淺談海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)

王愛(ài)國(guó)，楊澤敏，胡宗邱

(1.長(zhǎng)江三峽集團(tuán)福建能源投資有限公司，福建 福州 350001；2. 福建省新能海上風(fēng)電研發(fā)中心有限公司，福建 福州 350109；3. 三峽機(jī)電工程技術(shù)有限公司，四川 成都 610042)

福建省福清興化灣海上風(fēng)電場(chǎng)一期(樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng))為國(guó)內(nèi)首個(gè)大容量海上風(fēng)電機(jī)組比武的平臺(tái)，其安裝了8個(gè)廠家共計(jì)14臺(tái)抗臺(tái)型海上風(fēng)電機(jī)組，均為國(guó)內(nèi)外主流風(fēng)機(jī)廠家設(shè)計(jì)制造，涉及多種技術(shù)路線，多種吊裝工裝，多種吊裝工藝等?，F(xiàn)對(duì)各吊裝工藝進(jìn)行總結(jié)梳理，為后續(xù)海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)吊裝提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

福建省興化灣海上風(fēng)電場(chǎng)地處福建省福清市江陰半島東南側(cè)和牛頭尾西北側(cè)，位于興化灣北部，場(chǎng)址涉及福清市的三山鎮(zhèn)和沙埔鎮(zhèn)。根據(jù)《福建省海上風(fēng)電場(chǎng)工程規(guī)劃報(bào)告》(報(bào)批稿)[1]，該場(chǎng)址由兩塊區(qū)域組成，總面積約33.2 km2，規(guī)劃裝機(jī)容量300 MW。A區(qū)位于福清沙埔鎮(zhèn)牛頭尾村西北側(cè)和三山鎮(zhèn)前薛村東南側(cè)之間海域，場(chǎng)址涉及江陰特殊利用區(qū)、興化灣北部農(nóng)漁業(yè)區(qū)和興化灣保留區(qū)，場(chǎng)址中心距岸線約3.0 km，A區(qū)各機(jī)位平均水深5.5 m，面積約23.6 km2；B區(qū)位于福清三山鎮(zhèn)前薛村西北側(cè)和江陰半島東南側(cè)之間海域，場(chǎng)址涉及興化灣北部農(nóng)漁業(yè)區(qū)和江陰特殊利用區(qū)，場(chǎng)址中心距岸線約2.2 km，B區(qū)各機(jī)位平均水深4.1 m，面積約9.6 km2。

2 風(fēng)電機(jī)組主要信息

福清興化灣樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)總共安裝14臺(tái)單機(jī)容量5 MW及以上的抗臺(tái)風(fēng)型海上風(fēng)電機(jī)組，由國(guó)內(nèi)外8家知名的風(fēng)機(jī)供應(yīng)商供貨，機(jī)組信息見(jiàn)表1，各機(jī)型主要參數(shù)見(jiàn)表2～9。

表1 風(fēng)電機(jī)組信息表

表2 GW154/6.7MW風(fēng)電機(jī)組主要部件參數(shù)表

表3 FD140/5 MW (DEW-G5000)風(fēng)電機(jī)組主要部件參數(shù)表

表4 MySE158/5MW風(fēng)電機(jī)組主要部件參數(shù)表

表5 TZ500/153風(fēng)電機(jī)組主要部件參數(shù)表

表6 H128/5.0MW風(fēng)電機(jī)組主要部件參數(shù)表

表7 Haliade 150/6MW風(fēng)電機(jī)組主要部件參數(shù)表

表8 SWT154/6MW風(fēng)電機(jī)組主要部件參數(shù)表

表9 XE140/5MW風(fēng)電機(jī)組主要部件參數(shù)表

3 吊裝設(shè)備

福清興化灣樣式試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)所在地區(qū)的氣候和地理環(huán)境較為特殊，夏天受臺(tái)風(fēng)影響較大，秋冬受季風(fēng)影響，實(shí)際可作業(yè)天數(shù)有限，且該試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組種類(lèi)較多，施工工藝差異較大，工程施工期應(yīng)盡量避開(kāi)臺(tái)風(fēng)季及季風(fēng)季節(jié)，需選用安全可靠的施工機(jī)械，在確保安裝質(zhì)量及安全的情況下，快速完成吊裝工作。

