風力發電機組主吊機械選型分析

李林 高宏偉

(山東電力建設第一工程公司,山東濟南 250131)

風力發電機組主吊機械選型分析

李林 高宏偉

(山東電力建設第一工程公司,山東濟南 250131)

風力發電機組吊裝施工是風電場建設中安全風險最大的作業項目。由于風機設備重、安裝高度高,風機吊裝施工中主吊機械作業時間長、作業中頻繁進行高負荷起吊作業,對主吊機械工作級別的要求高。風力發電機組吊裝施工中需要使用性能指標良好的起重機械,提高風機吊裝施工安全性;同時結合風場環境選用能夠高效施工的主吊機械也尤為重要。本文就國內各類常見主吊機械應用于風力發電機組吊裝施工進行選型分析。

風力發電機組 主吊機械 選型

1 引言

風力發電機組吊裝作為以起重作業為主的施工項目,專業性較強、風險較大。近年來風電場建設中,主吊機械在施工中或轉場過程中發生多起傾翻事故：有因為機械管理不夠嚴格,沒能及時發現并消除主吊機械存在的缺陷而引發的事故。吊裝作業安全管理必須萬無一失,容不得半點疏漏。要提高風機吊裝施工效率、取得較好的經濟效益,需要進行科學的施工組織,以采用安全高效的施工方案為基礎,絕不能以犧牲安全為代價野蠻索取。要求風電吊裝單位必須更加重視主吊機械選擇和使用。

2 風力發電機組介紹

2.1 風力發電機組的組成

風力發電機組主要由兩大部分組成：風力機部分(風輪)——它將風能轉換為機械能;發電機部分(發電機)——它將機械能轉換為電能。在風電場建設中,常將風輪、發電機、支撐發電機組的塔架及配套電氣系統等統稱為風力發電機組,這些設備大多需要使用主吊機械進行吊裝作業。

2.2 國內常用風力發電機組介紹

據相關統計數據顯示：2013年中國風電新裝機的生產廠家中,“齒輪箱升速型風機”生產商居多,排名前10廠家中有8廠家制造“齒輪箱升速型風機”風機;但僅有的兩家“直驅型風機”生產商新增裝機容量占比高達30%。國內風電場建設中,兩種發電機結構的風機新增裝機勢頭都很強勁。

3 常用風力發電機組主吊機械

由于風場中風力發電機布置分散,故風機吊裝施工宜采用易于安拆、轉移的移動式起重機作為主吊機械,盡可能的提高風機吊裝施工效率,以取得較好的經濟性能。國內現階段風機吊裝施工中使用過的,能夠滿足1.5MW及以上容量風機吊裝施工的主吊機械主要有以下幾種：

3.1 履帶式起重機

履帶式起重機是將起重機安裝在專門設計的履帶底盤上、依靠履帶裝置行走的動臂起重機。履帶式起重機的主要特點是：其行駛駕駛室與起重操縱室合二為一,履帶接地面積大,對地面的平均壓力較小,通過性好,適應性強,可帶載行走,穩定性好;牽引系數高、爬坡度大、可在崎嶇不平的場地上行駛。

根據起重臂不同的結構形式可以具體分為：桁架臂履帶式起重機、箱型臂履帶式起重機。

(1)桁架臂履帶式起重機;此類型起重機為最常見的履帶式起重機。由于下車寬度較大,大多風場道路寬度不能滿足其行走要求,轉場作業需要整體拆除后,通過拖車倒運;機動性差,風機之間轉移時間長、工作量大。現階段國內起重機市場中,此類型機械資源最多,同時此類型機械具有較高的安全性和相對較低的租賃價格,在國內風電建設領域使用比例最高。國內現有此類型起重機械用于風機吊裝施工的主要有400t級、600t級、800t級、1000t級等各級別履帶式起重機,最大能夠滿足100m高6MW級別風機吊裝施工。

(2)箱型臂履帶式起重機;這一類型起重機械是一種主要用于風電吊裝領域的專業車型。由于下車采用窄型履帶底盤,同時上車為箱型臂,能夠快速收縮起重臂,降低起重機械重心,故能在風電場內狹小的道路上行駛轉移;風機之間轉移時間短、工作量小。現階段國內起重機市場中,此類型機械資源非常有限,在國內風電建設領域使用比例非常低。

