大容量海上風(fēng)電機(jī)組單葉片快速吊裝技術(shù)研究

摘 要：在“雙碳”目標(biāo)的不斷推進(jìn)下，我國(guó)的風(fēng)電行業(yè)處于快速發(fā)展和技術(shù)革新階段，海上風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量在不斷增加，而大容量的海上風(fēng)電機(jī)組的單葉片相對(duì)較大，在施工過(guò)程中極易受到海上風(fēng)浪的影響，其吊裝難度較高，因此，為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，本研究提出一種大功率海上風(fēng)電機(jī)的葉片吊裝施工方法，以福建平潭外海海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組單葉片吊裝工作為例，重點(diǎn)闡述了海上風(fēng)電機(jī)單葉片快速吊裝技術(shù)及準(zhǔn)備工作，例如吊重分析以及單葉片吊裝施工工藝等。整理單葉片吊裝的施工技術(shù)和施工工藝，為我國(guó)海上風(fēng)電大容量風(fēng)電機(jī)組吊裝施工技術(shù)理論研究提供參考。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電機(jī)；大容量風(fēng)電機(jī)組；單葉片吊裝；風(fēng)機(jī)安裝

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 31" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在眾多可再生清潔能源形式中，風(fēng)力發(fā)電具有建設(shè)周期短、發(fā)電效率高的優(yōu)勢(shì)，而海上風(fēng)電更具有穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。目前，我國(guó)大容量海上風(fēng)電機(jī)組安裝工程主要是以分體式安裝技術(shù)為主，將風(fēng)機(jī)塔筒、機(jī)艙、輪轂以及葉片等零部件進(jìn)行預(yù)組裝后，對(duì)其進(jìn)行吊裝對(duì)接工作[1]。風(fēng)電機(jī)的葉片作為風(fēng)電機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵組件，整體體積龐大、質(zhì)量大、極易受風(fēng)力影響等，導(dǎo)致吊裝工程實(shí)施難度較大[2]。因此，常采用將葉輪拆分為單葉片吊裝的方式進(jìn)行施工，為了提高單葉片吊裝工程的質(zhì)量和安全性，本文以平潭海上風(fēng)電場(chǎng)為例，闡述了海上風(fēng)電機(jī)單葉片快速吊裝技術(shù)。對(duì)吊裝技術(shù)的準(zhǔn)備工作（包括吊重分析、繞裝吊重分析等技術(shù)細(xì)節(jié)）進(jìn)行確定，為后續(xù)安裝技術(shù)提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)參考。

1 工程概況

平潭海上風(fēng)電場(chǎng)離岸約35km，水深40m左右。風(fēng)電場(chǎng)共建設(shè)了11臺(tái)海上風(fēng)電機(jī)組，包括目前全球已投產(chǎn)單機(jī)容量最大的16MW海上風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)111MW。其中，最大的16MW海上風(fēng)電機(jī)組采用四樁導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，輪轂中心高度為152m，機(jī)艙、發(fā)電機(jī)組合體質(zhì)量達(dá)385t，葉片長(zhǎng)123m，單只葉片質(zhì)量為54t，葉輪掃風(fēng)面積約5萬(wàn)m2[3]。該項(xiàng)目全面投產(chǎn)后，年上網(wǎng)電量約3.6億kW?h，每年可替代10.38萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少二氧化碳排放量約28.38萬(wàn)t。該項(xiàng)目風(fēng)電機(jī)組的安裝技術(shù)主要采用了第四代海上風(fēng)電安裝平臺(tái)“白鶴灘號(hào)”，平臺(tái)可應(yīng)用于10MW級(jí)機(jī)上的海上風(fēng)電機(jī)組安裝。該安裝平臺(tái)擁有4條120m的三角形桁架式樁腿，出海作業(yè)時(shí)可以牢牢站立在海上，并配有2000t級(jí)繞樁式起動(dòng)機(jī)，可有效提高海上風(fēng)電機(jī)組的安裝施工能力，提升機(jī)組的安裝速度[4]。

