大型海上風(fēng)電機(jī)組水平單葉式吊裝技術(shù)分析

文 | 李紅峰，沈星星，張竹，王九華，程偉

海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在海上進(jìn)行機(jī)組吊裝，不僅技術(shù)要求高，同時(shí)還受氣候、天氣、波浪等因素的制約，海上施工方案的設(shè)計(jì)和作業(yè)中任何的失誤都可能造成工期的延誤。此外，隨著陸上風(fēng)電平價(jià)時(shí)代的到來(lái)，海上風(fēng)電也面臨降本的壓力，因此，選擇能夠減少海上作業(yè)時(shí)間、縮短工期的吊裝方法對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)至關(guān)重要。

傳統(tǒng)大兆瓦機(jī)組葉輪的三葉式吊裝，主要存在兩個(gè)問(wèn)題：（1）葉輪自身拼裝問(wèn)題。隨著機(jī)組的大型化、單機(jī)容量的提升，機(jī)組風(fēng)輪直徑也越來(lái)越大，從2.5MW、3MW的109m、121m，再到6MW的154m、171m、184m及以上，若采用傳統(tǒng)的吊裝方法，市場(chǎng)上很難找到甲板空間能夠滿足大兆瓦機(jī)組葉輪拼裝要求的安裝船舶。（2）作業(yè)時(shí)間窗口問(wèn)題。葉輪的平均吊裝時(shí)間為8個(gè)小時(shí)，大兆瓦機(jī)組葉輪的三葉式吊裝，對(duì)風(fēng)速的要求較高，在高于8m/s平均風(fēng)速條件下，難以進(jìn)行吊裝。而在廣東、福建海域很難有平均風(fēng)速低于8m/s且連續(xù)時(shí)間為8小時(shí)的作業(yè)時(shí)間窗口，這在很大程度上影響整個(gè)機(jī)組的吊裝進(jìn)度，帶來(lái)的是風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)竣工時(shí)間的延遲和吊裝成本的增加。

因此，開(kāi)發(fā)新型海上風(fēng)電機(jī)組吊裝技術(shù)成為海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的迫切需求。本文主要分析水平單葉式吊裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，介紹水平單葉式技術(shù)方案和相關(guān)技術(shù)設(shè)備，并簡(jiǎn)要分享其應(yīng)用情況。

水平單葉式吊裝的優(yōu)勢(shì)

水平單葉式吊裝技術(shù)是一項(xiàng)綜合考慮海上環(huán)境、裝備條件、機(jī)組特點(diǎn)、風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)成本及施工安全性等各方面因素的先進(jìn)吊裝技術(shù)。使用該吊裝技術(shù)可以打破以往8～10m/s海上機(jī)組吊裝作業(yè)條件的限制，配合先進(jìn)的攬風(fēng)設(shè)備，可使海上尤其是高風(fēng)速海域風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)窗口期至少延長(zhǎng)15%，實(shí)現(xiàn)16～18m/s陣風(fēng)條件下機(jī)組的穩(wěn)定吊裝，極大幅度提升項(xiàng)目施工效率，也可提前實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電，獲取可觀的發(fā)電收益。同時(shí)，水平單葉式吊裝技術(shù)把直徑達(dá)154m甚至184m的超大風(fēng)輪化整為零，通過(guò)單支葉片的依次吊裝可使對(duì)施工船舶甲板的需求面積至少降低40%，降低超大葉輪對(duì)吊車運(yùn)動(dòng)幅度的需求，降低葉輪在翻身及回轉(zhuǎn)過(guò)程中的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，為海上風(fēng)電場(chǎng)安全施工提供有力保障。

水平單葉式吊裝采用單葉式吊具從船舶甲板上將葉片夾持到空中并與變槳軸承對(duì)接，實(shí)現(xiàn)葉片的吊裝。該方式對(duì)吊裝船舶的甲板空間要求較小，只要滿足單支葉片的存儲(chǔ)即可。

另外，水平單葉式吊裝受天氣因素影響較小。如圖1－圖3所示，以福建某項(xiàng)目為例，考慮每月降雨、雷電、大霧天氣占比為20%，7－9月還存在熱帶氣旋天氣，其占比為10%，單葉式吊裝可以在平均風(fēng)速不超過(guò)12m/s的條件下進(jìn)行葉片安裝。與三葉式吊裝相比，水平單葉式作業(yè)窗口期長(zhǎng)，可以保證施工進(jìn)度，在有限的時(shí)間內(nèi)最大限度利用吊裝船舶資源。水平單葉式吊裝方法以及吊具開(kāi)發(fā)對(duì)于機(jī)組葉片的維護(hù)和更換也有著重要作用，如海上風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組葉片損壞需要更換時(shí)，不必像傳統(tǒng)吊裝方法那樣將整個(gè)葉輪吊下來(lái)，而只需要租用相對(duì)較小的吊裝船，這樣在很大程度上可以降低運(yùn)維成本。