國內現有此類型起重機械主要有LTR 11200型伸縮臂履帶式起重機,該起重機履帶軌距最寬僅為4.8m,星型支撐面積為13m×13m,主臂系統的Y型超起、固定副臂和變幅桁架副臂均來自于1200t履帶型吊車LTM 11200-9.1;最大能夠滿足80m高2MW風機吊裝施工。

3.2 全路面起重機

全路面起重機是將起重機安裝在為起重機專門設計的一種特種底盤上的起重機。全路面起重機的主要特點是：其行駛駕駛室與起重操縱室分開設置、結構緊湊、重量輕、外形尺寸小、具有良好的行駛性能;底盤懸掛方式為油氣懸掛、減震效果明顯;能根據路面高低不平自動調平車架、使爬坡能力更強;可實現全輪轉向、全橋驅動、轉彎半徑小、可蟹形行走、使用范圍更廣;可根據需要升高或降低車架高度、以提高行駛性能和通過能力;支腿跨距大、作業穩定性好;可以不受前方區域的限制、360度全方位作業;工作時須支腿、不能負荷行駛。根據起重臂不同的結構形式可以具體分為：箱型臂全地面起重機、桁架臂全地面起重機。

(1)箱型臂全地面起重機;此類型為最常見的全地面起重機,機動性好、風機之間轉移迅速、工作量小。現階段國內起重機市場中,此類型機械資源較多,在風機吊裝施工中使用比例較高;但此類型機械較履帶式起重機相比,存在租賃費用較高、起重性能較差的劣勢。國內現有此類型起重機械用于風機吊裝施工的主要有500t級、800t級、1200t級等各級別全路面起重機,最大能夠滿足80m高2MW級別風機吊裝施工。

(2)桁架臂全地面起重機;此類型起重機集相同載荷等級的履帶式起重機的穩定性、可靠性與快速移動車載式起重機的靈活性、機動性于一身。現階段國內起重機市場中,此類型機械資源很有限,在國內風電建設領域使用比例很低,但此類機械在某些特定環境風場,經濟型優勢非常明顯。國內現有此類型起重機械用于風機吊裝施工的主要有500t級、750t級等各級別機械,最大能夠滿足90m高3 M W風機吊裝施工。

3.3 其他起重機

(1)馬尼托瓦克GTK1100及GTK1100-1;GTK1100結合了塔式起重機和伸縮臂起重機的技術特點和性能優點,所以可以稱之為“塔柱式伸縮臂起重機”。GTK1100-1是GTK1100的升級版,它能夠將130t的負荷吊運到120m高度,最大起升高度可達140m。現階段國內起重機市場中,此機械資源很有限,在國內風電建設領域使用比例很低,但此類機械在某些特定環境風場,經濟型優勢非常明顯。

GTK1100-1最大能夠滿足100m高2MW風機吊裝施工。

(2)三一SSC1020;該機械為風力發電安裝專用起重機,集合了全路面起重機和履帶起重機的優點,具備近距離及遠距離的快速轉場能力,節省了運輸與安裝時間,可以大大降低風機的安裝和維修成本。SSC1020的最大起吊重量為100t,最大高度為100m。現階段國內起重機市場中,此機械資源非常少,在國內風電建設領域使用比例非常低。SSC1020最大能夠滿足90m高2MW風機吊裝施工。

(3)新大方QLY型輪胎動臂風電起重機;該機械為風力發電安裝專用起重機,起重機行走底盤采用液壓獨立懸掛、獨立轉向系統,車輪可在±300mm范圍內以路面情況自行調整,滿足復雜路面通行要求。起重機采用塔身三級伸縮,臂架三級折疊技術,可帶臂20%坡度行走。QLY9096全液壓輪式起重機風電工況最大起升高度96m,最大鉤下起重量90t。現階段國內起重機市場中,此機械資源非常少,在國內風電建設領域使用比例非常低。QLY9096全液壓輪式起重機最大能夠滿足80 m高3M W風機吊裝施工。

(4)國內早期風場建設中還有使用南京中升建機生產的ZSTL系列風電吊裝專用起重機。

4 影響主吊機械選型的主要因素

風機吊裝施工中主吊機械的選擇會直接影響吊裝施工作業安全和作業效率,主吊機械首先要滿足風機吊裝施工安全要求,同時還應具有較好的環境適用性,以提高風機吊裝施工作業效率,使風機吊裝施工具有較好的經濟性。在主吊機械選擇過程中重點從使用的安全性、經濟性兩方面進行評價。

