海上風(fēng)電升壓站組塊調(diào)偏心分析與應(yīng)用

孔 源,李衛(wèi)東,張志浩,馬連山,陳緒敏,王芳輝

1.華能山東發(fā)電有限公司,山東濟(jì)南 250014

2.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司,山東青島 266555

在國家“雙碳”戰(zhàn)略的指引下，海上風(fēng)電成為“綠碳”主力軍，預(yù)計2025年我國海上風(fēng)電年新增裝機(jī)將達(dá)到12 GW。海上升壓站作為海上風(fēng)電業(yè)務(wù)的“心臟”，主要包括主變壓器、GIS開關(guān)、高壓開關(guān)柜、柴油發(fā)電機(jī)、吊機(jī)等20余艙室設(shè)備。升壓站組塊整體布局緊湊，設(shè)備種類繁多，且為非標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)計與建造過程中易產(chǎn)生偏心。常規(guī)的調(diào)偏心方法包括采用更大噸位浮吊或制作平衡吊梁。而在浮吊資源緊張、更換吊梁不滿足工期的情況下，通過IBC（Intermediate Bulk Container）噸桶調(diào)偏心，則更經(jīng)濟(jì)更安全。本項(xiàng)目研究內(nèi)容可為以后項(xiàng)目存在的類似問題提供參考和指導(dǎo)建議。

1 海上升壓站偏心原因分析

本文依托山東半島某升壓站組塊進(jìn)行分析，該組塊整體尺寸為41 m×37 m×21 m，共4層甲板，在陸地整體建造完成后，使用浮吊進(jìn)行海上一體化安裝。組塊包含4個主立柱，編號分別為2B、2D、4B、4D，組塊二層平面布置見圖1。4個主吊耳設(shè)置在頂層甲板的主立柱上，4個吊點(diǎn)的中心X=7.5 m、Y=10 m（以2B軸為原點(diǎn)）。

根據(jù)設(shè)計提供的數(shù)據(jù)，組塊吊裝質(zhì)量為2 836.4 t，其理論重心X=6.37 m、Y=9.93 m，如表1所示。

圖1 升壓站組塊二層平面布置

表1 升壓站組塊重心控制

2D與2B的立柱支反力比4D與4B的支柱支反力大，在X軸方向有1.13 m的偏心。產(chǎn)生偏心原因：

（1）設(shè)備布局原因。如圖1所示，②軸外側(cè)布置了GIS開關(guān)室、柴油機(jī)房、應(yīng)急配電室、暖通機(jī)房1、低壓配電室、油罐室、休息生活區(qū)、5 t吊機(jī)等艙室；④軸外側(cè)布置了水棚房、40.5 kV開關(guān)室、暖通機(jī)房2、通信繼保室、蓄電池室等艙室。②軸外側(cè)設(shè)備布置多、質(zhì)量大。

（2）GIS設(shè)備本體質(zhì)量大。該設(shè)備為某國產(chǎn)品牌，質(zhì)量較大，且布置于②軸外側(cè)。另外GIS所需空間布局較大，導(dǎo)致了②軸外側(cè)結(jié)構(gòu)質(zhì)量比④軸外側(cè)偏大。參照圖1平面布置圖，②軸與①軸的間距為12.45 m，而④軸與⑤軸的間距為9 m。

2 一次調(diào)偏心載荷計算分析

組塊偏心導(dǎo)致吊裝穩(wěn)性差，極易出現(xiàn)吊裝安全事故。常規(guī)解決方案包含選擇大噸位浮吊或預(yù)制吊梁調(diào)偏心。

2.1 浮吊載荷分析

在2021年風(fēng)電搶裝潮的背景下，浮吊資源異常緊張，僅“德浮3600”可滿足項(xiàng)目工期要求。該浮吊為固定扒桿起重作業(yè)船，船長118.9 m、型寬48 m、型深8.8 m，主鉤起重能力為9 000 kN（共4個主鉤）。根據(jù)浮吊的起重曲線及組塊的外形尺寸分析，確認(rèn)在滿足作業(yè)半徑及起吊高度的情況下，主鉤的起重能力為額定起重能力36 000 kN。

核算該浮吊單個主吊鉤的吊裝載荷Q[1]：

式中：Q為每個主吊鉤的吊裝載荷，kN；K1為吊裝時動載荷系數(shù)，本項(xiàng)目取1.1；K2為安全載荷（重量不確定）系數(shù)，本項(xiàng)目取1.03；Qj為德浮3600主鉤額定吊裝載荷，kN，本項(xiàng)目取9 000 kN。

經(jīng)計算，單個吊鉤的吊裝載荷Q最大7 944 kN。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，2D與2B支反力（即吊點(diǎn)受力）分別為8 104 kN和8 211 kN，均超過浮吊單鉤的吊裝載荷（7 944 kN），因此不滿足吊裝要求。

