海上光伏施工一體化智能裝備研究

高雄杰,周成龍,張 偉,宋政昌,康智明

(1. 中電建(西安)港航船舶科技有限公司,西安 710065;2. 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

海上光伏不僅可以解決土地問題,還具有天然的環(huán)境優(yōu)勢(shì)[1],在碳達(dá)峰、碳中和的背景下,以海上光伏為代表的新能源產(chǎn)業(yè)在未來將具有戰(zhàn)略意義,海上光伏產(chǎn)業(yè)鏈將迎來重大發(fā)展機(jī)遇[2-3]。國(guó)家相關(guān)部委、能源主管部門進(jìn)一步明確以“大基地、大項(xiàng)目集群”為主,自上而下規(guī)劃布局新能源項(xiàng)目的工作思路,沿海負(fù)荷中心以海上風(fēng)光為基礎(chǔ)布局“海上三峽”[4]。中國(guó)大陸海岸線長(zhǎng)1.8萬km,可安裝海上光伏裝機(jī)規(guī)模超過70 GW[5]。

海上光伏電站有固定式和漂浮式兩大類[6],根據(jù)山東省能源局出臺(tái)的《2022年全省能源工作指山東省能源局指導(dǎo)意見》,文件指出加快樁基固定式海上光伏項(xiàng)目開發(fā)[7-8]。樁基礎(chǔ)施工是樁基固定式海上光伏項(xiàng)目建設(shè)中成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)大、施工周期長(zhǎng)的關(guān)鍵工序。由于沒有專用施工裝備,大部分施工單位擬采用海上風(fēng)電安裝、傳統(tǒng)打樁船或平板駁船改裝成打樁船施工,在潮差較大的近海區(qū)域功能受到限制;大型海工裝備的運(yùn)行成本高,用來施工小直徑(直徑小于1 m)的光伏管樁經(jīng)濟(jì)效益差,項(xiàng)目投資收益率達(dá)不到預(yù)期[4]。調(diào)研結(jié)果顯示:現(xiàn)有打樁船在海況良好的狀態(tài)下施工效率能達(dá)到20根樁/天,但海上光伏項(xiàng)目的樁基礎(chǔ)動(dòng)輒數(shù)萬根,該施工效率仍然難以滿足工期需求。

本文在分析樁基固定式海上光伏電站設(shè)計(jì)及施工概況的基礎(chǔ)上,結(jié)合作業(yè)環(huán)境和功效需求,對(duì)比現(xiàn)有可借鑒裝備,提出一種新型海上光伏施工一體化智能裝備及其施工方法,以期攻克上述難題,為海上光伏項(xiàng)目建設(shè)提供裝備保障。

1 海上光伏樁基設(shè)計(jì)及施工概況

海上光伏樁基設(shè)計(jì)考慮的因素主要有海洋地質(zhì)、水文、氣象等因素,設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于抗冰、抗浪、抗風(fēng)、防撞、運(yùn)維方案等方面,設(shè)計(jì)院在陸地光伏、漁光互補(bǔ)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上,提出了超大跨度設(shè)計(jì)方案,采用超大跨度桁架式支架+鋼樁或PHC樁[7],管樁規(guī)格在PHC400-PHC800之間,樁頂考慮能夠使組件避開浪濺區(qū),一般比海面高出7～8 m,樁長(zhǎng)根據(jù)場(chǎng)址不同,一般在20～35 m。采用超大跨度方案可以節(jié)省樁基數(shù)量,但海上光伏樁基的特點(diǎn)仍然具有大規(guī)模高密度群樁特性。

受限于現(xiàn)有海工裝備的主尺度和施工效率,在海況和地質(zhì)情況復(fù)雜的環(huán)境下,無法滿足樁基精準(zhǔn)定位和高效施工的需求,且海上作業(yè)、起重吊裝、高處作業(yè)等危險(xiǎn)性較高的工序疊加,相對(duì)陸地施工危險(xiǎn)性成倍增長(zhǎng)[10],樁基工程需要依靠更加專業(yè)化的施工設(shè)備提供保障。

2 海上光伏樁基施工裝備技術(shù)需求分析

2.1 基本作業(yè)環(huán)境分析

由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性和光伏項(xiàng)目集中在東部海域的特點(diǎn),本項(xiàng)目選取山東半島某海上光伏規(guī)劃場(chǎng)址作為參考,場(chǎng)址離岸距離在15 km內(nèi),海底泥面標(biāo)高-3.5～0.7 m,潮汐為規(guī)則半日潮,低潮位平均水深2～4 m,高潮位平均水深5.9～11.1 m,洋流最大流速約為46 cm/s,年平均風(fēng)速3.1 m/s,常風(fēng)向?yàn)槲魑髂舷?、南西?次常風(fēng)向?yàn)槟衔髂?、東向。60 m勘探深度范圍內(nèi)的地基土自上而下依次是厚4.50～6.30 m層流泥層,厚12.70～17.30 m淤泥層1,厚12.70～17.30 m淤泥層2,最大厚度15.8 m淤泥質(zhì)黏土1和厚15.80～17.10 m的黏土層2,場(chǎng)地穩(wěn)定性差,對(duì)樁基設(shè)計(jì)與施工有很高要求。