2 風(fēng)電機(jī)組原裝技術(shù)準(zhǔn)備

目前，海上風(fēng)電機(jī)組安裝有多種方法，主要有整機(jī)安裝以及分體安裝等，其中，分體安裝技術(shù)對(duì)施工過(guò)程中的設(shè)備和技術(shù)等要求較低，小型起吊設(shè)備可以作為分體安裝的起吊設(shè)備。該方法可以有效應(yīng)對(duì)目前海上風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組安裝過(guò)程中海面風(fēng)力過(guò)大問(wèn)題，而整機(jī)安裝會(huì)增加機(jī)組的受力面積，增加施工難度[5]?；诖?，采用分體安裝法進(jìn)行海面機(jī)組安裝時(shí)需要注意起吊設(shè)備的質(zhì)量要求。

2.1 吊重分析

海上風(fēng)電機(jī)組須依次按照塔筒組裝、機(jī)艙及輪轂組裝、機(jī)艙及輪轂吊裝、葉片吊裝等工序。而起吊機(jī)機(jī)艙在作業(yè)過(guò)程中對(duì)主吊機(jī)的要求最高，起吊機(jī)的主吊吊重的結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

利用公式（1）計(jì)算其主吊質(zhì)量要求。

Wm=（Wγ+Wδ）k （1）

式中：Wm為主吊質(zhì)量要求；Wγ為機(jī)艙吊裝時(shí)質(zhì)量；Wδ為專(zhuān)用吊具質(zhì)量；k為施工時(shí)的安全系數(shù)。根據(jù)平潭風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際情況，主吊機(jī)艙吊裝時(shí)質(zhì)量為231t，專(zhuān)用吊重為13.8t，靜施工取1.3安全系數(shù)，則該主吊所需吊重：（231+13.8）×1.3=318.24（t）。由圖1可知，當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑為38m時(shí)，主鉤主吊質(zhì)量為400t＞318.24t，滿足要求[7]。

2.2 繞樁吊重分析

當(dāng)進(jìn)行中塔溜尾時(shí)，繞樁吊需要的吊重最大，因此需要分析其中塔、頂塔的受力，有效控制繞樁吊重。該項(xiàng)目中塔和頂塔的受力分析如圖2所示。

其中，中塔起吊翻身時(shí)，輔助溜尾的吊重要求為57.59t，吊重機(jī)吊具質(zhì)量為1.35t，取1.3倍安全系數(shù)，可以計(jì)算中塔的吊重要求：（57.59+1.35）×1.3=76.622（t）。當(dāng)頂塔起吊翻身時(shí)，輔助溜尾的吊重為45.83t時(shí)，在吊重機(jī)安全系數(shù)不變的情況下，頂塔所需吊重：（45.83+1.35）×1.3=61.334（t）。當(dāng)繞樁吊機(jī)主鉤吊回轉(zhuǎn)半徑為35m時(shí)，吊機(jī)的質(zhì)量為80t＞76.622t，說(shuō)明中塔溜尾吊重滿足要求。當(dāng)繞樁吊機(jī)主鉤吊至回轉(zhuǎn)半徑為38m時(shí)，吊機(jī)質(zhì)量為70t＞61.334t，說(shuō)明頂塔溜尾滿足要求[8]?；诖耍@樁吊機(jī)質(zhì)量基本滿足要求。

3 單葉片快速吊裝施工工藝

3.1 水平式單葉片吊裝與非水平式單葉片吊裝工藝對(duì)比

不同的吊裝工藝和吊裝施工技術(shù)有不同的優(yōu)點(diǎn)和特征，其中，水平式單葉片吊裝技術(shù)及其施工工藝的要求更高，對(duì)操作人員對(duì)起吊機(jī)的操作工藝和操作技術(shù)精度要求較低，具有良好的適用性，但是在安裝過(guò)程中，對(duì)纜風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定系數(shù)要求較高。另外，非水平式的安裝工藝則相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的裝卸工程，作業(yè)時(shí)間相對(duì)較短，具有一定的優(yōu)勢(shì)。具體的工藝對(duì)比見(jiàn)表1。

