基于風機主機的風電吊裝技術

婁近水，李太周

(華電鄭州機械設計研究院，鄭州 450015)

0 引言

近年來，發(fā)展風電等新能源已經(jīng)成為世界各國保障能源供應安全、應對全球氣候變化、推動能源升級的共同選擇。我國已將風能規(guī)劃為未來能源結構中的一個重要組成部分，推出多種優(yōu)惠措施推動國內(nèi)風電的發(fā)展。在此背景下,近幾年我國的風電產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展，其中風電工程施工作為這個產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也在蓬勃發(fā)展。一般來說，風電工程施工主要包括臨時施工道路修筑、基礎開挖、大體積混凝土澆筑、風電機組吊裝等，工程的施工重點為風機的安裝，包括塔架、機艙(含齒輪箱、發(fā)電機、變壓器及控制系統(tǒng)等)、葉輪(含輪轂、葉片等)等主要部分的吊裝作業(yè)，其中最重要的環(huán)節(jié)是吊裝機艙和葉輪(輪轂和葉片的組合體)，是風電工程施工的關鍵內(nèi)容。

1 風電機組吊裝技術的特點及要求

風電設備的安裝具有安裝高度高(達140 m以上，各種機型設備的質量不同，塔架的高度隨風力分布情況而定)、尺寸大(直徑達90 m以上)、質量大(單體質量大于70 t)、作業(yè)環(huán)境特殊(長期風力大、地形復雜)等特點，因而需要特殊的安裝作業(yè)方案及設備，以滿足其特殊要求。

除以上由風機單機本身特性決定的安裝施工特點外，由于風電場通常有幾十臺甚至上百臺機組，整個風電場的安裝要在較大的范圍內(nèi)移動施工，因而對風電安裝施工更提出了方便、快捷、便于轉場的要求。

從風電設備安裝特點及要求可以看出，風電吊裝設備的選用及施工技術方案的確定主要受到地理環(huán)境、場內(nèi)道路狀況、設備參數(shù)(機艙尺寸、質量、塔架高度)等因素影響。其施工方案及設備必須滿足起重能力大、防風能力強、場地適應性好、便于轉場、效率高的要求。

2 風電機組吊裝技術現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的風電設備吊裝方案采用基于地面的吊裝模式，通常采用置于地面的大型汽車起重機、履帶式起重機等大型起重設備來完成，在機組功率較小、塔架高度較低的狀況下，主要有以下幾種吊裝方案。

(1)大型履帶式起重機作主力，小型汽車起重機輔助。由于大型履帶式起重機具有起重能力強、場地適應性好、效率較高等特點，特別是能夠帶載行走，可滿足風機葉輪與機艙對接安裝的要求，傳統(tǒng)上被用作風電設備安裝的首選設備，用以完成機艙、塔架和葉輪等大部件的吊裝作業(yè)。在場地和道路寬敞的情況下，采用該方案能夠充分發(fā)揮履帶式起重機的優(yōu)點，但如果在道路狹窄、環(huán)境較為惡劣的情況下采用該方案，從一臺風機到另一臺風機間需要不斷拆卸和重新安裝履帶式起重機，既拖延了工期，也增加了成本；同時，由于履帶式起重機的抗風性能較弱(特別是側向抗風性能較弱)，在作業(yè)的風場風力較大時不得不按照安全標準的規(guī)定停止作業(yè)，不能連貫完成吊裝作業(yè)，從而影響安裝進度和質量(一般的機型要求上段塔架與機艙應在同一天完成安裝)；另一方面，在整個風電場的安裝需要頻繁轉場但又無專用轉場設備協(xié)助運輸?shù)那闆r下，靠本身的履帶運行，效率低且履帶磨損很快，加上大型履帶式起重機本身購置、維護、轉場運輸成本很高，導致安裝成本很高，因而該方案的經(jīng)濟性受到嚴重影響。

(2)大型汽車起重機作主力，小型汽車起重機作輔助。風電設備安裝時，為方便葉片吊裝，機艙吊裝時起重機的位置既要滿足機艙的要求也要滿足葉輪的吊裝要求。一般要求主力起重機吊臂正對機艙的法蘭(連接輪轂的法蘭)，這樣可保證葉輪吊裝就位，否則就需要移動起重機的位置或進行偏航才能滿足葉輪的吊裝。大型汽車起重機具有起重能力大、轉移迅速、機動靈活的特點，在場地平整、堅實的環(huán)境下施工時能夠充分發(fā)揮其性能。但在起吊時，必須將支腳落地，不能負載行駛，使得汽車起重機作為風電安裝主力起重機受到很大制約，加上汽車起重機對風載的敏感性，因此，較少選用該方案。

