海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)

曹國東 趙耀煌 路廣亮

摘要：近年來，中國海上風(fēng)電取得突破進(jìn)展，有預(yù)測顯示，2018-2027年的海上風(fēng)電裝機(jī)市場可觀。全球海上風(fēng)電裝機(jī)預(yù)計(jì)從2018年的4.5 GW上升到2027年的11.3 GW。如何提高海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝效率對降低海上風(fēng)電機(jī)組的安裝成本異常重要，為便于研究，我們對國內(nèi)外8家知名風(fēng)機(jī)供應(yīng)商提供的14臺(tái)單機(jī)容量5MW及以上的抗臺(tái)風(fēng)型海上大容量風(fēng)電機(jī)組的安裝進(jìn)行了研究分析，涉及不同機(jī)型機(jī)組機(jī)艙與輪轂、不同型葉輪與輪轂整體吊裝、單葉片吊裝等技術(shù)路線、安裝方式等，為海上大容量風(fēng)電機(jī)組的安裝提供了成功的探索。

關(guān)鍵詞：海上;風(fēng)力發(fā)電;機(jī)組安裝;技術(shù)研究

1. 海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電的對比及其技術(shù)難點(diǎn)

1.1海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電的對比

與陸上風(fēng)力發(fā)電相比，海上風(fēng)電除在解決占地和環(huán)保方面具有明顯優(yōu)勢外，還存在以下明顯的技術(shù)優(yōu)勢：海上風(fēng)速隨高度的變化小，因而塔架可以較低海上風(fēng)湍流強(qiáng)度小，具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，機(jī)組承受的疲勞負(fù)荷較低，使得風(fēng)機(jī)壽命更長，相同條件下，一般在陸地上設(shè)計(jì)使用壽命為年的發(fā)電機(jī)組在海上可以延長到一年海上風(fēng)況優(yōu)于陸地，當(dāng)風(fēng)流過粗糙的地表或障礙物時(shí)，風(fēng)速的大小和方向都會(huì)發(fā)生較大的變化，而海面則粗糙度小，不會(huì)產(chǎn)生類似情況離岸的海上風(fēng)速通常比沿岸陸上高約，使用同樣的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，年發(fā)電量有同等比例的增加因不受噪聲限制，可采用比較高葉尖速比，使機(jī)組轉(zhuǎn)速適當(dāng)提高一，增加發(fā)電量，降低轉(zhuǎn)矩、減少傳動(dòng)系統(tǒng)的重量和成本海上風(fēng)力發(fā)電可以和其他形式的海洋能源形式波浪能、海流能、溫差能、鹽差能等結(jié)合起來，可以在深海建立一個(gè)大型離岸能源中心，使為人類開發(fā)深海資源提供直接能源支持成為可能。

1.2海上風(fēng)電的技術(shù)難點(diǎn)

與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電也存在以下技術(shù)難點(diǎn)海上風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量更大，對制造工藝和技術(shù)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)更高海上風(fēng)電場要面對風(fēng)和波浪的雙重負(fù)荷的考驗(yàn)，對風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)包括塔架、基礎(chǔ)和連接等要求很高海上氣候環(huán)境惡劣，鹽霧、夭氣、海浪、潮汛等因素復(fù)雜多變，對風(fēng)電機(jī)組防腐性能等級(jí)要求更為嚴(yán)格，同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的吊裝、項(xiàng)目建設(shè)施工及運(yùn)行難度更大由于海上風(fēng)力資源多分布在一海岸內(nèi)，這些區(qū)域水深多超過，按照目前近海風(fēng)電場普遍采用各種貫穿樁結(jié)構(gòu)如重力基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)或多腳架基礎(chǔ)固定在海底的做法，建場成本昂貴是目前存在的重要問題。

2. 項(xiàng)目簡介

該項(xiàng)目位于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，場址涉及福清市的三山鎮(zhèn)和沙埔鎮(zhèn)。該區(qū)各機(jī)位平均水深5.5m，面積約23.6 。

3. 風(fēng)電機(jī)組安裝技術(shù)

3.1吊裝設(shè)備

風(fēng)場所在地區(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)場風(fēng)電機(jī)組種類較多，施工工藝差異較大，工程施工期應(yīng)盡量避開臺(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。機(jī)組的主吊機(jī)吊機(jī)械選用 1000 t 自升式風(fēng)電安裝船進(jìn)行風(fēng)機(jī)分體安裝。

3.2安裝準(zhǔn)備

測量。安裝船通過 GPS 進(jìn)行定位，DP動(dòng)力定位進(jìn)點(diǎn)，通過搭接已建陸上基站，確保安裝船進(jìn)點(diǎn)距離準(zhǔn)確。

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; 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。

物資準(zhǔn)備。根據(jù)風(fēng)機(jī)安裝作業(yè)指導(dǎo)書提供的物料清單，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。

3.3下塔筒安裝

①基礎(chǔ)環(huán)檢查。首先應(yīng)對基礎(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接;檢查法蘭表面是否有嚴(yán)重的劃痕，過渡段內(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，對損傷部位用塔筒廠家提供的專門用于修復(fù)表面油漆損傷的油漆進(jìn)行修補(bǔ)。

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150mm處。調(diào)整下塔筒安裝方位，確保塔架門的朝向正確，然后緩慢下落就位。利用引導(dǎo)銷使法蘭螺孔對位，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中段塔筒安裝

①塔筒檢查，對損傷部位進(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主輔吊車同時(shí)啟動(dòng)，緩緩起升吊鉤，將中塔筒吊起離甲板面約50～100mm，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，松開副吊上的吊帶，主吊緩慢下降至距離運(yùn)輸船甲板300mm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150mm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)銷使法蘭螺孔對位，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。

3.5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。

3.6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)在場地內(nèi)完成預(yù)組裝。安裝機(jī)艙和輪轂起吊專用吊具，并將1000t吊車上的穩(wěn)貨鉤掛設(shè)與吊具兩側(cè)。吊索連接完成后，檢查連接正確性，在現(xiàn)場起重指揮下，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)銷使法蘭孔對中。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。

3.7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。通過安裝調(diào)試電源盒對輪轂軸承進(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。

葉片的吊裝模式有整體吊裝模式和單葉片吊裝模式。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。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)盤車工裝。風(fēng)機(jī) 葉片吊裝采用平插式，每裝完一支葉片，機(jī)組盤車至下 ?一葉片安裝位置，安裝相對比較順利。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)間相對較長。

該海上風(fēng)場風(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)電資源開發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)。隨著海上風(fēng)電開發(fā)逐步向深遠(yuǎn)海開發(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。

結(jié) 語：

隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為未來發(fā)展的主要方向正在被越來越多的風(fēng)電企業(yè)設(shè)計(jì)和研發(fā)出來。但應(yīng)該注意的是，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和海上風(fēng)場的建設(shè)尚在起步階段，加之，海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電在技術(shù)上存在很大的差異，造成海上風(fēng)電能夠借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少，甚至在某些關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)方面尚無可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。因此，對于正在研發(fā)或者已經(jīng)研發(fā)出海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的企業(yè)，更應(yīng)該謹(jǐn)慎細(xì)微，應(yīng)做好充分的前期準(zhǔn)備，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)多方面，多角度反復(fù)考慮和推敲只有這樣才能保證在進(jìn)人海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)以后能夠持續(xù)穩(wěn)定健康的發(fā)展。

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