平潭海上風(fēng)電機(jī)組安裝選用的是第四代海上風(fēng)電安裝平臺(tái)，利用非水平式安裝工藝可以有效提高安裝效率。施工順序：按照塔筒吊裝→機(jī)艙吊裝→輪轂吊裝→葉片吊裝[9]。

3.2 塔筒吊裝

將風(fēng)電機(jī)組的部件運(yùn)輸至風(fēng)電場(chǎng)后，通過(guò)船上的GPS及DP動(dòng)力定位系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)進(jìn)點(diǎn)，對(duì)風(fēng)機(jī)主體進(jìn)行吊裝。在安裝塔筒前，需要在安裝平臺(tái)上預(yù)先放置安裝工藝所需的高強(qiáng)度螺栓及相關(guān)工具，例如用地工具、密封膠等。在結(jié)束安裝后，需要對(duì)其進(jìn)行密封，保證其穩(wěn)定性。另外，將運(yùn)輸至底塔的工裝螺栓清除后，進(jìn)行緩慢起吊。在上法蘭面兩側(cè)，按照3點(diǎn)、9點(diǎn)位置安裝兩個(gè)吊具，下法蘭按12點(diǎn)位置安裝一個(gè)吊具，螺栓力矩值為580N?m，安裝好塔筒吊耳后，通過(guò)檢查排水孔、電纜孔等保證塔基法蘭、塔筒連接技術(shù)符合安全標(biāo)準(zhǔn)。確定其安裝位置后，緩慢下落塔筒，保證安裝孔位置在撬棍的輔助下對(duì)正。在吊裝過(guò)程中，對(duì)“塔筒吊裝檢查項(xiàng)目表”進(jìn)行驗(yàn)收，經(jīng)過(guò)工作人員檢查簽字后完成吊裝。另外，在安裝過(guò)程中，注意天氣條件，禁止在雷電天氣作業(yè)，同時(shí)，注意塔筒內(nèi)避雨。在作業(yè)過(guò)程中，必須做好安全防護(hù)，穿戴勞保用品和安全帶。

3.3 機(jī)艙吊裝

要做好機(jī)艙安裝的預(yù)準(zhǔn)備工作，保證主軸與輪轂連接的法蘭面、止口等位置清潔，檢查每根雙頭螺桿的螺紋標(biāo)記，并且將雙頭螺柱標(biāo)記尺寸一端從主軸端的通孔插入機(jī)艙內(nèi)。完成機(jī)艙安裝的預(yù)準(zhǔn)備工作后，挑起機(jī)艙檢查其是否為水平狀態(tài)，若不是水平狀態(tài)，則放下機(jī)艙調(diào)整吊具。保證塔筒之間的連接處按照額定力矩50%扣緊，每個(gè)連接處力矩均達(dá)到要求，確認(rèn)機(jī)艙每個(gè)連接位置無(wú)誤后，將起吊機(jī)艙至塔筒上方，保證機(jī)艙穩(wěn)定、落孔對(duì)正以及安裝面和法蘭面完全接觸后，每個(gè)安裝孔對(duì)齊后進(jìn)行交叉打緊，在額定力矩下將其緊固后，吊車(chē)才能完全撤出。

3.4 輪轂吊裝

在安裝前，需要對(duì)輪轂和安裝部位進(jìn)行清潔，去除灰塵、油污和銹跡等雜物，保證安裝面平整光滑?。并且檢查輪轂和輪胎尺寸，保證輪轂的直徑、寬度、孔距與輪胎的規(guī)格匹配，避免安裝過(guò)程中出現(xiàn)偏斜或不均勻的情況?。需要通過(guò)主吊機(jī)及繞樁吊機(jī)輔助完成輪轂吊裝，利用主吊機(jī)將單葉片起吊至吊裝吊點(diǎn)一側(cè)，繞樁吊吊輪轂翻身至工裝吊點(diǎn)后完成葉輪的翻身起吊工作。輪轂吊裝工作是實(shí)現(xiàn)單葉片吊裝安裝工藝的重要流程，首先，從導(dǎo)流罩內(nèi)部查出主吊點(diǎn)，將其固定在相應(yīng)的輪轂位置，其次，在輪轂的頂蓋位置安裝單葉片吊座，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙位置，保證輪轂位置和主軸連接，對(duì)螺栓、螺桿進(jìn)行額定力矩完成打緊后，緩慢示范主吊機(jī)，最后，拆除輪轂道具，將卸扣和吊帶連在翻身吊具上后，移除主吊機(jī)。

