái)的升降作業(yè)，自動(dòng)化程度較高。

另外，MPI公司旗下的“May flower resolution”作為目前世界上風(fēng)電安裝平臺(tái)的標(biāo)桿，平臺(tái)配置的是液壓頂升式樁腿升降系統(tǒng)。

結(jié)合本平臺(tái)的特點(diǎn)，優(yōu)先選擇液壓頂升式樁腿升降系統(tǒng)。

本樁腿為圓形殼體式，分別布置于首部、尾部，其長度、強(qiáng)度滿足平臺(tái)作業(yè)條件要求。樁腿的基本參數(shù)如下：

本平臺(tái)液壓頂升式樁腿升降系統(tǒng)分成兩個(gè)子系統(tǒng)：樁機(jī)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。

樁機(jī)系統(tǒng)由24個(gè)主升降油缸、24個(gè)副升降油缸、24個(gè)插銷油缸組成，每6個(gè)一組布置在4個(gè)樁腿。主/副升降油缸每缸最大承受拉力850 t。

液壓系統(tǒng)有2套，分別服務(wù)于兩兩對(duì)角處的2個(gè)樁腿，每套液壓系統(tǒng)由1個(gè)主油箱、7組升降油缸電機(jī)泵（其中1組備用）、2組循環(huán)冷卻電機(jī)泵、1套主升降油缸控制閥組、1套副升降油缸控制閥組、1套插銷油缸控制閥組、1套蓄能器組成。

6 結(jié)束語

自升式平臺(tái)樁腿升降系統(tǒng)作為海上自升式平臺(tái)中的最關(guān)鍵部分，其性能的優(yōu)劣直接影響平臺(tái)的安全和作業(yè)能力。結(jié)合海上風(fēng)機(jī)安裝平臺(tái)的特點(diǎn)，應(yīng)通過對(duì)液壓頂升式、齒輪齒條式這兩種形式升降系統(tǒng)的工作原理、平衡控制和操控方式進(jìn)行分析對(duì)比，選擇適合海上風(fēng)機(jī)安裝平臺(tái)使用的升降系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 自升式鉆井平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)簡介.中國船舶與海洋工程網(wǎng)信息中心