超大型海上風電升壓站施工技術研究

作者簡介：王亞鋒（1990—），男，本科，工程師，研究方向為海上風電施工管理。

摘? 要：海上升壓站的基礎與上部組塊吊裝是海上風場施工的核心，升壓站作為海上風電場電能的匯集中心，擔負著電力集中、電力送出、設備保護、監(jiān)視控制等重任。導管架基礎與上部組塊一次性、安全、高質量施工成功，是海上風電場并網(wǎng)發(fā)電重要的前置條件。從升壓站導管架基礎施工、升壓站海上運輸、升壓站上部組件吊裝、船舶選型和吊重分析、精確的施工部署等多方面對海上升壓站全過程的施工技術要點進行研究，可為海上升壓站全套施工提供理論技術參考。

關鍵詞：海上風電? 升壓站? 施工技術? 工藝優(yōu)化

中圖分類號：TU753

Abstract： The lifting of the foundation and upper modules of an offshore booster station is the core of offshore wind farm construction. As the gathing center of offshore wind farm power， the booster station is responsible for power concentration， power transmission， equipment protection， supervisory control and other important tasks. The successful one-time， safe and high-quality construction of the jacket foundation and upper module is an important prerequisite for the grid-connected power generation of offshore wind farms. This article studies the key construction technology points of the entire process of offshore booster stations from many aspects such as the construction of the jacket foundation of the booster station， offshore transportation of the booster station， lifting of the upper components of the booster station， ship selection and lifting weight analysis， and precise construction deployment， which can provide theoretical and technical references for the complete construction of offshore booster stations.

Key Words： Offshore wind power; Booster station; Construction technology; Process optimization

1? 工程概況

申能海南CZ2海上風電場址位于儋州北面海域，水深15～25 m之間，離岸距離約為27 km，場址沿東西長18 km，南北寬17 km，面積約為191 km?，規(guī)劃容量為603.5 MW，共布置71臺8.5 MW風電機組，配套建設1座220 kV海上升壓站和1座陸上集控中心。

2? 海上升壓站結構型式

本項目海上升壓站結構由樁、導管架、上部組塊構成，如圖1所示。樁基采用4根直徑2.5 m鋼管樁，樁長105 m；導管架頂高程+11 m。底部根開尺寸27.4 m×22.9 m，總重1 226 t。導管架底部設置防沉鋼箱梁。

3? 升壓站海上裝駁及運輸

3.1? 碼頭滾裝潮位驗算

出運碼頭頂面高程H=7 m，潮汐高度h=1.66～4.75 m，碼頭前沿水深-12.5 m。

振新3號運輸船總長133 m，總寬35 m，型深7.8 m，升壓站上部組件采用艦靠滾裝上船的形式，如圖2所示，運輸船與碼頭面齊平時，其吃水計算式：A＝D-（H-h），算得吃水A范圍：2.46～5.55 m。升壓站滾裝上船期間，考慮船舶最大吃水為3.87 m，在潮高3.07～4.75 m之間能滿足其滾裝要求，根據(jù)實際的潮汐情況擇機選擇升壓站滾裝上船。

3.2? SPMT模板車滾裝配置驗算

3.2.1 配載驗算

本項目升壓站上部組件及其工裝總重3 400 t，SPMT共配置128個軸線與4個PPU，軸線車重604.8 t，軸線車倆總承重48t?128＝6144 t，SPMT軸線分組后最大負荷35.18 t，對地面流動荷載10.34 t/m?，荷載率為73.3％。

3.2.2 運輸牽引力驗算

車貨總重4 054.8 t，摩擦阻力4 054.8?5％＝202.74 t，SPMT最大牽引力為25?16+12.5?8＝500 t，牽引力的安全系數(shù)＝500/202.74＝2.47，滿足施工要求。

3.2.3 陸上運輸穩(wěn)定性驗算

通過研究液壓懸掛回路采用3點支承系統(tǒng)更有利，升壓站上部組塊的重心落在平板車的承載區(qū)域內，通過監(jiān)視液壓系統(tǒng)的壓力表保證裝載正確。

穩(wěn)定角：Tga＝L/H，Tga＝0.29，a=16°

結論：根據(jù)側向穩(wěn)定計算，穩(wěn)定角16°＞7°，滿足施工要求。

3.3? 升壓站海上運輸穩(wěn)定性驗算

3.3.1 綁扎加固及船體受力驗算

建模分析軟件采用Ansys 18.0，采用三維有限元模型，模型縱向范圍從艦封板到Fr190肋位，寬度范圍為整個船寬，垂向范圍從甲板板向下3 000 mm。其中甲板、艙壁以及甲板下平臺等平板結構用板單元模擬，甲板縱桁、甲板強橫梁、艙壁水平/垂直腹板等用板單元模擬，面板用梁單元模擬，其他小的骨材用梁單元模擬，支墩等綁扎結構采用板單元模擬[1]。