2.2 預(yù)制吊梁一次調(diào)偏心

在船舶資源緊張的背景下，施工單位根據(jù)理論偏心數(shù)據(jù)，設(shè)計并制作了2套吊梁[2]進(jìn)行一次調(diào)偏心。每套吊梁質(zhì)量75 t，2D∕4D一組，2B∕4B一組，以平衡4個吊鉤的承載力。

升壓站組塊建造完成后進(jìn)行了稱重作業(yè)。組塊稱重得到質(zhì)量為2 823 t（含滑靴質(zhì)量152 t）；組塊實(shí)際重心為：X=5 735 mm、Y=10 301 mm，在X軸方向上實(shí)際偏心1.76 m，明顯超過1.13 m的理論偏心。根據(jù)實(shí)際偏心結(jié)果，2D與2B立柱支反力將進(jìn)一步增大，需計算浮吊和一次調(diào)偏心所預(yù)制的吊梁是否還能滿足升壓站組塊的吊裝要求。

2.3 吊裝載荷計算分析

為驗(yàn)證浮吊及預(yù)制吊梁是否滿足吊裝要求，需對其計算分析，流程如圖2所示。

圖2 浮吊及預(yù)制吊梁驗(yàn)證計算流程

2.3.1 吊梁下吊點(diǎn)載荷F

吊梁下吊點(diǎn)載荷等于主腿的支反力，根據(jù)主腿支反力計算公式：

式中：W吊為組塊的吊裝重力，即稱重重力-滑靴重力=26 720 kN；S1為對角小矩形面積，即實(shí)際重心與計算主腿的對角支腿坐標(biāo)組成的矩形面積，m2；S為4個主腿坐標(biāo)組成的矩形面積，m2，本項(xiàng)目為300 m2。

經(jīng)計算，F(xiàn)2B=8 000 kN，F(xiàn)2D=8 497 kN，F(xiàn)4B=4 952 kN，F(xiàn)4D=5 260 kN。

2.3.2 吊梁上吊點(diǎn)載荷P

根據(jù)上述吊梁下吊點(diǎn)載荷計算結(jié)果可知，F(xiàn)2D載荷最大，故僅需要對2D∕4D組吊梁進(jìn)行核算，即可確定能否滿足組塊吊裝要求。

吊梁受力分析如圖3所示[3]，根據(jù)杠桿平衡原理，計算力臂A與B的長度：F2D×A=F4D×B，A+B=15 000 mm，求得A=5 735 mm，B=9 265 mm。

圖3 吊梁受力分析

根據(jù)圖3吊梁尺寸信息，求吊梁上吊點(diǎn)力臂C與D的長度：C=4 735 mm，D=6 065 mm。通過吊梁調(diào)載后，計算吊梁上吊點(diǎn)的載荷P2D與P4D，根據(jù)杠桿平衡原理：P2D×C=P4D×D，P2D+P4D=F2D+F4D+吊梁自重，求得P2D=8 147 kN，P4D=6 360 kN。

2.3.3 浮吊吊鉤的計算載荷G2D

浮吊吊鉤計算載荷G2D=吊梁上吊點(diǎn)載荷P2D+鎖具重力125 kN（查閱產(chǎn)品說明書得知）。經(jīng)計算，G2D=8 272 kN，超過浮吊的吊裝載荷7 944 kN。

由于設(shè)計及建造過程中產(chǎn)生了嚴(yán)重的偏心問題，經(jīng)計算確定浮吊和預(yù)制的吊梁不能滿足升壓站組塊的吊裝要求，需要更換吊梁。經(jīng)與吊梁廠家溝通，重新預(yù)制或修改吊梁的費(fèi)用較高，且預(yù)制周期約2個月，不能滿足項(xiàng)目工期要求，故需提出其他方案進(jìn)行二次調(diào)偏心。

3 二次調(diào)偏心方案

由于一次調(diào)偏心不能滿足吊裝要求，在此探討組塊減重及增加配重塊的方案進(jìn)行二次調(diào)偏心[4]，以滿足升壓站組塊的吊裝要求。

3.1 組塊減重

參照圖1，將②軸外側(cè)易于拆卸的部件進(jìn)行拆除，以平衡其重心。經(jīng)分析，②軸外側(cè)二層與三層的鋼格柵與GIS房間的頂層蓋板易于拆卸，質(zhì)量分別為10.87 t和6.46 t。拆卸后G2D載荷可調(diào)減為8 098.7 kN，依然大于吊裝載荷7 944 kN，且需動員小浮吊在海上進(jìn)行拆卸部件的二次安裝。故無論從經(jīng)濟(jì)性或工期考慮，該方案都存在諸多不確定性。

3.2 增加配重塊

配重塊應(yīng)放置在組塊受力較小側(cè)，即⑤軸外側(cè)的安全通道上，如圖1所示。該位置力矩最大，所需增加配重塊重量最小。最終通過調(diào)載，使升壓站組塊X軸重心位置與理論重心一致。

