海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件更換方案設(shè)計(jì)

胡曉初

(上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司，上海 200241)

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海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件更換方案設(shè)計(jì)

胡曉初

(上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司，上海 200241)

根據(jù)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件更換的需求，結(jié)合目前海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吊裝的經(jīng)驗(yàn)，提出了機(jī)位實(shí)現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)大部件更換的設(shè)計(jì)思路，并初步設(shè)計(jì)了大部件更換的方案，以解決傳統(tǒng)吊裝方式更換大部件的費(fèi)用巨大及工期長(zhǎng)等問題。

海上風(fēng)電；風(fēng)電機(jī)組；大部件更換

0 引言

在各種綠色可再生能源中,風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國(guó)的重視。隨著風(fēng)電行業(yè)的迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)電力總裝機(jī)中的比重已超過8%，成為僅次于火電、水電的第三大電力來源。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有風(fēng)力資源豐富、不占用土地、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高、適宜大規(guī)模開發(fā)等諸多優(yōu)勢(shì)，海上風(fēng)電將憑借其諸多優(yōu)勢(shì)有望成為我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動(dòng)力。由于受限于巨大的海上吊裝費(fèi)用及高昂的運(yùn)行維護(hù)成本，一旦機(jī)組中的發(fā)電機(jī)、齒輪箱等大部件出現(xiàn)故障需要更換時(shí)，其更換費(fèi)用極其高昂。

1 傳統(tǒng)海上大部件吊裝方案的分析

目前，大型海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組裝方式主要有海上分體安裝和海上整體安裝兩種，見圖1、圖2。其中，海上分體安裝采用與陸上類似的方法進(jìn)行,是目前最為常見的海上風(fēng)機(jī)安裝方式[1]。為保證分體安裝時(shí)的穩(wěn)定性,國(guó)外的風(fēng)機(jī)安裝船舶和安裝平臺(tái)均裝備了自升支腿系統(tǒng)。而海上整體安裝是選擇碼頭作為拼裝場(chǎng)地,在碼頭完成風(fēng)電機(jī)組的組裝和調(diào)試，然后將風(fēng)機(jī)整體吊運(yùn)至風(fēng)機(jī)安裝點(diǎn)，由起重船將風(fēng)機(jī)整體吊裝到風(fēng)機(jī)平臺(tái)上。海上分體安裝方式相比于整體安裝方式對(duì)船舶噸位的需求及組裝碼頭的需求要求要小，甚至可以實(shí)現(xiàn)無組裝碼頭式安裝，可以節(jié)省前期工程時(shí)間。分體式安裝對(duì)吊裝時(shí)的穩(wěn)定性要求更高一些，不僅要求安裝船舶裝備自升支腿系統(tǒng)，并且對(duì)于風(fēng)速及海浪的要求較高，因此后期工程時(shí)間較整體安裝方式要長(zhǎng)。整體安裝方式要求必須有組裝碼頭或組裝船，對(duì)吊裝船舶的噸位的要求也遠(yuǎn)大于分體式吊裝，但海上作業(yè)速度快，對(duì)天氣和海浪要求較小一些。

圖1 分體式吊裝

圖2 整體式吊裝

我公司東海大橋海上風(fēng)電示范項(xiàng)目就是應(yīng)用整體安裝方法，該方法也曾成功應(yīng)用于英國(guó)的Bea2trice風(fēng)場(chǎng)和國(guó)內(nèi)中海油渤海風(fēng)場(chǎng)。由于起重船在將風(fēng)機(jī)整體吊裝到風(fēng)機(jī)平臺(tái)上時(shí)采用的是錨泊定位,為避免風(fēng)機(jī)塔筒與風(fēng)機(jī)平臺(tái)發(fā)生嚴(yán)重碰撞和確保風(fēng)機(jī)塔筒與平臺(tái)對(duì)中的準(zhǔn)確度,需要特殊設(shè)置軟著陸系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)整體平移對(duì)中系統(tǒng)[1]。

