海上風(fēng)電安裝技術(shù)及裝備發(fā)展現(xiàn)狀分析

王革棟

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 201999）

一、海上風(fēng)電的發(fā)展背景、發(fā)展優(yōu)勢與發(fā)展現(xiàn)狀

在石油能源逐漸消耗的今天，人類為防范石油能源枯竭的隱患并解決石油能源消耗帶來的污染問題，世界各國逐漸向視野投向可再生的清潔能源，海洋作為地球最大也是最為復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，其蘊(yùn)含著無比豐富的自然資源，在風(fēng)力發(fā)電這一領(lǐng)域，海洋也有其獨(dú)特的優(yōu)勢，歐洲國家由于其得天獨(dú)厚的環(huán)地中海地理優(yōu)勢與政治經(jīng)濟(jì)原因，率先進(jìn)行了海上風(fēng)電技術(shù)的探索，歐洲主要的海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展國家包括英國、德國、法國和瑞典等，其中德國的發(fā)展體量最大，發(fā)展技術(shù)最為先進(jìn)，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電在國家整體電力構(gòu)架中占比最大，海上風(fēng)電發(fā)電量可達(dá)60 兆瓦，約占全國總發(fā)電量的6%～7%，建設(shè)在海上的離岸型風(fēng)電將在未來德國能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮決定性作用。新建成的海上風(fēng)力發(fā)電廠并網(wǎng)發(fā)電,標(biāo)志著德國利用可再生能源進(jìn)入了一個(gè)新紀(jì)元。

隨著我國的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型與傳統(tǒng)領(lǐng)域中的資本逐漸飽和，我國于二十一世紀(jì)初開始了清潔能源的布局，同時(shí)我國幅員遼闊，東南沿海地區(qū)漫長的海岸線每年都有季節(jié)性的臺(tái)風(fēng)，此外非臺(tái)風(fēng)季也有著充分的風(fēng)力資源，但也由于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的影響，我國海上風(fēng)力資源的利用條件比歐洲國家更為復(fù)雜，同時(shí)技術(shù)與裝備也需要我國自主研發(fā)。我國目前的海上發(fā)電戰(zhàn)略布局眾多，并由地方政府的有關(guān)部門與大型能源企業(yè)及投資企業(yè)聯(lián)合開發(fā)與管理，上海、廣州、滄州、大連等地的海上風(fēng)電廠在過去的二十年中逐步建成并投入使用，給我國清潔能源的戰(zhàn)略布局打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

海上風(fēng)電具有眾多優(yōu)勢，其中具有不可替代性又是包括海上平均空氣密度高、風(fēng)能資源的能量效益高，從而實(shí)現(xiàn)了比陸地風(fēng)電平均高出30%的發(fā)電量；海上空間資源遼闊，發(fā)電廠規(guī)?？梢越ㄔO(shè)較大，同時(shí)沿海地區(qū)的用電需求更大；海上風(fēng)湍流強(qiáng)度小、風(fēng)切變小，受到地形、氣候影響??；海上發(fā)電的電磁干擾因素與人為干擾因素較少。海上風(fēng)電市場還極具發(fā)展規(guī)模，可以優(yōu)化我國的投資結(jié)構(gòu)，主力我國經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。

二、海上風(fēng)電安裝技術(shù)與裝備及發(fā)展現(xiàn)狀的分析

海上風(fēng)電安裝技術(shù)是指對于海上風(fēng)機(jī)的支撐技術(shù)與安裝技術(shù)，由于風(fēng)力發(fā)電所需的設(shè)備都是大型設(shè)備，因此需要超大型的運(yùn)輸與起重設(shè)備進(jìn)行安裝，進(jìn)行海上安裝作業(yè)的安裝設(shè)備主要分為運(yùn)輸船、起重船、安裝船，此外還有耦合性很強(qiáng)的自升式平臺(tái)、自航自升風(fēng)電安裝穿以適應(yīng)惡劣天氣與惡劣海域的安裝工作。