風(fēng)電機(jī)組的主吊機(jī)械選用1 000 t自升式風(fēng)電安裝船進(jìn)行風(fēng)機(jī)分體安裝，配備自航駁進(jìn)行風(fēng)機(jī)部件運(yùn)輸?！案４龒{”號(hào)參數(shù)見(jiàn)表10。

表10 “福船三峽”號(hào)基本性能參數(shù)表 m

4 風(fēng)電機(jī)組安裝技術(shù)

4.1 安裝準(zhǔn)備

1)測(cè)量。“福船三峽”號(hào)通過(guò)GPS進(jìn)行定位，DP動(dòng)力定位進(jìn)點(diǎn)，通過(guò)搭接已建陸上基站，確保福船三峽號(hào)進(jìn)點(diǎn)距離準(zhǔn)確。

2)技術(shù)方案。根據(jù)提供的設(shè)計(jì)圖紙，立即組織有關(guān)人員進(jìn)行圖紙復(fù)核；風(fēng)機(jī)供應(yīng)廠商提供的風(fēng)機(jī)安裝作業(yè)指導(dǎo)書(shū)；充分研究現(xiàn)有資料，編排施工技術(shù)方案和實(shí)施計(jì)劃，及時(shí)向施工技術(shù)人員進(jìn)行安全技術(shù)質(zhì)量交底；及時(shí)做好在該風(fēng)場(chǎng)內(nèi)預(yù)定位置的插拔腿計(jì)算分析，確保平臺(tái)船插拔腿安全可控。

3)物資準(zhǔn)備。根據(jù)風(fēng)機(jī)安裝作業(yè)指導(dǎo)書(shū)提供的物料清單，編排各種物資、工裝、工索具的需求計(jì)劃，落實(shí)貨源，安排儲(chǔ)備供給，以滿足施工的要求。

4)施工海域清理。包括風(fēng)電場(chǎng)范圍內(nèi)的漁網(wǎng)、養(yǎng)殖漂浮繩子等影響施工作業(yè)的漂浮物，提前查勘風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)和所需通行的航道等海域， 確保航行通暢和船舶設(shè)備正常運(yùn)行。

5)船機(jī)進(jìn)場(chǎng)。有序安排“福船三峽”號(hào)及配套運(yùn)輸駁進(jìn)點(diǎn)，提前做好相關(guān)開(kāi)工手續(xù)的辦理，以及船舶證書(shū)的辦理。

4.2 下塔筒安裝

1)基礎(chǔ)環(huán)檢查。首先應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)環(huán)法蘭面的水平度再次進(jìn)行復(fù)查，法蘭水平度達(dá)到設(shè)計(jì)要求方可準(zhǔn)予吊裝，其次檢查基礎(chǔ)環(huán)法蘭橢圓度，以免影響與下塔筒的對(duì)接；檢查法蘭表面是否有嚴(yán)重的劃痕，過(guò)渡段內(nèi)設(shè)備、附件安裝到位。

2)塔筒檢查。在塔筒起吊前，需檢查并修復(fù)塔筒在運(yùn)輸中的損傷，檢查法蘭面的損傷及圓度以及檢查塔筒內(nèi)外表面的損傷，對(duì)損傷部位用塔筒廠家提供的專(zhuān)門(mén)用于修復(fù)表面油漆損傷的油漆進(jìn)行修補(bǔ)[2]。

3)吊具檢查。塔筒吊具安裝前，需確定所使用的吊具、吊帶是否滿足要求，檢查吊具掛設(shè)是否正確。

4)塔筒吊裝。下段塔筒豎直運(yùn)輸，直接吊裝。由主起重機(jī)將下塔筒吊起，移動(dòng)下塔筒至樁頂上方150 mm處。調(diào)整下塔筒安裝方位，確保塔架門(mén)的朝向正確，然后緩慢下落就位。利用引導(dǎo)銷(xiāo)使法蘭螺孔對(duì)位，安裝預(yù)先放置好的螺栓、墊片和螺母，按標(biāo)準(zhǔn)要求緊固高強(qiáng)度螺栓[3]。