但無論是分體式吊裝還是整體式吊裝，都需要千噸級(jí)的大型吊裝船，而且費(fèi)用高昂，目前在國(guó)內(nèi)一般大型吊裝船進(jìn)場(chǎng)費(fèi)在300萬元左右，吊裝時(shí)間每延長(zhǎng)一天要增加80萬左右的費(fèi)用。另外，目前國(guó)內(nèi)大型吊裝船資源有限，如要調(diào)用，需要數(shù)月進(jìn)行溝通聯(lián)系。

在運(yùn)行維護(hù)階段，如果遇到需要更換葉片、輪轂、機(jī)艙內(nèi)齒輪箱和發(fā)電機(jī)等大部件，采用傳統(tǒng)分體吊裝的方式，其費(fèi)用也是風(fēng)電廠家或運(yùn)營(yíng)商難以承受的。

2 海上風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件更換方案設(shè)計(jì)

對(duì)于目前普遍采用的雙饋型機(jī)組及鼠籠式型機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件主要是發(fā)電機(jī)和齒輪箱，其它部件如聯(lián)軸器、液壓卡鉗、冷卻風(fēng)扇、散熱片等可利用機(jī)艙內(nèi)自帶的小型懸臂吊及行車進(jìn)行移動(dòng)更換。而發(fā)電機(jī)和齒輪箱因其質(zhì)量和體積較大，無法使用機(jī)艙自帶的吊車進(jìn)行移動(dòng)和更換，所以動(dòng)用吊裝船和吊車進(jìn)行拆卸，占用的時(shí)間和成本太高。若能夠在機(jī)位自行拆卸發(fā)電機(jī)和齒輪箱并吊運(yùn)至機(jī)位平臺(tái)，需要吊裝船的起吊高度將大大降低，吊裝船的噸位也可以明顯減小。

2.1 所涉及的相關(guān)參數(shù)

以上海電氣3.6 MW海上雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，機(jī)艙內(nèi)大部件更換的主要參數(shù)：發(fā)電機(jī)質(zhì)量為13 t；尺寸3 546 mm×2 175 mm×2 126 mm；齒輪箱質(zhì)量為36 t；尺寸2 908 mm×3 200 mm×2 985 mm；機(jī)艙高度為90 m(距離海平面平均高度)。

2.2 具體方案設(shè)計(jì)

為方便機(jī)艙內(nèi)起吊及移動(dòng)發(fā)電機(jī)和齒輪箱，首先要設(shè)計(jì)可承重并易于安裝的起吊桁架和支撐桿，再設(shè)計(jì)起吊滑輪組、卷揚(yáng)機(jī)及大部件的平臺(tái)支架，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)大部件的更換。

具體設(shè)計(jì)方案如圖3所示,兩條吊椼架前端安裝于前機(jī)架頂部，后端由支撐桿固定，支撐桿底部固定于機(jī)艙機(jī)架上的工裝孔上，椼架長(zhǎng)度在6 390 mm左右,確保齒輪箱和發(fā)電機(jī)能夠憑借起吊滑輪組通過機(jī)艙底部的卸物孔。根據(jù)GB/T 3811—2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，承重應(yīng)大于50 t，并安裝起吊滑輪組于吊裝椼架上，滑輪組可以在椼架上前后自由滑動(dòng)且配置有鎖定裝置，以便實(shí)現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)起吊和移動(dòng)發(fā)電機(jī)和齒輪箱等作業(yè)要求。卷揚(yáng)機(jī)固定于集裝箱平臺(tái)的固定孔位上，上部有齒輪箱(發(fā)電機(jī))放置支架，鋼絲繩35(W)XK7-16-1770 460 m×2，繞于卷揚(yáng)機(jī)及滑輪組上，滿足起吊質(zhì)量及移動(dòng)距離要求。

圖3 機(jī)位實(shí)現(xiàn)大部件更換方案簡(jiǎn)圖

此方案設(shè)計(jì)思路是實(shí)現(xiàn)在機(jī)艙內(nèi)大部件的吊運(yùn)，在需要維修和更換時(shí)，將起吊工裝零部件在機(jī)艙內(nèi)組裝，卷揚(yáng)機(jī)安裝在塔筒外基礎(chǔ)平臺(tái)上。該起重機(jī)可將發(fā)電機(jī)或齒輪箱整體吊下機(jī)艙。維修和更換結(jié)束可將該起重機(jī)設(shè)備解體拆下，以便重復(fù)循環(huán)利用。

