海上風電場機組分體安裝法及其應用

2010-04-02 02:37:46孫廣喜黃亞新

中國工程科學 2010年11期

孫廣喜，黃亞新

(1．中交第三航務工程局有限公司，江蘇連云港 222042;2．解放軍理工大學工程兵工程學院，南京 210007)

1 前言

目前，世界范圍內海上風電機組安裝方法，按照海上安裝過程可以分為2類:海上整機安裝方法和海上分體安裝方法;按照所采用的海上安裝設備可以分為3類:通用海上浮吊安裝法、海洋平臺安裝法和風機專用安裝船安裝法。

海上整機安裝方法即在裝配基地將風機機組完全組裝好，然后運至海上擬建風電場，整機安裝在風機塔筒基礎上。海上分體安裝法是將風電機組的各部件由制造廠運至裝配基地進行適當組裝，然后再將各部件和組件(下文統稱“部件”)運輸至擬建海上風電場進行逐件安裝。目前世界各國所建設的海上風電場，僅有英國的Beatrice海上風電場的2臺5 MW機組［1］和我國東海大橋海上風電場的34臺3 MW機組采用了海上整機安裝方法，其余均采用海上分體安裝法。

通用海上浮吊安裝法，是采用通用的海上起重船進行風電機組的安裝，風機的海上運輸可以用起重船本身所具有的運載能力吊著風機、由拖輪拖帶航行，也可以采用平板駁船運輸。海上風機專用安裝船帶有可伸縮的支腿和起重機，收起支腿便具有普通船舶的運載能力，可用來運輸風機;在安裝作業(yè)時，將其支腿伸出并插入海底，船舶就成為一個臨時固定的海上作業(yè)平臺，它可避免風浪造成的搖晃。風機的海洋平臺安裝法，就是在海洋平臺上配置起重機進行海上風電機組的安裝。

風機專用安裝船的特點是將一般船舶的運輸和自航功能、海洋平臺的自升功能以及起重船的起重功能融為一體。海洋平臺也是用支腿支承于海底構成一個臨時固定的作業(yè)平臺，與專用安裝船的區(qū)別在于:海洋平臺一般沒有自航能力，也沒有常規(guī)船舶上通常所具有的其他必要設備和設施。

2 風機海上分體安裝法總體工藝流程

風機海上分體安裝法的總體工藝流程如圖1所示。海上分體安裝法的工藝流程主線是:工程施工策劃、裝配基地選址、運輸安裝方案設計、裝配基地建設、風機陸上組裝和海上分體安裝，其中海上分體安裝包括風機海上運輸、風機海上吊裝過程，以及國家標準《風力發(fā)電機組驗收規(guī)范》(GB/T 20319－2006)所規(guī)定的4個驗收過程:單機調試、試運行、機組預驗收和機組最終驗收。

對于大規(guī)模風電場機群施工，應組織流水作業(yè)，施工企業(yè)可以根據所投入的施工資源的數量和能力，確定每輪流水的機組臺數。在總體流程中，風機陸上組裝、海上運輸、海上安裝、機組調試、試運行、預驗收和最終驗收7個過程構成流水循環(huán)。

工程施工策劃的內容主要有:顧客需要分析、工程施工組織形式包括分項外包的內容以及工程項目目標(質量、成本及工效)等。工程施工策劃完畢后，可并行開展裝配基地選址、塔基主要構件預制及電纜采購工作。近海風電場的風機塔基的常用形式主要有單樁式、導管架式、重力式、負壓吸力桶式以及高樁承臺式等，這些基礎的主要構件都需要在陸上先行預制，如果是施工方自行預制，一般是在裝配基地進行。因此，在裝配基地的選擇時，不僅要滿足風機組裝的需求，還必須考慮基礎預制所需的空間和設備及其存儲和出運設施。風機的運輸安裝方案，可能涉及風機的特殊構造要求，例如，機艙吊裝時的吊掛方式就涉及機艙的吊點設置，因此，在風機運輸安裝方案確定后，需要及時與風機制造廠進行溝通協商，以便供應商在風機設計制造時考慮運輸和安裝的要求。