4.3 中段塔筒安裝

1)塔筒檢查，對(duì)損傷部位進(jìn)行修復(fù)。

2)主輔吊機(jī)就位，按設(shè)備廠家要求掛好吊具。系好安全風(fēng)繩。

3)主輔吊車(chē)同時(shí)啟動(dòng)，緩緩起升吊鉤，將中塔筒吊起離甲板面約50～100 mm，卸下運(yùn)輸支架。

4)主副吊配合將中塔筒吊起，2臺(tái)吊機(jī)同時(shí)抬吊，主吊抬高，副吊緩慢抬升并向主吊方向靠近，直到中塔筒呈垂直狀態(tài)，完成塔筒翻身，松開(kāi)副吊上的吊帶，主吊緩慢下降至距離運(yùn)輸船甲板300 mm處，將吊具移去。主吊繼續(xù)提升吊鉤，將中塔筒吊至下塔筒上方約150 mm處。利用塔筒內(nèi)爬梯作為參照，確保塔筒安裝方位正確。利用引導(dǎo)銷(xiāo)使法蘭螺孔對(duì)位，安裝預(yù)先放置好的螺栓、墊片和螺母，按標(biāo)準(zhǔn)要求緊固高強(qiáng)度螺栓。

4.4 上塔筒安裝

按照中塔筒的安裝要求完成上塔筒的起吊和安裝，見(jiàn)圖1。

圖1 塔筒海上吊裝實(shí)例圖

4.5 增速型機(jī)組機(jī)艙和輪轂安裝

1)吊裝準(zhǔn)備。將機(jī)艙與頂段塔筒連接螺栓提前放置于頂段塔筒上平臺(tái)內(nèi)。機(jī)艙起吊前需完成機(jī)艙頂部風(fēng)速風(fēng)向儀、航空警示燈等附件安裝及電纜敷設(shè)工作。

2)機(jī)艙吊裝。機(jī)艙和輪轂已經(jīng)在場(chǎng)地內(nèi)完成預(yù)組裝[4]。安裝機(jī)艙和輪轂起吊專(zhuān)用吊具，并將1 000 t吊車(chē)上的穩(wěn)貨鉤掛設(shè)與吊具兩側(cè)，如圖2。吊索連接完成后，檢查連接正確性，在現(xiàn)場(chǎng)起重指揮下，緩慢提升起重機(jī)吊鉤，吊起機(jī)艙至上塔筒上法蘭上方，機(jī)艙頭部和尾部各拉1根纜風(fēng)繩調(diào)整機(jī)艙方向，保持機(jī)艙偏航法蘭面水平，利用引導(dǎo)銷(xiāo)使法蘭孔對(duì)中。當(dāng)兩法蘭面接觸后，裝上螺栓。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的順序和力矩進(jìn)行螺栓緊固。

圖2 吊裝機(jī)艙和輪轂組合圖

4.6 增速型機(jī)組葉片安裝

1)主副吊配合將葉片逐一從運(yùn)輸船上抬吊至“福船三峽”甲板的葉片支撐梁上。

2)主吊機(jī)掛設(shè)葉片專(zhuān)用吊具、系掛攬風(fēng)繩。將葉片緩緩吊起，拆除葉片支架。葉片呈水平狀態(tài)慢慢吊于輪轂葉根軸承法蘭接口處，如圖3。通過(guò)安裝調(diào)試電源盒對(duì)輪轂軸承進(jìn)行變槳微調(diào)，所有螺栓順利穿入變槳軸承孔內(nèi)，帶上螺母，按要求緊固螺栓。采用同樣的方式，安裝其他2片葉片，至此風(fēng)機(jī)主體拼裝完成[5]。