水平單葉式吊裝技術(shù)方案

圖1 全年可作業(yè)窗口分析

圖2 兩種吊裝方式的各月有效作業(yè)天數(shù)對(duì)比

采用水平單葉式吊裝技術(shù)時(shí)，機(jī)艙、發(fā)電機(jī)、輪轂以及底段塔筒電氣柜體在工廠內(nèi)完成預(yù)拼裝、預(yù)接線和調(diào)試，變海上作業(yè)為陸上作業(yè)，變現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)為工廠作業(yè)，最大程度減少海上施工需求，在海上可直接實(shí)現(xiàn)分節(jié)塔筒、“機(jī)艙+發(fā)電機(jī)+輪轂”組合體的一體化吊裝，既保證了海上高效作業(yè)，又保障了吊裝質(zhì)量。在葉片吊裝過(guò)程中，單葉式吊具起吊葉片至輪轂高度，攬風(fēng)系統(tǒng)與單葉式吊具連接控制葉片在空中的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)葉片與變槳軸承的水平對(duì)接。吊裝好一支葉片后，盤車工裝將下一個(gè)變槳軸承轉(zhuǎn)至同一水平位置，以同樣的方式吊裝第二支、第三支葉片。通過(guò)這種方式，一方面，可以減少葉片在空中所受的迎風(fēng)面積大小，保證葉片吊裝更穩(wěn)定；另一方面，對(duì)單葉式吊具的性能要求低，減少單葉式工裝的開(kāi)發(fā)成本，降低葉片吊裝風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 兩種吊裝方式的各月可吊裝臺(tái)數(shù)對(duì)比

圖4 福建某海上項(xiàng)目

水平單葉式吊裝技術(shù)設(shè)備

水平單葉式吊裝技術(shù)要實(shí)現(xiàn)機(jī)艙、發(fā)電機(jī)和輪轂的可組合拼裝，海上運(yùn)輸及吊裝，塔筒內(nèi)所有電纜完成出廠吊裝，需開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的設(shè)備，可見(jiàn)表1。其中的關(guān)鍵設(shè)備為盤車工裝、單葉式吊具和攬風(fēng)系統(tǒng)。

一、盤車工裝

盤車工裝主要由多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元以及氣隙保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成。每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元主要包括主驅(qū)動(dòng)油缸和輔助動(dòng)作油缸。主驅(qū)動(dòng)油缸一端固定在固定基座上（基座與機(jī)組底座連接），另一端使用盤車銷插入發(fā)電機(jī)端蓋中實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)及葉輪受控轉(zhuǎn)動(dòng)。為了避免液壓缸盤車驅(qū)動(dòng)過(guò)程中由于發(fā)電機(jī)端蓋受力而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變形過(guò)大，盤車工裝中需要集成一套發(fā)電機(jī)氣隙保護(hù)結(jié)構(gòu)。在盤車動(dòng)作執(zhí)行過(guò)程中，每次油缸運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，通過(guò)油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)葉片安裝過(guò)程中的機(jī)組盤車動(dòng)作。根據(jù)功能需要，盤車工裝可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)順時(shí)針以及逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

表1 開(kāi)發(fā)設(shè)備概覽

二、單葉式吊具

單葉式吊具夾塊能夠夾持葉片且保證葉片不被損壞，夾塊上具有壓力傳感器，可以實(shí)時(shí)觀察夾持壓力，保證夾塊所施加的最大夾持壓力在葉片表面的承載能力之內(nèi)。吊具具有一定的傾斜角調(diào)節(jié)余量，可以使被安裝的葉片在高空中始終保持水平。該工裝具備緊急釋放系統(tǒng)功能，當(dāng)單葉式吊具出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)操作該緊急釋放系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)葉片的隨時(shí)脫離，保護(hù)葉片和單葉式吊具本體不被損壞。吊具上夾塊和下底托能夠適用于不同類型的葉片，可以與不同葉片翼型表面完全貼合。

三、攬風(fēng)系統(tǒng)

攬風(fēng)系統(tǒng)的攬風(fēng)繩絞盤是整個(gè)攬風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，給整個(gè)系統(tǒng)提供攬風(fēng)拉力。每個(gè)攬風(fēng)繩上的張緊力能夠在設(shè)計(jì)工況下控制單葉式吊具在水平方向上的位置。攬風(fēng)系統(tǒng)具有力傳感器，可以主動(dòng)補(bǔ)償風(fēng)載，自動(dòng)調(diào)節(jié)單葉式吊具在空中的位置，保持單葉式吊具和葉片水平。該設(shè)備既可以使用無(wú)線遙控，也可以使用有線連接進(jìn)行操作。無(wú)線遙控面板上有不同的控制模式，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況進(jìn)行選擇。

應(yīng)用案例

水平單葉式吊裝技術(shù)已經(jīng)在中國(guó)沿海海域多個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用，圖4所示為其在福建海域的應(yīng)用案例。在樣機(jī)安裝時(shí)，福建某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源豐富，平均風(fēng)速達(dá)到10m/s，雖然是建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的優(yōu)質(zhì)選擇地，但從不停歇的風(fēng)也給工程師帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)—海上作業(yè)平臺(tái)空間小、不確定因素多、吊裝窗口期緊張。為此，工程師采用海上機(jī)組一體化運(yùn)輸及水平單葉式吊裝技術(shù)方案。除葉片外，其他部件都在陸地完成拼裝、接線和調(diào)試，運(yùn)抵海上作業(yè)平臺(tái)后進(jìn)行一體化吊裝。吊裝時(shí)，通過(guò)攬風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制調(diào)整，順利完成葉片對(duì)接。經(jīng)過(guò)連續(xù)十幾個(gè)小時(shí)的海上作業(yè)，即便吊裝期間平均風(fēng)速達(dá)13.7m/s，陣風(fēng)風(fēng)速一度強(qiáng)達(dá)17m/s，吊裝過(guò)程仍然平穩(wěn)可控，最終完成三支葉片的精準(zhǔn)安裝，對(duì)接精度控制在1cm內(nèi)。

總結(jié)

水平單葉式吊裝技術(shù)的開(kāi)發(fā)，可以進(jìn)一步完善海上機(jī)組的吊裝形式，使海上機(jī)組具備吊裝多樣性。該吊裝技術(shù)順應(yīng)了海上大兆瓦機(jī)組的發(fā)展趨勢(shì)，避免葉輪三葉式吊裝中的制約因素，減少海上作業(yè)時(shí)間，降低海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本。