圖1 海上風電場工程施工流程圖Fig．1 The construction process of offshore w ind farm

3 裝配基地的設置及風機陸上組裝方案

3．1 裝配基地的設置

3．1．1 設置裝配基地的必要性

風力發(fā)電機的制造廠一般在工廠裝配好以下幾個大部件(不計電氣設備)并向安裝施工單位提供:風葉、分段塔筒、機艙和輪轂。這些部件一般由多家不同工廠生產。其中輪轂的導流罩也可能與輪轂本體分開向安裝單位提供，塔筒分為2～5段提供。對于陸上風電場，可以直接將這些部件運至擬建風電場進行逐件安裝，無需設置裝配基地。但是對于海上風電場，無論是海上整機安裝還是分體安裝，都必須設置裝配基地，原因為:a．有些從陸上運輸的部件無法直接到達擬建的海上風電場，需要風機零部件的暫存中轉基地;b．為了盡可能減少海上作業(yè)程序和時間、降低海上作業(yè)風險，需要在陸上對風機部件作適當的組裝，以減少在海上安裝的件數;c．風機塔基的主要構件需要在陸上先行預制。

3．1．2 裝配基地設置的原則

基地的選擇與設置的原則主要有:

1)基地必須具有裝卸碼頭，碼頭岸線應配備風機最大部件所需的裝配、搬運設備;

2)基地內部場地應滿足工程高峰期對風機部件的臨時存放、堆存、組裝要求;

3)基地碼頭岸線水深應滿足施工船舶的吃水深度要求;

4)基地對外交通便捷，與國內外相關的海港可實現互通;

5)基地至擬建風電場的船舶航道應滿足運輸最大組件所需的水深和通行空間要求;

6)基地與擬建風場之間的距離應適宜，以利于組織生產。

3．2 風機陸上組裝工藝

3．2．1 陸上組合方案

風機海上分體安裝法對海上運輸和安裝設備的要求相對于整機安裝法要小，但分體安裝法在海上作業(yè)時間相對較長，部件海上高空對接安裝作業(yè)量較大，安裝的時機受氣象和海況條件的制約性大，因此應優(yōu)化風機組裝方案，以達到既減少海上作業(yè)程序和時間，又降低海上運輸安裝設備的規(guī)格、降低工程施工成本的目的。風電機組由塔筒(2～5段)、風葉(2～4片)、輪轂和機艙等幾大部件組成。一般情況下，風電機組的制造廠在工廠將這幾大部件基本裝配完成后再運至裝配基地，例如，江蘇響水近海風電場2 MW試驗機組，工廠向安裝施工單位提供輪轂、機艙、3段塔筒和3片風葉共8件。在裝配基地進行組裝時，這些部件可以有多種組合方式，但根據安全、經濟、高效的原則，不外乎以下4種組合路徑。

1)風葉與輪轂組合——風輪:輪轂與風葉組裝在一起的組件，稱為風輪(或稱葉輪)。輪轂與風葉分別由不同的廠家制造，這些部件運抵基地后，可以將其組裝起來構成一個組件——風輪。

2)輪轂與機艙組合——機身:輪轂與機艙組裝在一起則是另一種組合方式，其組成件就是風電機組的機身。

3)風葉與輪轂、機艙組合——“海燕”:將輪轂、機艙與2片風葉組裝在一起所形成的組件，其形狀與海燕相似(見圖2)，為敘述方便，稱該組件為“海燕”。不宜將輪轂、機艙和3片風葉組裝成一個組件，因為這種組件既不便于存放，也不便于運輸。

圖2 輪轂、機艙與2片風葉組裝件——“海燕”示意圖Fig．2 Assemblies of hub，nacelle and two blades——“petrel”