圖3 單葉片安裝圖

4.7 直驅(qū)型機(jī)組機(jī)艙+發(fā)電機(jī)安裝

風(fēng)機(jī)上塔筒吊裝完成后進(jìn)行機(jī)艙吊裝。

1)掛好機(jī)艙吊裝專(zhuān)用吊具和安全風(fēng)繩。

2)卸下機(jī)艙運(yùn)輸支架上的螺栓，緩緩起升吊鉤，卸下運(yùn)輸支架。清理機(jī)艙的法蘭面，在機(jī)艙偏航法蘭上裝好定位銷(xiāo)。

3)緩慢提升起重機(jī)吊鉤，吊起機(jī)艙至上塔筒上法蘭上方，機(jī)艙頭部和尾部各拉1根纜風(fēng)繩調(diào)整機(jī)艙方向，保持機(jī)艙偏航法蘭面水平，利用引導(dǎo)銷(xiāo)使法蘭孔對(duì)中。當(dāng)兩法蘭面接觸后，裝上螺栓。按廠家規(guī)定的順序和力矩進(jìn)行螺栓緊固，如圖4。

圖4 機(jī)艙+發(fā)電機(jī)吊裝圖

4.8 直驅(qū)型機(jī)組葉輪組裝

葉輪組裝場(chǎng)地為福船三峽號(hào)甲板，起重設(shè)備采用1 000 t主吊機(jī)和輔助吊機(jī)，見(jiàn)圖5。

圖5 葉輪組裝圖

1)將輪轂吊至葉輪組裝位置就位。

2)給變槳系統(tǒng)提供380 V的交流電源，接好手動(dòng)變槳控制盒，具備變槳條件。

3)按廠家要求在葉片指定位置布置吊索具。將第一片葉片慢慢吊于輪轂葉根軸承法蘭接口處進(jìn)行組裝。通過(guò)安裝調(diào)試電源盒對(duì)輪轂軸承進(jìn)行變槳微調(diào)，使葉片根部0度刻度線零點(diǎn)與葉根軸承轉(zhuǎn)盤(pán)上的0標(biāo)記線對(duì)正。調(diào)整葉片位置，使所有螺栓順利穿入變槳軸承孔內(nèi)，帶上螺母，按要求緊固螺栓。葉片安裝后應(yīng)在該葉片輔助吊點(diǎn)處墊上泡沫板，避免葉片安裝后重心偏離造成側(cè)翻。以同樣方式安裝其他2葉片，然后連接接地線。

4.9 直驅(qū)型機(jī)組葉輪吊裝

1)主副吊機(jī)就位，按設(shè)備廠家要求掛好吊具。

2)在主吊點(diǎn)兩側(cè)的葉片上分別套上纜風(fēng)繩保護(hù)套，對(duì)稱(chēng)系好4根纜風(fēng)繩。

3)卸下輪轂工裝支架上的螺栓，然后主副吊車(chē)同時(shí)啟動(dòng)，緩緩起升吊鉤，2臺(tái)吊機(jī)抬吊至離輪轂工裝500 mm時(shí)靜止。清理輪轂的法蘭面，在輪轂上裝好定位銷(xiāo)。

4)主副吊配合將葉輪吊起，雙機(jī)原位抬吊至距離甲板面35 m左右。然后主副吊機(jī)把桿協(xié)同轉(zhuǎn)動(dòng)，將葉輪平移吊至平臺(tái)船左舷外9.4 m左右后豎轉(zhuǎn)。豎轉(zhuǎn)過(guò)程中主吊機(jī)起鉤，副吊機(jī)逐步松鉤，豎向2只葉片攬風(fēng)逐步帶緊，調(diào)整控制葉輪方位。直到葉輪到達(dá)垂直狀態(tài)，松開(kāi)副吊上的吊帶并將其移去。主吊繼續(xù)提升吊鉤，直到葉輪的中心和機(jī)艙主軸平行后，對(duì)接葉輪和機(jī)艙，穿上連接螺栓，帶上墊片和螺母，取下定位銷(xiāo)換成安裝用的螺栓，并按要求緊固力矩。見(jiàn)圖6。

圖6 葉輪吊裝圖

5 各機(jī)型的安裝方式及優(yōu)缺點(diǎn)

1)TZ153/5MW機(jī)型、H128/5MW機(jī)型、FD140/5MW機(jī)型、MySE158/5MW機(jī)型、XE140/5MW機(jī)型的葉輪均為整體組拼起吊模式。整體吊裝模式下，葉片與輪轂組拼后尺寸大，存在一定的吊裝難度，信號(hào)指揮與吊機(jī)司機(jī)的配合非常關(guān)鍵；環(huán)境適應(yīng)性稍差，要求在風(fēng)浪條件較好時(shí)才能吊裝，對(duì)施工窗口期要求高；可在陸上進(jìn)行組裝，一次吊裝就位，減少海上作業(yè)時(shí)間。