2.2 工作效率要求

針對(duì)海上光伏樁基數(shù)量大、周期短、搶窗口期及控造價(jià)施工費(fèi)低的特點(diǎn),提高工作效率是項(xiàng)目降本增效、按期履約的關(guān)鍵。傳統(tǒng)打樁船的臺(tái)班效率大概是15～20根樁/日[11],移船定位用時(shí)0.8～1 h,每個(gè)船位可施工2～4根樁,以400 MW海上光伏電站約2萬根樁基規(guī)模為例計(jì)算,全部施工完成需要1 000臺(tái)班,假設(shè)同時(shí)開工4個(gè)工作面,需要8個(gè)月以上,考慮風(fēng)浪、降雨、資源配置等因素影響,實(shí)際會(huì)超過10個(gè)月,增開工作面將會(huì)增大船機(jī)設(shè)備的投入,相互干擾上升,反而不利于提高效率,因此需要在船機(jī)設(shè)備投入量、工作面開設(shè)量和施工效率上找到平衡點(diǎn)。

2.3 海上光伏樁基施工裝備技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)海上光伏項(xiàng)目的設(shè)計(jì)趨勢(shì)、使用環(huán)境等條件,要求新型施工裝備滿足PHC800規(guī)格的樁基施工,適應(yīng)樁長(zhǎng)達(dá)到35 m,起重能力不低于25 t;每個(gè)船位可完成一個(gè)組串內(nèi)的8根樁施工,樁基跨度長(zhǎng)度方向不低于50 m,寬度方向不低于20 m;滿足工程船設(shè)計(jì)規(guī)范,可在沿海海域拖帶航行;具備打樁、上部組件吊裝一體化作業(yè);抗風(fēng)浪等級(jí)不低于6級(jí);離岸15 km作業(yè)水深3～15 m;施工效率不低于40根樁/日;樁位偏差、樁體垂直度、樁頂標(biāo)高等參數(shù)須控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。

3 智能裝備及施工方法

3.1 智能裝備

施工裝備體現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)性、設(shè)備安全可靠性、經(jīng)濟(jì)合理性,滿足海上光伏打樁、組件安裝施工的實(shí)際需要,樁基海上施工設(shè)備主尺度的選取須符合主流樁基間距布置和設(shè)備功能要求,使海工裝備具有良好的穩(wěn)性、耐波性[12],并與作業(yè)海域海況條件相適應(yīng);選擇合理的船型、結(jié)構(gòu)形式和設(shè)備配置,以提高移船、定位、打樁及吊裝作業(yè)效率;選用安全 可靠、技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)良和節(jié)能環(huán)保的系統(tǒng)和設(shè)備;滿足相關(guān)的最新規(guī)范、規(guī)則、公約和標(biāo)準(zhǔn)要求。

在綜合考慮各種因素的基礎(chǔ)上,裝備研制項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了海上光伏施工一體化智能裝備,具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 海上光伏施工一體化智能裝備總布置

本裝備型長(zhǎng)50 m,型寬20 m,型深3.5 m,設(shè)計(jì)吃水2 m,打樁系統(tǒng)配置兩臺(tái)全回轉(zhuǎn)海工起重機(jī),吊重約30 t,一臺(tái)吊機(jī)可在一個(gè)船位上打4根樁,兩臺(tái)吊機(jī)通過一次下樁定位作業(yè),可以完成8根樁的施工;錨泊定位系統(tǒng)配置6臺(tái)20 t級(jí)定位絞車,用于移船和漂浮狀態(tài)的定位;定位樁系統(tǒng)配置4根直徑900 mm鋼質(zhì)定位樁,長(zhǎng)度25 m;配置壓載系統(tǒng)用于平臺(tái)壓載水的加載和排放,可實(shí)現(xiàn)實(shí)船體姿態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)平;船舶電站由兩臺(tái)350 kW的發(fā)電機(jī)組供電,滿足平臺(tái)定位絞車、泵、輔助設(shè)備以及生活用電需求,電站布置于主甲板下的艙內(nèi)機(jī)器處所;全船主要設(shè)備采用液壓系統(tǒng)電磁集中控制;居住艙室布置于上甲板尾端區(qū)域。

3.2 施工方法

在施工大規(guī)模樁群時(shí),本裝備具備橫移和縱移兩種作業(yè)模式,施工流水作業(yè)步驟如圖2所示。

圖2 施工流水作業(yè)

