基于風(fēng)機(jī)主機(jī)的風(fēng)電吊裝技術(shù)

婁近水，李太周

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，鄭州 450015)

0 引言

近年來(lái)，發(fā)展風(fēng)電等新能源已經(jīng)成為世界各國(guó)保障能源供應(yīng)安全、應(yīng)對(duì)全球氣候變化、推動(dòng)能源升級(jí)的共同選擇。我國(guó)已將風(fēng)能規(guī)劃為未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要組成部分，推出多種優(yōu)惠措施推動(dòng)國(guó)內(nèi)風(fēng)電的發(fā)展。在此背景下,近幾年我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展，其中風(fēng)電工程施工作為這個(gè)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也在蓬勃發(fā)展。一般來(lái)說，風(fēng)電工程施工主要包括臨時(shí)施工道路修筑、基礎(chǔ)開挖、大體積混凝土澆筑、風(fēng)電機(jī)組吊裝等，工程的施工重點(diǎn)為風(fēng)機(jī)的安裝，包括塔架、機(jī)艙(含齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變壓器及控制系統(tǒng)等)、葉輪(含輪轂、葉片等)等主要部分的吊裝作業(yè)，其中最重要的環(huán)節(jié)是吊裝機(jī)艙和葉輪(輪轂和葉片的組合體)，是風(fēng)電工程施工的關(guān)鍵內(nèi)容。

1 風(fēng)電機(jī)組吊裝技術(shù)的特點(diǎn)及要求

風(fēng)電設(shè)備的安裝具有安裝高度高(達(dá)140 m以上，各種機(jī)型設(shè)備的質(zhì)量不同，塔架的高度隨風(fēng)力分布情況而定)、尺寸大(直徑達(dá)90 m以上)、質(zhì)量大(單體質(zhì)量大于70 t)、作業(yè)環(huán)境特殊(長(zhǎng)期風(fēng)力大、地形復(fù)雜)等特點(diǎn)，因而需要特殊的安裝作業(yè)方案及設(shè)備，以滿足其特殊要求。

除以上由風(fēng)機(jī)單機(jī)本身特性決定的安裝施工特點(diǎn)外，由于風(fēng)電場(chǎng)通常有幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)機(jī)組，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的安裝要在較大的范圍內(nèi)移動(dòng)施工，因而對(duì)風(fēng)電安裝施工更提出了方便、快捷、便于轉(zhuǎn)場(chǎng)的要求。

從風(fēng)電設(shè)備安裝特點(diǎn)及要求可以看出，風(fēng)電吊裝設(shè)備的選用及施工技術(shù)方案的確定主要受到地理環(huán)境、場(chǎng)內(nèi)道路狀況、設(shè)備參數(shù)(機(jī)艙尺寸、質(zhì)量、塔架高度)等因素影響。其施工方案及設(shè)備必須滿足起重能力大、防風(fēng)能力強(qiáng)、場(chǎng)地適應(yīng)性好、便于轉(zhuǎn)場(chǎng)、效率高的要求。

2 風(fēng)電機(jī)組吊裝技術(shù)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的風(fēng)電設(shè)備吊裝方案采用基于地面的吊裝模式，通常采用置于地面的大型汽車起重機(jī)、履帶式起重機(jī)等大型起重設(shè)備來(lái)完成，在機(jī)組功率較小、塔架高度較低的狀況下，主要有以下幾種吊裝方案。