根據(jù)GB/T 3811—2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，維修用起重設(shè)備的工作級(jí)別為A3，起重載荷以實(shí)際最大載荷的1.25倍進(jìn)行計(jì)算，并考慮到起重設(shè)備的抗傾覆穩(wěn)定性，提出以下設(shè)計(jì)要求。

2.2.1 對(duì)起吊設(shè)備的要求

起吊質(zhì)量 >180 t×2

起升速度 0～4 m/min(變頻)

鋼絲繩規(guī)格 35(W)×K7-16-1770 460 m×2

控制方式 就地控制

安全裝置 高度限位，重量限止器

2.2.2 對(duì)卷揚(yáng)機(jī)的要求

繩速 0～16 m/min(變頻)

牽引力 55 kN×2

容繩量 500 m

卷筒 雙卷筒，多層纏繞，折線繩槽

齒輪箱(QJ) 閉式傳動(dòng)

頂部平臺(tái)承重 >40 t

控制方式 就地控制

安全裝置 高度限位，重量限止器，雙制動(dòng)

2.2.3 對(duì)塔底平臺(tái)的要求

承重載荷 >80 t

抗拉載荷 >40 t

長(zhǎng)度 >7 m

寬度 >4 m

有效裝載面積 >30 m2

安裝 根據(jù)卷揚(yáng)機(jī)底架配置固定孔，單個(gè)螺栓工裝拉力不小于10 t

另外，卷揚(yáng)機(jī)及各部件工裝放置于塔筒平臺(tái)指定位置的起吊需求是10 t。

2.3 施工操作簡(jiǎn)介

根據(jù)海上風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件的更換方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了如下的大部件更換，施工流程簡(jiǎn)圖如圖4所示。主要分為四個(gè)步驟：起重機(jī)桁架安裝及卷揚(yáng)機(jī)布置、拆除大部件及其吊裝、被更換的大部件吊裝及其安裝、卷揚(yáng)機(jī)及起重機(jī)桁架的拆除。由于齒輪箱的更換必須途經(jīng)發(fā)電機(jī)底座處的開孔,所以齒輪箱更換前必須先將發(fā)電機(jī)組件拆除并吊運(yùn)至吊裝船。

圖4 機(jī)艙內(nèi)大部件更換施工流程簡(jiǎn)圖

照此流程施工，大部分作業(yè)在機(jī)艙內(nèi)部以及集裝箱平臺(tái)上即可完成，吊裝船僅負(fù)責(zé)起重機(jī)零部件、卷揚(yáng)機(jī)、大部件支架、大部件本體等物件的低位吊裝和轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)，作業(yè)安全級(jí)別和難度得到有效下降。

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)本方案設(shè)計(jì)的優(yōu)化和改進(jìn)，起吊高度可以從120 m下降至20 m，相應(yīng)的吊裝船可從大于1 000 t級(jí)下降至小于100 t級(jí)，費(fèi)用從大于400萬元下降至小于100萬元，由于延誤導(dǎo)致的壓船費(fèi)也從大于80萬元下降至小于20萬元。所以,100 MW的標(biāo)準(zhǔn)海上風(fēng)場(chǎng)28臺(tái)風(fēng)機(jī)中各類機(jī)艙內(nèi)備件更換的成本和進(jìn)度將得到顯著優(yōu)化。

3 結(jié)論

本文所介紹的海上風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件更換方案的設(shè)計(jì)，是以上海電氣3.6 MW海上雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為對(duì)象，通過介紹和對(duì)比分析海上風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)大部件維修更換方式，為降低租用大型吊裝船的巨額成本、縮短施工周期、減輕受環(huán)境影響因素大的問題，提出了設(shè)計(jì)思路。本設(shè)計(jì)方案根據(jù)GB/T 3811—2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，并考慮了載荷計(jì)算和抗傾覆穩(wěn)定性的要求，提供了在機(jī)位塔底平臺(tái)通過卷揚(yáng)機(jī)、滑輪組和起吊桁架等工裝，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件更換可行的設(shè)計(jì)方案。

[1]黃維平，劉建軍，趙戰(zhàn)華.海上風(fēng)電基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].海洋工程，2009，27(2)：130-134.