圖3 臺(tái)車微調(diào)船位

圖4 雙鉤海工吊機(jī)喂樁

以橫向移動(dòng)為例,需要經(jīng)過移船→拋錨→找正→下樁→喂樁→打樁→脫扣→移船等8個(gè)主要流程,過程中還有補(bǔ)樁、換向等輔助流程。

(1) 移船:通過船舶導(dǎo)航定位系統(tǒng),移船到預(yù)定位置。

(2) 拋錨:采用拋錨艇,把舷側(cè)工藝錨拋入與施工側(cè)反向的海域,拋錨距離滿足多次移船的需要,避免頻繁移錨。

(3) 找正:依靠收錨拉力、拖輪的頂推力,使裝備定位在指定位置上,然后利用臺(tái)車實(shí)現(xiàn)微調(diào),使偏差符合設(shè)計(jì)要求。

(4) 下樁:船舶移動(dòng)到指定位置之后,插入定位樁,使打樁船固定穩(wěn)妥。

(5) 喂樁:打樁機(jī)起吊管樁,逐根插入打樁船上的抱樁器,插入過程通過機(jī)械自動(dòng)控制完成。

(6) 打樁:在樁頭上卸下吊具,套入打樁錘,開始打樁。

(7) 脫樁:通過操控液壓油缸,使抱樁器實(shí)現(xiàn)鉸鏈?zhǔn)介_合。打樁完成后,回收液壓油缸頂桿,即可打開抱樁器,抱樁器通過PLC控制單元,打樁完成并脫開抱樁器后,回收安裝在舷側(cè)的整體頂推抱樁器支架油缸,使已經(jīng)打好的樁基與抱樁器完全脫離。

(8) 移船:拔出定位樁,使船舶恢復(fù)到自由浮動(dòng)狀態(tài),通過錨機(jī)收攬,使船舶移動(dòng)到下一個(gè)施工位置,移動(dòng)過程可以通過拖輪輔助頂推,打樁船移動(dòng)到下一個(gè)施工點(diǎn)位后,再次插入定位樁固定船位,展開抱樁器,進(jìn)入下一個(gè)施工循環(huán)。

3.3 關(guān)鍵設(shè)備有限元分析

如圖5所示,抱樁器外伸臂定位工裝是打樁作業(yè)時(shí)的關(guān)鍵部件,外伸臂的強(qiáng)度是否合理,其決定了打樁的定位精度和打樁作業(yè)的安全性和可靠性。對(duì)外伸臂及與其配合的船體連接耳板做靜力學(xué)有限元分析,如圖6所示,外伸臂和鏈接耳板的應(yīng)力最大值分別為38.25 MPa和11.37 MPa,安全系數(shù)分別為5.75和19.35,均在材料的使用安全范圍內(nèi)。

圖5 抱樁器外伸臂定位工裝脫樁

圖6 外伸臂和連接耳板有限元分析

4 裝備技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)對(duì)比

與傳統(tǒng)打樁船相比,海上光伏施工一體化智能裝備在設(shè)備性能和造價(jià)上有明顯的優(yōu)勢(shì),綜合性價(jià)比明顯超越了普通打樁船,主要表現(xiàn)在:單次下錨可多次移船,移船定位速度快;配置了多孔位抱樁器,起到導(dǎo)向、定位作用,平面位置更準(zhǔn)確;對(duì)工人熟練程度的依耐性降低,個(gè)體差異對(duì)施工精度不產(chǎn)生影響;單次移船可施工一個(gè)光伏組串內(nèi)全部樁基和上部組件吊裝,能大幅提高施工效率;采用液壓抱樁器,通過PLC集中控制抱樁和脫樁動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)抱樁、脫樁;抱樁器可根據(jù)工程需要拆解,以便適應(yīng)特殊樁位施工;能兼做起重船使用,船舶主尺度小,設(shè)備性價(jià)比高。

表1 裝備技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)對(duì)比表

5 結(jié) 語

海上光伏是應(yīng)對(duì)能源短缺、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)、開發(fā)海洋資源行之有效的途徑,但由于缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專用機(jī)械,本文提出的海上光伏施工一體化智能裝備,通過船舶粗定位和定位工裝相結(jié)合方式,解決傳統(tǒng)打樁船定位時(shí)間長(zhǎng),定位精度差的問題,同時(shí)提高組串間樁基的相對(duì)精度和垂直度控制難題,降低對(duì)工人個(gè)體技術(shù)的依賴程度.通過裝備總體布局優(yōu)化及功能選型分析采用增加打樁機(jī)數(shù)量、用海工吊懸打替代傳統(tǒng)導(dǎo)桿打樁架的方案,拓展打樁機(jī)單船位施工范圍,減少移船次數(shù),可大幅提高施工效率;通過錨定系統(tǒng)、定位樁系統(tǒng)相結(jié)合的方案,提升抗風(fēng)浪等級(jí),實(shí)現(xiàn)海上穩(wěn)船,提高施工精度。上述技術(shù)方案的引入對(duì)海上光伏固定樁基礎(chǔ)施工降本增效提供支撐,為后繼施工裝備研制和工藝設(shè)計(jì)提供了思路。