4)各段塔筒組合——完整塔筒:制造廠通常將塔筒分為2～5段進行制造，從制造廠到裝配基地的運輸也是分段進行。塔筒組合就是將各分段的塔筒進行完全組裝或部分組裝，如4段塔筒可以根據需要組裝成3件、2件或1件。

一臺機組只能組裝出上述4種組件中的一部分組件。例如，一臺機組組裝出一個風輪組件后，就不可能再組裝出“海燕”。根據以上4個組裝途徑，可以形成多種海上分體安裝組合。以江蘇響水近海風電場試驗機組為例，其幾組可行的組合方案列于表1。文章只討論表中的方案1，2和3，其余將另作專題研究。

對于3片風葉的風機來說，僅就塔筒、風葉、輪轂、機艙而言(不計電氣設備)，經基地組裝后，在海上吊裝的部/組件數量最少為3件，如表1中的方案7和8。如果試圖組合成2個組件，那就失去了分體安裝法的優(yōu)勢。因為若想組裝成2件，則只能是將塔筒組裝成一個組件，將風輪與機艙組裝成另一個組件。而風輪與機艙這種組合件不僅外形尺寸大，而且形狀極不規(guī)則，無論是在基地內的組裝、存放、搬運，還是至擬建風電場的運輸，所需投入的資源均不亞于整機安裝法。

3．2．2 主要組件的組裝工藝

機身和風輪的組裝工藝較成熟，陸上風電場施工中已經大量采用。“海燕”組件和塔筒組件的組裝是海上風電場建設中所特有的。

1)“海燕”組裝工藝:“海燕”在基地的組裝順序為:先在機艙上安裝輪轂形成機身，然后在輪轂上安裝2片風葉。安裝“海燕”的2只“翅膀”有2種方法，即傾斜安裝法和水平安裝法。傾斜安裝法是順著輪轂風葉軸承法蘭面的方向，分別裝上2片風葉。水平安裝則是將輪轂轉動一個角度，使輪轂上的一個風葉軸承法蘭面與地面垂直，吊起風葉水平裝在輪轂上，然后轉動輪轂120°，再水平安裝另一片風葉。

表1 風電組機陸上組裝方案(3段塔筒和3風葉風機)Table 1 Assembly programs of w ind turbine generator systems on land(The tower consists of 3 sections and the turbine w ith 3 blades)

2)塔筒組裝工藝:如前所述，塔筒可以進行部分組裝或完全組裝。塔筒的組裝也有2種方法，即立式組裝法和臥式組裝法。立式組裝法與陸上風機的塔筒安裝方法類似，首先將最下段的塔筒固定在組裝平臺上，然后依次組裝各段塔筒。立式組裝的塔筒一般采用立式運輸，需要大型船舶。臥式組裝法目前國內外均未見報道，文章暫時只提出方案設想，尚未深入研究。臥式組裝的塔筒，可以采用臥式運輸，所需運輸船舶要求不高，2 000 t級的方駁即可，裝卸和運輸費用較低。

4 風機海上分體安裝技術——潛水船坐底安裝法

4．1 潛水安裝工藝

潛水船坐底安裝法所采用的安裝設備這里命名為“潛水安裝船”，作業(yè)時，潛水安裝船的船體潛入水中并坐落在海底進行風機部件的安裝。潛水安裝船是用潛水船加裝臂架式起重機所構成的一種可浮、可潛、可移動的組合裝備。潛水安裝船上設有排灌系統，通過排灌系統可以向船倉內注水或排水，以實現船舶的下潛和上浮。倉內注水時，船體可以負載下沉，也可以坐落于海床上，排水后可以將船上的負載上舉。潛水安裝船可以專門設計，也可采用現行的一些水工工程施工企業(yè)所擁有的、用于運載混凝土沉箱的半潛駁［2］進行改造，或用造船企業(yè)所用的作為浮船塢的半潛駁進行改造，半潛駁加裝履帶起重機后便構成潛水安裝船。這種安裝船改裝方便，可以租用社會上現成的半潛駁，但是半潛駁甲板的四角上各有一座塔樓，致使倉面空間受限。采用專門設計的潛水安裝船，起重機的回轉空間可以不受限制，但投資大、建造周期長。潛水安裝船的示意圖如圖3所示。