3.2.1 配重塊的計算

計算增加配重塊的重量，按照本文第2.3節(jié)吊裝載荷計算方式的反向進(jìn)行推算。

第一，假定計算載荷G2D′=吊裝載荷7 944 kN，則P2D′=G2D′-鎖具重力 125 kN=7 819 kN，P4D′=6 688 kN。

第二，根據(jù)杠桿原理計算力臂：C′=4 979 mm，D′=5 821 mm，A′=5 979 mm，B′=9 021 mm。

第三，計算吊梁下載荷F2D′與F4D′：F2D′=8 273 kN，F(xiàn)4D′=5 484 kN。

第四，計算D軸吊梁需增加配重塊的質(zhì)量M。

根據(jù)杠桿原理：F2D′×X=F4D′×（15 000-X）+M×g×L′。式中：F2D′=8 273kN，F(xiàn)4D′=5 484 kN，X=6 370 mm，配重塊力臂長L′=15 000 mm-X+10000 mm=18 630 mm，g為重力加速度，取10 m∕s2。經(jīng)計算，M=28.8 t。

組塊在Y軸方向基本無偏心，故B軸吊梁需增加的配重塊質(zhì)量等于D軸吊梁需增加的質(zhì)量28.8 t。故共需增加配重塊質(zhì)量57.6 t，取整數(shù)60 t。

浮吊吊裝載荷為31 776 kN，而吊裝物的重力為28 720 kN，故可增加配重塊的最大質(zhì)量為305.6 t，因此上述計算結(jié)果（增加配重塊質(zhì)量60 t）可滿足浮吊吊裝載荷要求。

3.2.2 配重塊的選擇

（1）鑄鐵配重塊。每塊16 t，尺寸2 m×2 m×0.5 m。其寬度與安全通道基本一致，安裝難度大。組塊海上吊裝后，需動員小浮吊將配重塊吊至駁船上，再運(yùn)輸至施工現(xiàn)場作業(yè)場地，增加了吊裝和運(yùn)輸費(fèi)用。

（2）IBC噸桶。材質(zhì)為高密度聚乙烯，尺寸1.2 m×1 m×1.15 m，自身質(zhì)量57 kg，灌水后每個質(zhì)量為1 t。IBC噸桶優(yōu)勢：其一，采購價格便宜，采購周期短，安裝方便；其二，組塊海上吊裝就位后，噸桶中的60 m3水在調(diào)試期間可作生活用水，減少生活支持船的費(fèi)用；其三，水排放后，噸桶自重輕，不需要額外動用浮吊拆卸。

經(jīng)綜合對比，二次調(diào)偏心選擇60個IBC噸桶作為配重塊進(jìn)行調(diào)載。

3.2.3 配重塊的放置

根據(jù)計算結(jié)果，將60個噸桶放置于二層甲板和三層甲板⑤軸外側(cè)的安全通道上，二層放置31個、三層放置29個，于Y軸方向上對稱布置，三層噸桶擺放布置見圖4。

4 二次調(diào)偏心驗(yàn)證

4.1 安全性驗(yàn)證

根據(jù)選定的方案，使用SACS軟件對安置60個IBC噸桶后的升壓站組塊進(jìn)行受力分析[5]，經(jīng)計算模擬，所有UC值＜1（Unity Check值簡稱UC值），該方案安全性能滿足要求。

4.2 二次稱重驗(yàn)證

按本文3.2.3所述方式將IBC噸桶布置完成后，進(jìn)行二次稱重驗(yàn)證。組塊稱重結(jié)果為2 915 t（含滑靴質(zhì)量152 t，IBC噸桶質(zhì)量60 t）；組塊稱重重心位置為：X=6 490 mm，Y=10 193 mm。升壓站組塊在X軸方向?qū)嶋H偏心1.01 m，與理論偏心1.13 m基本吻合。

在浮吊資源緊張且無法更換吊梁的情況下，通過理論計算、SACS軟件分析及二次稱重，驗(yàn)證了使用IBC噸桶二次調(diào)偏心的可行性?！暗赂?600”于2021年8月一次性順利完成該升壓站組塊的海上吊裝。

5 結(jié)束語

升壓站組塊海上安裝是整個項(xiàng)目風(fēng)險最大的環(huán)節(jié)，須綜合考慮吊裝載荷、船舶穩(wěn)性、布錨、氣象環(huán)境等因素。本文對升壓站組塊在吊梁調(diào)載后存在的二次偏心問題，創(chuàng)新地使用IBC噸桶進(jìn)行二次調(diào)偏心，并成功地完成了海上吊裝作業(yè)，不僅在安全方面將風(fēng)險降到最低，在經(jīng)濟(jì)方面也最大化地降低了成本。本文研究內(nèi)容可為以后解決類似項(xiàng)目調(diào)偏心問題提供參考。