(1)大型履帶式起重機(jī)作主力，小型汽車起重機(jī)輔助。由于大型履帶式起重機(jī)具有起重能力強(qiáng)、場(chǎng)地適應(yīng)性好、效率較高等特點(diǎn)，特別是能夠帶載行走，可滿足風(fēng)機(jī)葉輪與機(jī)艙對(duì)接安裝的要求，傳統(tǒng)上被用作風(fēng)電設(shè)備安裝的首選設(shè)備，用以完成機(jī)艙、塔架和葉輪等大部件的吊裝作業(yè)。在場(chǎng)地和道路寬敞的情況下，采用該方案能夠充分發(fā)揮履帶式起重機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但如果在道路狹窄、環(huán)境較為惡劣的情況下采用該方案，從一臺(tái)風(fēng)機(jī)到另一臺(tái)風(fēng)機(jī)間需要不斷拆卸和重新安裝履帶式起重機(jī)，既拖延了工期，也增加了成本；同時(shí)，由于履帶式起重機(jī)的抗風(fēng)性能較弱(特別是側(cè)向抗風(fēng)性能較弱)，在作業(yè)的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力較大時(shí)不得不按照安全標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定停止作業(yè)，不能連貫完成吊裝作業(yè)，從而影響安裝進(jìn)度和質(zhì)量(一般的機(jī)型要求上段塔架與機(jī)艙應(yīng)在同一天完成安裝)；另一方面，在整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的安裝需要頻繁轉(zhuǎn)場(chǎng)但又無(wú)專用轉(zhuǎn)場(chǎng)設(shè)備協(xié)助運(yùn)輸?shù)那闆r下，靠本身的履帶運(yùn)行，效率低且履帶磨損很快，加上大型履帶式起重機(jī)本身購(gòu)置、維護(hù)、轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸成本很高，導(dǎo)致安裝成本很高，因而該方案的經(jīng)濟(jì)性受到嚴(yán)重影響。

(2)大型汽車起重機(jī)作主力，小型汽車起重機(jī)作輔助。風(fēng)電設(shè)備安裝時(shí)，為方便葉片吊裝，機(jī)艙吊裝時(shí)起重機(jī)的位置既要滿足機(jī)艙的要求也要滿足葉輪的吊裝要求。一般要求主力起重機(jī)吊臂正對(duì)機(jī)艙的法蘭(連接輪轂的法蘭)，這樣可保證葉輪吊裝就位，否則就需要移動(dòng)起重機(jī)的位置或進(jìn)行偏航才能滿足葉輪的吊裝。大型汽車起重機(jī)具有起重能力大、轉(zhuǎn)移迅速、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，在場(chǎng)地平整、堅(jiān)實(shí)的環(huán)境下施工時(shí)能夠充分發(fā)揮其性能。但在起吊時(shí)，必須將支腳落地，不能負(fù)載行駛，使得汽車起重機(jī)作為風(fēng)電安裝主力起重機(jī)受到很大制約，加上汽車起重機(jī)對(duì)風(fēng)載的敏感性，因此，較少選用該方案。

(3)大型輪胎式起重機(jī)作主力，小型汽車起重機(jī)作輔助。由于輪胎式起重機(jī)相對(duì)于汽車起重機(jī)具有車輪間距大的特點(diǎn)，其穩(wěn)定性和對(duì)路面的適應(yīng)性有了較大的提高，在一定程度上克服了汽車起重機(jī)的不足；同時(shí)，其轉(zhuǎn)移迅速、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)又彌補(bǔ)了履帶式起重機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)靈活性方面的不足。因而，在施工現(xiàn)場(chǎng)道路較窄的環(huán)境下，使用輪胎式起重機(jī)成為優(yōu)選方案。考慮輪胎式起重機(jī)本身的特性，國(guó)內(nèi)在進(jìn)行主流1.5 MW機(jī)組風(fēng)機(jī)安裝時(shí)，有多次選用了5 000 kN以上的大型輪胎式起重機(jī)作主力、500 kN左右汽車起重機(jī)作輔助的施工方案。

盡管輪胎式起重機(jī)兼顧了履帶式起重機(jī)及汽車起重機(jī)的一些特征，但支腳必須落地才能負(fù)載，不能帶載行駛，在風(fēng)電安裝環(huán)境通常比較惡劣、安裝高度較高、葉輪安裝方位要求特殊等情況下則顯現(xiàn)出明顯的局限性；同時(shí)，輪胎式起重機(jī)與履帶式起重機(jī)和汽車起重機(jī)類似的高大臂架均對(duì)風(fēng)載較敏感，也是影響輪胎式起重機(jī)作為風(fēng)電安裝主力起重機(jī)的重要因素。

綜上所述，由于風(fēng)電機(jī)組容量不斷增大、風(fēng)機(jī)塔架不斷增高、安裝場(chǎng)地特殊的地形地貌及投資方要求加快安裝速度等要求，設(shè)備投資大幅增大；另一方面隨著設(shè)備的不斷運(yùn)行，風(fēng)機(jī)逐漸進(jìn)入維護(hù)期，零部件的維護(hù)更換在所難免，傳統(tǒng)的吊裝拆卸模式要求用同樣大的吊裝設(shè)備來(lái)完成，費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、安全性差。因此，傳統(tǒng)吊裝方式及吊裝維護(hù)設(shè)備越來(lái)越不適應(yīng)風(fēng)電吊裝維護(hù)的需求，研究開發(fā)適應(yīng)風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)的新型吊裝技術(shù)及設(shè)備勢(shì)在必行。