圖3 潛水坐底安裝船海上安裝風機示意圖Fig．3 Sit sea diving vessels to install turbine

圖4為海上分體安裝法總體流程，即圖1中風機海上安裝過程的子流程圖。該流程以表1中的方案3為例，風機的主體在海上安裝共有3個部/組件，即塔筒、“海燕”和第三片風葉。在風機陸上組裝和塔基施工完成后即可開展風機海上安裝的相關工作，主要過程包括掃海、海底整平、船舶護底、潛水安裝船就位、潛水安裝船注水下潛坐底、起重機水平度調整，然后依次吊裝風機塔筒底部的電氣設備及風機主體部/組件:塔筒、“海燕”和第三片風葉。在潛水安裝船就位下潛的同時，可根據各部件安裝次序的先后安排各部件運輸至海上安裝現場。

4．2 掃海與海底整平

在潛水安裝船坐底之前，首先需要對風機塔基周圍進行掃海，以探明并清除海底凸起異物。首先用GPS對潛水安裝船坐底區(qū)域進行放線，4個角點用紅白相間的浮標拋錨固定。用測深儀對施工區(qū)域的水深進行測量，然后采用軟式拖底法進行掃海，所用底索距離海底的高度控制在0．3～0．5 m之間，掃海船速和掃海重疊帶寬度都應控制在規(guī)定值范圍內。若海底的平整度不足、坡度較大，應進行整平。整平的方法一般采用填砂袋法。潛水安裝船的甲板面上設起重機水平微調系統，海底整平后，用該系統對安裝船上的起重機的水平度進行精確調整。

圖4 風機海上安裝流程圖(潛水船安裝法)Fig．4 Installation process of offshore turbine generator system s(assemb ly m ethod using diving ship)

4．3 潛水船護底

4．3．1 原理

對于泥沙質海床，潛水安裝船坐落于海底后，船體阻礙漲落潮時的水流使船舷兩側潮流流速加大，湍流作用加大了對船底周圍泥面的沖刷淘蝕，從而可能導致潛水安裝船隨著潮流的沖刷而逐漸陷落、滑移或傾斜，這將使安裝船傾斜而影響風機安裝作業(yè)的可靠性。另外，船底坐落于海底淤泥面負重作業(yè)后，潛水安裝船的船底將產生很大的泥面吸附力，導致完工后潛水安裝船上浮困難。因此，必須對潛水安裝船采取護底措施。護底技術的基本原理，是在坐底安裝船船底與泥面之間鋪設一層履蓋物，要求履蓋物不僅能罩住船底及其周圍泥沙面，而且能保證其與船底接觸面間仍有空隙。具體的護底方法有兩種:一種是簡單地只在海底鋪設袋裝砂，適用于風浪較小的海域;另一種是在海底鋪設軟體排，適用于風浪、水流較大的海域。

4．3．2 護底工藝

2)軟體排法:當風浪和水流較大、砂袋可能被逐個卷走的情況下，應采用軟體排護底法。軟體排護底技術已廣泛應用于水運航道工程中［3］。軟體排法的防沖刷和防吸附的原理與砂袋法相同，區(qū)別在于砂袋是離散的覆蓋物，而軟體排是成片覆蓋物，防沖刷功能更強。軟體排的主體是單層或多層土工織物，上面均勻排布一系列長管狀砂袋作為壓載物。管狀砂袋由土工織物縫制而成，內部充填砂料，通過縫制在排布上的若干砂肋套固定在排布上。為了增加軟體排的強度，在與管狀砂袋垂直方向均勻縫制加筋帶(見圖5)。軟體排鋪設于海底后，在其四周放置壓載物，以防止軟體排被波浪席卷而去。