對于風(fēng)電支撐技術(shù)而言，根據(jù)海域情況與離岸距離的不同主要分為底部固定式支撐與懸浮式支撐，底部固定式支撐適用于水深小于10m 的淺海區(qū)域，利用混凝土材料或沙礫材料進(jìn)行重箱填埋，并引導(dǎo)其落入海底的指定地點(diǎn)，重箱頂部露出海面的部分采用圓錐形結(jié)構(gòu)以減少海上浮冰的碰撞，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，圓柱鋼管取代了鋼筋混凝土，將其嵌入到海床的扁鋼箱里，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)支撐底架的構(gòu)建；對于水深25m 以內(nèi)的海洋環(huán)境，可以采用大直徑的圓柱形鋼管作為單樁嵌入海床，但該技術(shù)對于海域內(nèi)土壤的松軟程度有較高的要求，同時(shí)不適用于巨石環(huán)境的海域安裝；針對擁有巨石但海水流速較為穩(wěn)定的海底環(huán)境，采用三腳架結(jié)構(gòu)的鋼管嵌入巨石縫隙的土壤中，并利用三角形結(jié)構(gòu)的鋼架支撐風(fēng)塔與風(fēng)機(jī)的重量；對于深度超過50m 的海域，利用鋼柱進(jìn)行支撐的難度與成本都過大，因此采用懸浮式的支撐技術(shù)以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)與風(fēng)塔的支撐。懸浮式的支撐主要是通過深海的大浮力實(shí)現(xiàn)，但完全漂浮于海面上的結(jié)構(gòu)容易受到潮汐以及風(fēng)浪的影響，因此采用半浸入式的支撐，主體支撐結(jié)構(gòu)浸于水中，通過纜索與海底的錨錠連接。圖一為半浸入式的海上風(fēng)電支撐架構(gòu)的示意圖。

圖1 半浸入式的海上風(fēng)電支撐架構(gòu)

海上風(fēng)電安裝流程大致分為準(zhǔn)備階段、輔助設(shè)備鋪設(shè)階段、測試階段、安裝階段與接連階段，在準(zhǔn)備階段，工程師主要進(jìn)行對于場址的評估，主要的評估內(nèi)容包括對于附近海域的深度、海域流速、所受季節(jié)性洋流影響的程度、離岸距離以及陸上（港口）運(yùn)輸條件等。評估完上述一系列相關(guān)因素后即制定設(shè)備制造、運(yùn)輸計(jì)劃，對于整體組裝式的海上風(fēng)電站還需要進(jìn)行預(yù)組裝，由于風(fēng)電設(shè)備體積與重量巨大，詳細(xì)周密的運(yùn)輸計(jì)劃才能保證設(shè)備的可靠性與安裝的穩(wěn)定性。在輔助設(shè)備鋪設(shè)與測試階段，主要進(jìn)行輸變電設(shè)備的制造、運(yùn)輸以及安裝，在下海前，電力機(jī)組需要在岸上進(jìn)行預(yù)組與測試，以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠。完成上述階段后，即開始海上風(fēng)電的安裝，首先根據(jù)探測環(huán)境與預(yù)先計(jì)劃進(jìn)行塔架的制作與安裝，之后將風(fēng)機(jī)放置于預(yù)定位置，再通過鋼纜進(jìn)行連接與固定，這一環(huán)節(jié)的重點(diǎn)與難點(diǎn)在于打樁作業(yè)。完成風(fēng)電機(jī)組的預(yù)置后，需要進(jìn)行上層風(fēng)電設(shè)備的吊裝與調(diào)試，完成了完整的風(fēng)力機(jī)組安裝后，進(jìn)行電力系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，將各系統(tǒng)并聯(lián)組裝實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場安裝的全過程。

對于安裝技術(shù)，主要有支撐升降技術(shù)、吊裝技術(shù)、定位技術(shù)以及運(yùn)輸技術(shù)，支撐升降技術(shù)主要應(yīng)用于塔架的安裝過程，由于塔架的縱深很高同時(shí)屬于海底環(huán)境下作業(yè)，因此需要進(jìn)行支撐升降系統(tǒng)輔助安裝并實(shí)現(xiàn)塔架對于風(fēng)力、波浪力、海流力等外力因素沖擊與負(fù)荷的適應(yīng)，目前應(yīng)用最為廣泛的升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是三角型結(jié)構(gòu)，支撐升降由多個(gè)三腳架組成，每一個(gè)腳樁里都裝有多臺(tái)電機(jī)或馬達(dá)，連接齒輪達(dá)到平臺(tái)升降的目的。

圖一是中國華電公司在福州進(jìn)行5MW 風(fēng)機(jī)安裝項(xiàng)目的吊裝安裝過程，吊裝技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組上層安裝部分，風(fēng)電設(shè)備體積巨大，在海面上的部分高度可達(dá)數(shù)百米，因此需要采用吊裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)葉與風(fēng)機(jī)的安裝。在安裝過程中，風(fēng)葉的安裝是整個(gè)安裝環(huán)節(jié)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，由于風(fēng)葉物理結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)細(xì)長型，在空中由水平狀態(tài)變?yōu)榇怪睜顟B(tài)時(shí)，受力情況變化極大，同時(shí)不能有任何形式的物理碰撞，需要對吊裝過程進(jìn)行嚴(yán)格控制，同時(shí)運(yùn)用輪轂組件構(gòu)成的專用吊機(jī)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的組裝。