(3)大型輪胎式起重機作主力，小型汽車起重機作輔助。由于輪胎式起重機相對于汽車起重機具有車輪間距大的特點，其穩(wěn)定性和對路面的適應性有了較大的提高，在一定程度上克服了汽車起重機的不足；同時，其轉移迅速、機動靈活的特點又彌補了履帶式起重機轉場靈活性方面的不足。因而，在施工現(xiàn)場道路較窄的環(huán)境下，使用輪胎式起重機成為優(yōu)選方案?？紤]輪胎式起重機本身的特性，國內(nèi)在進行主流1.5 MW機組風機安裝時，有多次選用了5 000 kN以上的大型輪胎式起重機作主力、500 kN左右汽車起重機作輔助的施工方案。

盡管輪胎式起重機兼顧了履帶式起重機及汽車起重機的一些特征，但支腳必須落地才能負載，不能帶載行駛，在風電安裝環(huán)境通常比較惡劣、安裝高度較高、葉輪安裝方位要求特殊等情況下則顯現(xiàn)出明顯的局限性；同時，輪胎式起重機與履帶式起重機和汽車起重機類似的高大臂架均對風載較敏感，也是影響輪胎式起重機作為風電安裝主力起重機的重要因素。

綜上所述，由于風電機組容量不斷增大、風機塔架不斷增高、安裝場地特殊的地形地貌及投資方要求加快安裝速度等要求，設備投資大幅增大；另一方面隨著設備的不斷運行，風機逐漸進入維護期，零部件的維護更換在所難免，傳統(tǒng)的吊裝拆卸模式要求用同樣大的吊裝設備來完成，費用高、周期長、安全性差。因此，傳統(tǒng)吊裝方式及吊裝維護設備越來越不適應風電吊裝維護的需求，研究開發(fā)適應風電發(fā)展趨勢的新型吊裝技術及設備勢在必行。

3 風電機組吊裝技術的發(fā)展趨勢

目前，風電工程吊裝技術及裝備主要朝著兩個方向發(fā)展：一是研發(fā)更大起重能力的地面起重設備，以滿足風機不斷增高增大的吊裝需求；另一方向就是研發(fā)吊裝風機主機的專用設備來滿足需求。前者會導致巨大的設備投入，而后者將充分利用風電機組自身的特點，從而實現(xiàn)較小的投入，獲得較好的適用性。

4 基于風機主機的吊裝技術

新型吊裝技術采用基于風機主機的吊裝方案，充分利用風電機組主機及塔筒的結構特點，通過新型專用設備來實現(xiàn)。

新型吊裝方案采用的專用設備主要由起升機構(含吊具)、自升機構、門架結構、底架結構、變幅機構、導向機構、抱緊裝置、引進裝置、防護裝置、液壓系統(tǒng)、電氣及電控等機構組成(如圖1所示)。其中，自升機構用于專用設備的升降，起升機構用于吊運發(fā)電機等風電機組主要零部件進行安裝拆卸等垂直作業(yè)，變幅機構滿足所吊裝零部件安裝位置的水平調整。

圖1 新型吊裝設備整體結構

新型吊裝技術的基本原理是：通過專用設備自身的自升降機構帶動設備沿風機塔筒升至風機主機下方預定高度，通過連接裝置將專用設備與風機主機及塔筒連接固定，依靠可變幅的門架覆蓋作業(yè)范圍，通過起升機構裝卸風機大部件，通過自升降機構實現(xiàn)設備本體的拆卸和降落。

5 技術優(yōu)點

基于風機主機的吊裝技術及專用設備克服了傳統(tǒng)的基于地面吊裝方案的缺點和弊端，具備以下技術優(yōu)點。

(1)新型方案采用無塔身結構，利用風機主機自身高度，將專用設備連接在機組主機上；與其他地面起重機相比，不受起重機起升高度的制約。

(2)新型方案采用門架式臂架、油缸變幅，可覆蓋風電機組吊裝維護范圍內(nèi)零部件吊裝維護作業(yè)。

(3)通過自身裝置可自行完成設備本體起升及下降的拆裝工作。

(4)采用模塊化設計，結構簡單，拆裝方便，便于運輸、轉場，適應性強。

(5)受安裝風機周邊的地形(坡面或軟地面)影響小，減少了對環(huán)境的依賴及破壞。

(6)設備價格低，約是同功能大型起重設備的1/10，甚至更低。

6 結束語

綜上所述，基于風機主機的吊裝技術避免了傳統(tǒng)基于地面的吊裝模式及方案對地形地貌要求嚴、施工周期長、費用高、安全性差的弊端，為風電場的建設及運行維護提供了全新的施工方案及新型專用設備，節(jié)約了風電建設及維護成本，為大型風電場建設及運行維護提供了經(jīng)濟、實用、安全、可靠的解決方案，具備良好的應用及推廣前景。

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