3.5 單葉片安裝

在安裝工作前，根據(jù)主吊機(jī)以及繞樁吊機(jī)的中塔和頂塔的重力要求，保證葉片重力滿足吊具要求。在平臺(tái)船上組裝葉片吊具，將機(jī)艙偏航至葉片的安裝位置后，利用繞裝吊機(jī)將其葉片夾緊，并采用纜風(fēng)繩進(jìn)行加固，起到穩(wěn)定葉片的作用。利用電子控制將葉片軸承和葉片安裝位置對(duì)準(zhǔn)后，扣緊實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)扣合。將葉片螺栓插入軸承中，使其與法蘭面完全貼合，使葉片的防雨環(huán)與導(dǎo)流罩等位置相互錯(cuò)開(kāi)，有效保證葉片的防雨功能。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)海上風(fēng)電技術(shù)在不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，在國(guó)內(nèi)用電需求量與日俱增的情況下，海上風(fēng)電是更加穩(wěn)定的可再生能源，海上風(fēng)電機(jī)的單機(jī)容量也在不斷增加，在遠(yuǎn)海安裝風(fēng)電機(jī)組對(duì)目前的安裝技術(shù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。基于此，本研究在分析平潭外海的大容量海上風(fēng)電機(jī)吊裝技術(shù)的基礎(chǔ)上，將水平式單葉片吊裝與非水平式單葉片吊裝工藝進(jìn)行對(duì)比，明確分析塔筒吊裝、機(jī)艙吊裝、輪轂吊裝等安裝技術(shù)，并對(duì)螺栓的安裝等進(jìn)行詳細(xì)闡述，以期為我國(guó)大容量海上風(fēng)電機(jī)組安裝工藝提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]唐路成.超長(zhǎng)大直徑葉輪風(fēng)機(jī)單葉片吊裝施工技術(shù)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2023（6）：225-228.

[2]張程遠(yuǎn)，項(xiàng)建強(qiáng).大容量海上風(fēng)電機(jī)組單葉片吊裝技術(shù)研究[J].水電與新能源，2022，36（6）：16-18，25.

[3]王康.海上風(fēng)電大發(fā)電機(jī)組吊裝技術(shù)研究[J].電腦愛(ài)好者（普及版）（電子刊），2020（2）：2951-2952.

[4]張豐潤(rùn)，張繼旭，張頡，等.海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上部組塊安裝概述[J].中國(guó)水運(yùn)，2023，23（8）：67-69.

[5] 樊昂，李錄平，歐陽(yáng)敏南，等.考慮葉片旋轉(zhuǎn)與土構(gòu)耦合作用的海上風(fēng)電機(jī)組塔筒動(dòng)態(tài)特性研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2022，42（12）：1255-1264.

[6]楊超.大型海上風(fēng)電單葉片全角度吊裝吊具的研制[J].中國(guó)機(jī)械，2023（2）：8-12.

[7]張遵旭，韋橋斌，雷燕龍，等.大功率海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性有限元計(jì)算[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2022，12（36）：20-26.

[8]王莉娟，林熙涵，劉江.大型柔性葉片多物理場(chǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)方法研究進(jìn)展[J].風(fēng)能，2022（8）：88-90.

[9]楊欣.海上風(fēng)電機(jī)組與支撐結(jié)構(gòu)一體化動(dòng)力響應(yīng)分析[J].綠色科技，2022，24（2）：222-225.