圖2 吊裝技術(shù)在海上風(fēng)電中的應(yīng)用

由于海上環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，安裝過程可能會(huì)受到各種環(huán)境的交叉影響，因此需要控制系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，海上部分的風(fēng)電機(jī)組具有體積大、重量大、重心高的特點(diǎn)，因此也需要精準(zhǔn)定位系統(tǒng)保證精準(zhǔn)安裝，精準(zhǔn)定位的實(shí)現(xiàn)是通過風(fēng)電系統(tǒng)采用高強(qiáng)度螺栓的固定與終端定位系統(tǒng)聯(lián)合作用，中鐵大橋局五公司與橋梁科學(xué)研究院聯(lián)合研發(fā)的“大橋云”終端定位系能夠?qū)崿F(xiàn)海上風(fēng)電項(xiàng)目導(dǎo)向架快速精準(zhǔn)定位，這一系統(tǒng)采用衛(wèi)星定位加角度傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能化定位，在節(jié)約施工成本的同時(shí)降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

運(yùn)輸技術(shù)貫穿海上風(fēng)電安裝的全過程，運(yùn)輸技術(shù)不僅包括前期的組件運(yùn)輸，還包含施工過程中的移動(dòng)組裝問題，當(dāng)?shù)跹b船進(jìn)行吊裝工作時(shí)，由于重心的不斷增高，同時(shí)安裝吊臂外伸，船舶會(huì)受到很大的側(cè)傾力，這會(huì)使得船舶產(chǎn)生一個(gè)側(cè)傾角，不僅過大的側(cè)傾角很容易造成船舶的側(cè)翻，較小的側(cè)傾角也會(huì)導(dǎo)致船體進(jìn)水等問題，采用配載儀能夠有效的解決這一問題。

三、海上風(fēng)電安裝技術(shù)的發(fā)展趨勢

回顧海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展歷程，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展逐步向適應(yīng)性高、容量高以及突破更復(fù)雜海域的方向發(fā)展，隨著項(xiàng)目體量以及項(xiàng)目難度的不斷增大，對于海上風(fēng)電安裝技術(shù)及設(shè)備也有著更高的要求。

對于適應(yīng)性而言，主要是指施工團(tuán)隊(duì)對于一般工程的設(shè)計(jì)可靠性與設(shè)計(jì)效率，加強(qiáng)專業(yè)人才的培養(yǎng)與專業(yè)施工隊(duì)伍的建設(shè)能夠有效的解決這一點(diǎn)，適應(yīng)性還包含項(xiàng)目的可行性，這就要求施工團(tuán)隊(duì)考慮施工成本并盡可能地降低施工成本，同時(shí)利用豐富的經(jīng)驗(yàn)選擇合適的風(fēng)電安裝設(shè)備，由此可見，風(fēng)電施工隊(duì)伍的建設(shè)也需要滿足不同的標(biāo)準(zhǔn)，即要有能夠利用傳統(tǒng)方案與一般設(shè)備進(jìn)行施工的團(tuán)隊(duì)，也要有能夠造作先進(jìn)的自升式平臺(tái)與自航自升式安裝船的施工團(tuán)隊(duì)。對于大容量而言，大容量的風(fēng)電機(jī)組以為更大的發(fā)電量，同時(shí)據(jù)研究表明海上風(fēng)機(jī)安裝功率與成本呈現(xiàn)反比，20MW 的大容量風(fēng)電機(jī)組是目前發(fā)展的重點(diǎn)，但更大的功率意味著機(jī)組有著更大的重量、體積，安裝難度也隨之增大，進(jìn)行配套技術(shù)與設(shè)備的跟進(jìn)更新，才能夠?qū)崿F(xiàn)大容量風(fēng)電機(jī)組在海上風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用。突破更為復(fù)雜海域是我國海上風(fēng)電發(fā)展的必經(jīng)之路，這是由于我國漫長的海岸線以及復(fù)雜的海洋情況等因素的影響，我國離岸10KM，水深15m～20m 的大陸架結(jié)構(gòu)在遍布于東南沿海的幾個(gè)重要海域，同時(shí)深水海域有著更為豐富的風(fēng)能，能夠有效提高發(fā)電效率，同時(shí)對于大陸環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)影響較小，因此很適合于未來的發(fā)展。根據(jù)上述分析可知，深水海域的安裝技術(shù)主要以懸浮支撐技術(shù)為主，因此大力發(fā)展懸浮式支撐結(jié)構(gòu)，開發(fā)半浸入式平臺(tái)于風(fēng)機(jī)進(jìn)行安裝作業(yè)，并考慮后續(xù)的維護(hù)工作，在多方面共同發(fā)展。