綜上所述，支墩等綁扎結構應力＝165 N/mm?＜許用應力＝211 N/mm?，滿足施工要求。

3.3.2 整體穩(wěn)定性驗算

運輸船整體穩(wěn)定性驗算具體見表1。

4? 升壓站基礎施工技術研究

4.1 導管架吊裝能力分析

導管架總高43 m，重1 226 t，吊索具重20 t，采用華西5000全回轉4 500 t起重船吊裝。

起吊高度H＝工裝高+凈空高+設備高度+吊索具高度=2.7+4+43+30=79.7 m＜110 m，滿足要求。動載噸位T=（設備重+吊索具重）×1.1=（1 226+20）×1.1=1 370.6 t＜4 500 t，此時起重船主臂仰角65°，跨距49 m，滿足施工要求。

4.2? 安放導管架

在導管架安裝前，進行導管架區(qū)域的水深測量，確認泥面標高及相對的高差情況。

利用RTK軟件，把所求點GPS1（X1，Y1）GPS2（X2，Y2）的坐標輸入軟件的起點與終點，再利用GPS-RTK實時動態(tài)位置，精確就位。

當導管架提升足夠約5m時，起重船吊機停止起升，觀察5 min，確認無任何異響或問題后，導管架運輸駁船絞離吊裝區(qū)域[2]。

導管架起升至合適高度后，根據(jù)定位系統(tǒng)指示，起重船絞錨移至指定安裝位置，開始下落導管架，下落過程中根據(jù)反饋數(shù)據(jù)實時監(jiān)控導管架位置，并適當調整主鉤高度，導管架起吊入水如圖3，確保導管架絕對位置及水平度滿足施工技術要求[3]。

圖3? 導管架入水安放

當導管架底部距離海床500 mm時，停止下鉤，導管架靜止狀態(tài)后，測量人員根據(jù)RTK反饋數(shù)據(jù)，計算求出偏差值，核準導管架移動方位及距離，給出移動方位和距離的指令，通過船舶絞錨調整導管架的位置及方位使安裝位置精度達到要求[4]。

導管架安放到位后，拆吊索具前，測量人員通過錨艇登上導管架頂部，利用水準儀、GPS分別對水平度、絕對位置、高程及方位角進行復測，確保導管架誤差在合理范圍內。

4.3? 基礎鋼管樁吊裝

升壓站基礎鋼管樁起吊翻樁采用起重船副鉤翻身，副鉤采用2根高強環(huán)形合成纖維吊索掛上層雙個吊耳，鋼管樁底部采用翻身工裝進行翻樁。

起重船吊機主鉤落鉤，系掛加長吊帶于鋼管樁底部，主副鉤聯(lián)動配合起吊鋼管樁并調整鋼管樁傾斜角度，起重船主吊機回轉至導管架頂部，直至鋼管樁底部高出導管架頂高程，開始進行鋼樁插樁施工。

4.4? 鋼樁插樁

起重船通過副鉤調整臂桿角度，使吊裝的鋼樁全部由起重船副鉤起吊，副鉤、鋼管樁上層吊點、鋼管樁重心處在同一鉛錘線。

起重船通過絞錨移至導管架上方，根據(jù)導管架水平度，將鋼樁插樁至高程相對較高的導管架角點位置，然后進行主鉤鋼管樁底部吊帶摘鉤，鋼樁自沉，插樁過程中隨時觀察吊機吊力顯示，保證一直帶力，避免因樁底存在支撐面而脫鉤。自沉結束后各船根據(jù)吊裝需要調整有利于打樁的船位，重復以上動作將第二根鋼樁翻身并插樁至第一根鋼樁對角位置，并以同樣的方式進行最后兩根鋼樁插樁作業(yè)。

4.5? 鋼樁打樁可打性分析

鋼管樁在自沉不滿足15 m時，施工中采用永安YZ-400B振動錘進行升壓站基礎鋼管樁沉樁作業(yè)，確保鋼管樁入泥15 m，后續(xù)沉樁采用永安YC-120液壓錘進行沉樁作業(yè)。鋼管樁壁厚：35～60 mm，樁長105 m，平均290 t，根據(jù)可打性分析結果可知：使用YC-120液壓打樁錘進行打樁時，所用最大錘擊能量273.6 kJ，總錘擊數(shù)為1 872錘，終錘時，貫入度約12.7 mm，滿足沉樁的技術規(guī)范要求。

4.6? 鋼樁打樁

插樁完畢后，起重船副鉤起吊打樁錘，索具鉤吊液壓管線，并調整船位至導管架位置鋼樁上方，通過調整變幅、船位將打樁錘錘帽套至鋼樁。

套錘時緩慢操作，始終控制吊機帶力，鋼樁會隨著壓錘的操作繼續(xù)下沉。

打樁前再次檢查導管架的水平度，水平度滿足要求（ 四角相對高差 2 cm 以內）方可打樁，打樁時根據(jù)導管架此時的水平度，將打樁錘套至導管架較高角點對應的鋼樁，開始打樁。遵循“哪邊高打那邊”的原則，打樁的同時進行導管架調平作業(yè)（采用“刀把法”將鋼管樁與導管架電焊固定），每打樁入泥1.5 m進行導管架水平度測量，邊打邊調，直至4根鋼樁均打至設計標高位置，施工如圖4所示。