3 風(fēng)電機(jī)組吊裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

目前，風(fēng)電工程吊裝技術(shù)及裝備主要朝著兩個(gè)方向發(fā)展：一是研發(fā)更大起重能力的地面起重設(shè)備，以滿足風(fēng)機(jī)不斷增高增大的吊裝需求；另一方向就是研發(fā)吊裝風(fēng)機(jī)主機(jī)的專用設(shè)備來(lái)滿足需求。前者會(huì)導(dǎo)致巨大的設(shè)備投入，而后者將充分利用風(fēng)電機(jī)組自身的特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)較小的投入，獲得較好的適用性。

4 基于風(fēng)機(jī)主機(jī)的吊裝技術(shù)

新型吊裝技術(shù)采用基于風(fēng)機(jī)主機(jī)的吊裝方案，充分利用風(fēng)電機(jī)組主機(jī)及塔筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過新型專用設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

新型吊裝方案采用的專用設(shè)備主要由起升機(jī)構(gòu)(含吊具)、自升機(jī)構(gòu)、門架結(jié)構(gòu)、底架結(jié)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、抱緊裝置、引進(jìn)裝置、防護(hù)裝置、液壓系統(tǒng)、電氣及電控等機(jī)構(gòu)組成(如圖1所示)。其中，自升機(jī)構(gòu)用于專用設(shè)備的升降，起升機(jī)構(gòu)用于吊運(yùn)發(fā)電機(jī)等風(fēng)電機(jī)組主要零部件進(jìn)行安裝拆卸等垂直作業(yè)，變幅機(jī)構(gòu)滿足所吊裝零部件安裝位置的水平調(diào)整。

圖1 新型吊裝設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

新型吊裝技術(shù)的基本原理是：通過專用設(shè)備自身的自升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)設(shè)備沿風(fēng)機(jī)塔筒升至風(fēng)機(jī)主機(jī)下方預(yù)定高度，通過連接裝置將專用設(shè)備與風(fēng)機(jī)主機(jī)及塔筒連接固定，依靠可變幅的門架覆蓋作業(yè)范圍，通過起升機(jī)構(gòu)裝卸風(fēng)機(jī)大部件，通過自升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)備本體的拆卸和降落。

5 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

基于風(fēng)機(jī)主機(jī)的吊裝技術(shù)及專用設(shè)備克服了傳統(tǒng)的基于地面吊裝方案的缺點(diǎn)和弊端，具備以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

(1)新型方案采用無(wú)塔身結(jié)構(gòu)，利用風(fēng)機(jī)主機(jī)自身高度，將專用設(shè)備連接在機(jī)組主機(jī)上；與其他地面起重機(jī)相比，不受起重機(jī)起升高度的制約。

(2)新型方案采用門架式臂架、油缸變幅，可覆蓋風(fēng)電機(jī)組吊裝維護(hù)范圍內(nèi)零部件吊裝維護(hù)作業(yè)。

(3)通過自身裝置可自行完成設(shè)備本體起升及下降的拆裝工作。

(4)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，便于運(yùn)輸、轉(zhuǎn)場(chǎng)，適應(yīng)性強(qiáng)。

(5)受安裝風(fēng)機(jī)周邊的地形(坡面或軟地面)影響小，減少了對(duì)環(huán)境的依賴及破壞。

(6)設(shè)備價(jià)格低，約是同功能大型起重設(shè)備的1/10，甚至更低。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于風(fēng)機(jī)主機(jī)的吊裝技術(shù)避免了傳統(tǒng)基于地面的吊裝模式及方案對(duì)地形地貌要求嚴(yán)、施工周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、安全性差的弊端，為風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)提供了全新的施工方案及新型專用設(shè)備，節(jié)約了風(fēng)電建設(shè)及維護(hù)成本，為大型風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)提供了經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、安全、可靠的解決方案，具備良好的應(yīng)用及推廣前景。

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