4.1 主吊機械的安全性影響因素分析

主吊機械的主要安全性影響因素為：風力發電機組參數和主吊機械起重性能。

(1)風力發電機組參數對安全性的影響;各型號風力發電機組都有確定的、唯一的風機高度、設備重量等主要風力發電機組參數;同時絕大多數風機廠家提供確定的、唯一的風機吊裝施工方法,只有個別風機廠家提供兩套或更多套的吊裝施工方法供工施工單位選擇采用。確定的風機高度、設備重量,以及選擇空間非常有限的風機吊裝施工方法,決定了風力發電機組參數對主吊機械的安全性影響是被動的,要合理控制主吊機械的安全性,只要選用具有合適起重性能的主吊機械即能實現。

(2)主吊機械起重性能對安全性的影響;而各型號起重機械的起重性能因級別、類型、制造廠家及選用工況等方面不同而存在差異,起重機械級別、類型、制造廠家及選用工況等每項因素對起重機械的起重性能影響都很大。現階段國內起重機械市場機械保有量大,各種類型、各級別起重機械較為齊全,拋開風機吊裝施工單位自有起重機械,只針對合理控制主吊機械安全性的要求,可選擇的起重機械非常多。

4.2 主吊機械的經濟性影響因素分析

在風電場規模化風機吊裝施工中,單臺風力發電機吊裝施工主要劃分為三個階段：風機吊裝、主吊機械拆除轉移及主吊機械安裝。在保證風機吊裝施工安全要求的前提下,使用不同類型主吊機械進行風機吊裝施工,由于采用相同的施工方法,風機吊裝施工效率差異很小。不同的風電場,由于場內道路坡度、寬度、吊裝平臺大小等基礎條件,及風電場中其他可利用的現場條件不同,不同類型主吊機械對特定環境的適應性存在差異;針對特定的風場環境,在約定的工期內、順利完成風機吊裝施工,主吊機械的經濟性主要影響因素為：主吊機械轉場和安裝對道路和吊裝場地的要求。

(1)主吊機械轉場對經濟性的影響;較好的主吊機械轉場經濟性,需要重點控制主吊機械轉場效率和轉場措施費用。提高主吊機械轉場效率,能夠有效提高單位時間風機吊裝數量,從而降低單臺風機安裝施工的機械租賃費用。降低主吊機械轉場措施費用,需要控制主吊機械轉場施工配合機械的使用數量,從而降低單臺風機安裝施工機械租賃費用。

(2)主吊機械安裝對經濟性的影響;較好的主吊機械安拆經濟性,需要重點控制主吊機械安裝需用場地、安裝效率、安裝措施費用。降低主吊機械安裝需用場地要求,能夠減少或避免臨時用地的征用,更有利于風機設備在安裝場內存放及主吊機械安裝工作的開展。提高主吊機械安裝效率,能夠有效提高單位時間風機吊裝數量,從而降低單臺風機安裝施工的機械租賃費用。降低主吊機械安裝措施費用,需要控制主吊機械安裝施工配合機械的使用,從而降低單臺風機安裝施工機械租賃費用。

5 風力發電機組主吊機械選定

5.1 主吊機械的選定思路

主吊機械的安全性控制是風機吊裝施工的根本控制項,但由于主吊機械可選范圍非常廣,先對主吊機械從安全性方面進行選型,不利于主吊機械的選型工作開展。根據特定的風電場環境,結合確定的工期要求,選擇經濟性較好的起重機械類型較為方便;能夠較快的從有限的幾類起重機械中選定經濟性較好的機械。在初選出經濟性較好的主吊機械類型后,根據風機設備參數及風機吊裝施工安全性要求,選擇合適級別的機械作為主吊機械;選定的主吊機械后,再根據選定的主吊機械進行全面的經濟性測算,以確定該類型起重機械經濟性最優。