4.7? 導管架調平及固定

若某一角點始終較低，則通過起重船單點提升調平。待導管架調平后，立即通過每個套簡樁周沿環(huán)向均勻分布的8個100 t液壓卡樁器將導管架與鋼管樁固定連接在一起，原理圖如圖5。

4.8? 水下灌漿施工封隔器的應用

封隔器設計原理為將灌漿料通過灌漿導管注入封隔器構件內部，由于灌漿料密度比海水的密度大，在橡膠片外表面和內表面之間產(chǎn)生壓力差，從而使橡膠外表面產(chǎn)生正壓力來增強密封功能，該密封效果隨著灌漿高度增加而增強[5]。

5? 升壓站上部組塊施工技術研究

5.1? 升壓站上部組塊吊裝能力分析

升壓站上部組塊采用三層布置，尺寸約為50 m?38 m?16 m，最高點距離海平面35.5 m，整體吊裝重量約3 450 t。采用創(chuàng)力號起重船起吊安裝。

（1）起吊高度H＝吊點距海平面高度+騰空高度+吊索具高度=35.5+5+30=70.5 m＜136 m。

（2）各鉤頭吊重。2-B吊點鉤頭吊重=Fa/sinα+G吊索=964.4/sin85.2°+8=975.79 t，起重安全系數(shù)=1250/975.79=1.28，滿足要求;2-D吊點鉤頭吊重=Fb/sinα+G吊索=860.8/sin85.2°+8=871.83 t，起重安全系數(shù)=1250/871.83=1.43，滿足要求：4-B吊點鉤頭吊重=Fc/sinα+G吊索=964.6/sin85.8°+8=975.20 t，起重安全系數(shù)=1250/975.20=1.28，滿足要求;4-D吊點鉤頭吊重=Fd/sinα+G吊索=861.0/sin85.8°+8=871.32t，起重安全系數(shù)=1250/871.32=1.43，滿足要求：創(chuàng)力號吊裝時主臂仰角62°，跨距55 m各主鉤起重能力固定尾吊4 500 t，全回轉3 500 t，與導管架安全距離40m各鉤頭吊重、吊高滿足要求。

5.2? 吊載形式

考慮工程誤差和現(xiàn)場施工方便，按重心位于吊耳中心設計，4吊點全部采用最大點載荷計算，即 8 280 kN。單鉤起吊升壓站上設置4吊耳，吊梁采用雙級角度變化形式，通過兩級吊梁實現(xiàn)吊索具從單鉤轉化為吊耳間距橫向19.4 m，縱向24 m，吊耳位置配置1 000 t寬體卸扣實現(xiàn)吊裝連接。最終確定整體設計額定載荷 SWL=850×4=3400 t。

經(jīng)過有限元分析，最大應力為185 MPa≤[σ]=420/1.5/1.084=258 MPa，通過。專用吊梁，受力構件強度、穩(wěn)定性、銷軸強度、繩索具安全系數(shù)均符合規(guī)范要求，安全可靠，對升壓站無側向力。

5.3? 升壓站上部組塊吊裝施工

5.3.1 船舶就位

起重船就位后，運輸駁船與起重船丁靠站位。

5.3.2 吊裝要求

解綁完后提升主鉤，主鉤負荷每增加100 t報一次負荷，負荷增加50%時停止觀察5 min，確認無問題再繼續(xù)增加負荷，負荷增加75%時再次停止，觀察5 min。在組塊基礎離開船甲板50 cm后停止起升，觀察5 min，確認無問題再進行起吊作業(yè)。組塊起升至合適高度后，將起重船調整至上部組塊設計安裝位置，并開始下落，下落過程中實時觀測組塊位置，并適當調整主鉤高度，確保組塊絕對位置及水平度滿足施工技術要求，直至上部組塊主支撐柱與導管架上部主腿對接[6]。最后按照設計要求對每根樁腿連接部位進行焊接處理[6-8]。

6? 結語

文章以海上升壓站施工工藝為研究對象，旨在研究和優(yōu)化施工組織設計，以提高升壓站基礎和上部結構的安裝效率和安全性。通過綜合運用結構分析等技術手段，對海上升壓站吊裝進行了吊索具計算，起重吊梁設計參數(shù)進行了優(yōu)化。研究結果表明，通過合理的施工工藝設計和優(yōu)化，能夠有效降風險、提高升壓站安裝效率。研究的意義在于為大型海上升壓站整體式安裝提供了重要的指導和參考，為海上升壓站的設計與施工提供了理論和技術支持。

參考文獻

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[4] 劉宏洲，王峽平，洛成，等.海上風電樁靴式導管架基礎施工關鍵技術[J].水電與新能源，2022，36（4）：1-5，14.

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