2)SWT154/6MW機(jī)型、GW154/6.7MW機(jī)型采用單葉片吊裝模式。機(jī)艙與輪轂需先行組拼成組合體，機(jī)艙吊裝前先在機(jī)艙頂平臺(tái)安裝一個(gè)盤(pán)車(chē)工裝。風(fēng)機(jī)葉片吊裝采用平插式，每裝完一支葉片，機(jī)組盤(pán)車(chē)至下一葉片安裝位置，安裝相對(duì)比較順利。單葉片吊裝在風(fēng)機(jī)安裝窗口期的選擇上更為靈活；單葉片吊裝方式吊裝次數(shù)為3次，海上作業(yè)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

3)Hailide 150/6MW機(jī)型采用單葉片吊裝模式。不同點(diǎn)在于單葉片夾具和機(jī)艙吊裝前的準(zhǔn)備工作。組合體起吊前，機(jī)艙需在運(yùn)輸支架上進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，將由于運(yùn)輸工裝干涉而未裝上的本體部件螺栓(變槳軸承、偏航軸承螺栓)全部安裝并施加力矩，方可進(jìn)行機(jī)艙輪轂組合體的吊裝。其單葉片吊裝工藝與其他機(jī)型也存在較大的差別。第一支葉片斜30°對(duì)位后，利用葉片吊具和葉片本身的重量，將機(jī)組盤(pán)車(chē)到第二支葉片安裝位置；機(jī)組偏航，進(jìn)行第二支葉片的平行安裝；第二支葉片對(duì)位后，利用吊機(jī)將葉片提起到斜30°位置(第三支葉片安裝位置)，然后機(jī)組偏航，進(jìn)行第三支葉片安裝。這樣的安裝工藝，對(duì)于吊具夾持力，吊機(jī)指揮及吊機(jī)動(dòng)作等各方面要求較高。

6 結(jié) 語(yǔ)

福清興化灣樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)聚集了8家國(guó)內(nèi)外知名風(fēng)電機(jī)組廠家的大容量抗臺(tái)型海上風(fēng)電機(jī)組，涉及不同的技術(shù)路線、安裝方式等。通過(guò)福清興化灣樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)的工程實(shí)踐，海上風(fēng)電機(jī)組吊裝方式還需持續(xù)優(yōu)化。

增速型機(jī)組機(jī)艙含齒輪箱等增速裝置，機(jī)艙重量較重。吊裝時(shí)，一般采用機(jī)艙與輪轂分別吊裝的方式進(jìn)行，輪轂與葉片在甲板上拼裝成整體葉輪后再進(jìn)行吊裝，葉輪整體吊裝對(duì)吊裝環(huán)境提出了更高要求，但吊裝作業(yè)時(shí)間更短。直驅(qū)型機(jī)組機(jī)艙重量較輕，一般是機(jī)艙與輪轂拼裝成整體后再進(jìn)行吊裝，葉片采用單葉片吊裝的方式進(jìn)行。單葉片吊裝方式對(duì)吊裝環(huán)境要求更低，但吊裝作業(yè)時(shí)間更長(zhǎng)。

福清興化灣樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)吊裝既有葉輪整體吊裝方式，也有單葉片吊裝方式，在近海海域?qū)Χ喾N吊裝工藝進(jìn)行嘗試，可為后續(xù)深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電資源開(kāi)發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)。隨著海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)逐步向深遠(yuǎn)海開(kāi)發(fā)建設(shè)發(fā)展，海上風(fēng)電機(jī)組安裝面臨巨大挑戰(zhàn)。葉片整體或單體吊裝各有優(yōu)缺點(diǎn)，整體吊裝方式在風(fēng)浪條件較好的海域更適合，單體吊裝方式對(duì)外圍風(fēng)浪環(huán)境要求更低。風(fēng)機(jī)吊裝時(shí)，應(yīng)充分研判施工海域風(fēng)浪條件，根據(jù)機(jī)組型式，采取合理高效的吊裝方式。