5.2 初選主吊機械類型

在2020年中國8個千萬千瓦級風電基地的總裝機容量將達1.5億千瓦,這8個千萬千瓦級風電基地分布在7個省、自治區,分別位于甘肅酒泉、新疆哈密、河北、吉林、內蒙古東部、內蒙古西部、江蘇、山東等風能資源豐富地區,這些風電基地按照風場環境主要可以分為荒漠戈壁地區、丘陵、山區、灘涂區域等,這8個千萬千瓦級風電基地現場環境也能基本反映國內風電場建設施工環境。位于荒漠戈壁地區的風場,風機分布較為規則,風機之間地勢平緩、寬闊,各類起重機轉移都能夠滿足,選擇安全性能更高、使用費用較低的履帶式起重機更為合適。位于丘陵、山區、灘涂區的風場,風機依照地勢等不規則分布于各處,風機之間連接道路寬度有限,履帶式起重機需要拆除倒運進行轉移,需要根據風場具體環境和要求,選擇最合適的起重機。

5.3 確定風機吊裝施工方法

各風機廠家對不同型號風機都制定有詳細的《吊裝施工方案》,但比較本人參與安裝施工的15個風機廠家17種型號風機吊裝施工,各風各型號風機的發電機(或機艙)、塔架及配套電氣系統吊裝方法基本相同;只是少量進口風機的風輪采用輪轂、葉片分別高空安裝的方案,而不采用常規輪轂、葉片地面組裝成風輪后,風輪整體吊裝的施工方案。同時大多數型號風機專用吊具設計較為合理,對安裝位置較高的設備就位需用起吊高度進行綜合考慮,使得風機頂部節塔筒、機艙、發電機、風輪的起吊高度基本一致(部分風機廠家風輪吊裝高度略高),有利于風機吊裝施工主吊機械工況的選擇。風輪采用輪轂、葉片分別高空安裝的風機,由于葉片長度長,而且葉片較為脆弱,葉片高空安裝需要使用很長的吊具進行葉片吊裝,由于吊具跨度大,為控制吊具上部起吊繩夾角,葉片吊具上部起吊繩較長,導致葉片吊具高度大;同時葉片安裝后吊具從葉片尾部脫鉤,需要主吊機械增大作業半徑,同時保證葉片吊具高于葉片,使葉片吊裝過程中對主吊機械的起吊高度要求大大增加。對于采用葉片高空安裝的風機進行主吊機械選擇時,要重點進行葉片吊裝中主吊機械起吊高度校核。

5.4 選擇主吊機械工況和級別

風力發電機組中配套電氣系統的部件輕、安裝高度低,一般由輔助起重機械在主吊機械投用前提前進行安裝,風力發電機組主吊機械主要應用于風力發電機組和支撐發電機組的塔架施工,故主吊機械選擇主要考慮塔筒、機艙(或發電機)、風輪的吊裝安全性。

風機高度是初選主吊機械的重要參數,根據施工經驗,對于一些機艙(或發電機、風輪)吊具設計緊湊的風機機型,風電桿頭工況或塔式工況下,最短起重臂長度初選“風機高度+10m”。對照起重臂高度查看合適作業半徑下額定起重量是否滿足作業要求,根據施工經驗,控制機艙(或發電機)吊裝負荷率在80%-90%之間較為合適,這樣主吊機械既預留適量的安全余量,同時主也具有較好的經濟性。

風機設備中最重件一般都是機艙或發電機(個別風場有單件塔筒略重于發電機的情況),而機艙或發電機全部為安裝就位高度最高的設備,在主吊機械選擇中重點對機艙或發電機進行校核計算,以便從初選主吊機械中選擇最為合適的主吊機械。

5.5 確定主吊機械對選定的主吊機械從進行全面的經濟性測算,以確定該類型起重機械經濟性最優。

6 結語

風力發電機組吊裝施工中,主吊機械的選型是一個綜合篩選的過程,吊裝施工單位要從本公司自有機械和租賃市場起重機械資源擁有情況進行合理選型。通過現場實地踏勘,詳細了解風場整體情況和施工環境,綜合考慮工期要求、施工時段、機械轉場費用和轉場時間等因素,選擇經濟性較好的起重機械類型;再根據風機吊裝施工方法、風機高度及各部件重量等選擇主吊機械作業工況和級別,通過對初步選定的主吊機械進行詳細的安全性校核,最終選定起吊高度滿足要求、最大起吊作業負荷不超過90%、起重臂與吊物間有不少于0.5m的抗桿安全距離的機械作為主吊機械。

[1]2013年中國風電裝機容量統計.中國可再生能源學會風能專業委員會.

[2]風力發電機組的分類及各自特點.中國能源網.

[3]風力發電機組吊裝機械選型[J].建筑與文化.