圖5 砂肋軟體排構造示意圖Fig．5 Structure of sand ribbed flexiblemattress

4．4 安裝船潛水

潛水安裝船在高潮位時按照指定位置進入現場拋錨就位，平潮時船艙注水進行下潛。下潛過程中應監(jiān)測船體位置的變化情況，發(fā)現位置變化較大時應停止注水下潛，待調整到預定位置和姿態(tài)后再繼續(xù)。潛水安裝船落底后，為了避免船底對泥面土體結構產生破壞，應控制船艙的注水量，使船底對泥面的壓強在任何潮位都不大于10 kPa。在風機吊裝施工過程中，還需要根據起吊構件的質量大小對船艙中的水量進行調節(jié)，以使?jié)撍惭b船的船底對泥面的壓強始終保持在10 kPa左右。

5 應用

5．1 應用項目概況

海上風電場機組分體安裝法的研究依托于江蘇響水近海風電場試驗機組項目進行，所以，研究成果首先應用于該項目。江蘇響水近海風電場位于江蘇省響水縣沿海海域，規(guī)劃裝機容量200×104kW。試驗機組為三葉片、上風向、水平軸、變速變槳距風機，額定功率為2MW，輪轂高度為70m，風輪直徑為93m，每片風葉長度為45．3m。試驗機組安裝于響水縣灌東鹽場海岸線外側約3．5 km處，平均高潮位時的水深約4 m。風機的塔基采用群樁承臺式，基樁為8根直徑1．8 m的鋼管樁，承臺為直徑14 m的圓臺。基礎施工于2009年10月中旬完工，風機海上安裝于2009年11月21日進入海上安裝現場，11月23日安裝成功，電纜敷設于2009年12月中旬結束。

5．2 響水近海風電場試驗機組海上分體安裝

5．2．1 裝配基地的設置

響水近海風電試驗機組項目的裝配基地，設于蘇北最大的河流灌河岸邊的一座大型混凝土制品廠內——三航局灌河混凝土預制廠。灌河為入海潮汐河流，河寬沿途600～1 000 m不等，乘潮可通航3 000 t貨輪。灌河預制廠距離出海口約8 km，距擬建響水近海風電場約16海里(1海里=1．852 km)，廠內現有120 t×25 m和160 t×25 m龍門起重機各一套，起升高度均為12 m，河邊建有5 000 t級突堤式碼頭兩座，龍門起重機可直達碼頭裝卸貨物。廠內可騰出約40 000 m2的場地作為風機裝配和部件存放場地，場地均可被廠內的龍門起重機的作業(yè)范圍所覆蓋。大型運輸車輛可直達廠內，廠區(qū)距沿海高速公路約1 h的車程，距連云港港約45 n mile，其地理位置示意圖如圖6所示。

5．2．2 陸上組裝

根據裝配基地的現有設備和設施條件、項目工期要求以及施工單位的其他資源條件，從經濟、工期及經驗等方面考慮，響水近海風電場試驗機組采用了表1中的方案3，即組裝后風機的主體有5件:1只“海燕”、3段塔筒、1片風葉，“海燕”的風葉裝配采用水平法。圖7為“海燕”海上運輸的情景。

圖6 響水近海風電場試驗機組裝配基地的位置示意圖Fig．6 Location of assembly base of Xiangshuioffshore w ind farm

圖7 “海燕”海上運輸Fig．7 Transportation on the sea of the“petrel”

5．2．3 海上安裝

風機的海上安裝采用由半潛駁和履帶式起重機組合改裝的半潛駁坐底安裝船。半潛駁選用了“誠基工7號”，其載重為4 000 t;所配起重機為德國CC5800履帶起重機，最大起重量1 000 t、起重力矩為12 860 t·m。圖8為半潛駁坐底安裝法的安裝過程照片，圖中顯示為半潛駁安裝船正在坐落于海底安裝風機的第三片風葉。響水近海風電場試驗機組項目僅有1臺風機，海上吊裝歷時2．5 d順利完成。

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