近海風電安裝工程起重機

石勝征

（南通潤邦重機有限公司，江蘇南通 216013）

0 引言

風力發電作為無污染可再生能源，是世界各國普遍關注的綠色能源之一，隨著岸上風力發電場選址的逐漸減少及技術水平的發展，風力發電由陸上延伸到海上，已經成為世界各國風力發電發展領域的一種方向。在我國，近海風力發電發展迅速，相比陸上風力發電，我國近海風力發電有風能條件好、投資成本低、更靠近東部沿海用戶等特點[1-3]。

但是，相對于陸上風機的安裝，海上風機安裝施工難度更高，現階段的近海風電場項目大多集中在水深30 m、離岸30 km左右的海域內，無論工程建設還是運行中的維護，均需用到大型的起重設備。因此，大型的海洋起重設備是近海風電安裝及維護的關鍵設備。

1 海上風電起重設備的工況特點

由于近海風電場處于海上開敞無遮避水域，這些水域海上風力通常大于蒲氏2級，風急浪高，給風電場的安裝及維護作業帶來很大困難，專業的自升式海上風電船（平臺）雖然升腿作業時消除了和安裝基礎間的相對運動，但無遮避水域的風況一般較大，對起重設備運動機體及被吊設備帶來安全隱患。

我國近海風電場所用的風力發電設備，目前主要有2 MW、3 MW、5 MW幾種類型風機，這幾種風機除樁基外總質量達到了350 t到610 t不等，更大的6 MW、7 MW也已經在歐洲開始應用，總質量更大，起重安裝設備研制時需要考慮具備整機安裝的大起重量的能力。

海上風電設備安裝后輪轂中心線離海平面高度高達70 m到95 m不等，國內主要幾種風電設備質量及安裝后高度數據如表1[4-5]。

同時，安裝起重設備的作業船舶（平臺），為了安全作業，必須保持和風電塔一定的安全距離，按實際使用情況來看，安裝在作業船舶（平臺）上的起重設備，基本上和作業的風電塔中心保持在不低于20 m的距離上。

表1 國內主要風電設備參數表

因此，用于近海風電安裝的海上起重設備，在研制時除需考慮滿足適應設備防腐、海上惡劣的風、浪作業工況外，還需具有大的回轉角度、大起重量、大工作半徑及大起升高度的能力要求。

2 海上風電起重設備的發展

包括1991年丹麥建成的第一個近海風電場，近海風電安裝所用的起重設備主要是全回轉浮吊及專用風電安裝船（平臺）起重機，由于安裝時存在和風電塔之間的相對運動的風險，浮吊并不是安裝海上風電設備的理想起重設備。由于技術的進步，帶自升式樁腿及滿足風電設備起重要求的起重機的移動平臺逐漸被用于近海風電場的安裝[6]，由于平臺被樁腿固定，作業時，海浪對作業船（平臺）的影響基本被消除，作業船（平臺）與風電塔之間沒有了相對運動，基本是一種理想狀態，近10年來，帶自升式樁腿及滿足風電設備起重要求的起重機的移動平臺已經被大家接受首選用于海上風電場的安裝及維護。

從20世紀90年代海上風電場建設誕生起，應用于海上風電設備吊裝作業的起重設備從技術特點區分，至今已經發展了三代產品。

第一代產品主要是以浮動船（平臺）為載體，安裝或放置于浮動船（平臺）甲板上的起重設備。典型例子是海上浮吊，固定安裝于甲板上，具備了大回轉角度、大起重量、大起升高度及大工作半徑的要求，但第一代產品沒法消除與風電塔之間的相對運動，存在安全隱患；同時對作業人員要求高，作業效率低下。

第二代產品是以自升船（平臺）為載體，完全具備了海上吊裝風電設備能力的起重設備[7]。第二代產品發展于海上風力發電應用較早的歐洲，應用于本世紀初期。第二代產品與前代產品相比，安全性能高、工作效率大幅度提高是明顯特點，使安裝成本大為降低。如：我國首座專業的風電安裝平臺——“華電一號”及攜帶的QYG700t海上風電工程起重機2013年5月在東海大橋風電場進行安裝維護作業，只用6 d時間就完成了原計劃15 d的海上風電安裝、維護工作，獲得客戶及業內同行的一致好評如圖1所示。

第三代產品是以自升船（平臺）為載體，環安裝于樁腿的起重設備。與第二代產品相比，主要在于在船（平臺）安裝位置的改變，第三代產品布置在環樁腿外，樁腿穿設備而過。與前代產品相比，占用空降更小，自身重量明顯下降，起升量/自身重量降到了不大于1.2，使平臺制造成本明顯下降；同時，有效增加了船（平臺）上甲板空間。第三代產品已經成為世界上海上風電自升船（平臺）的主流及首選機型，典型產品是荷蘭的GustoMSC品牌產品。

表2 國內主要在用的專業風電工程安裝船及其主吊情況[8]

圖1 第二代典型海上風電安裝起重設備

圖2 第三代典型海上風電安裝起重設備

3 主要機型及結構介紹

海上風電起重機按結構型式區分主要有基座式、桅桿式及繞樁式。

1）基座式海上風電起重機。基座式海上風電起重機主要由基座、回轉平臺、人字架及吊臂等結構部件組成。基座一般為圓筒型，用船板彎制而成，采用法蘭或焊接方式固定安裝于船（平臺）甲板上。回轉平臺通過轉盤軸承安裝于基座上，吊臂、人字架、司機室、絞車、回轉機構等安裝于回轉平臺上，回轉平臺通過轉盤軸承與底座實現相對轉動。人字架和吊臂一般用高強度鋼管焊接制作，平面桁架式結構，使外型空間擋風面積小，承風能力強，全密封的鋼管適于海上工作環境。

2）桅桿式海上風電起重機。桅桿式海上風電起重機主要由桅桿、回轉平臺、吊臂等結構部件組成，桅桿一般為圓錐柱體結構，用高強度船板板材縱向軋制焊接而成，與底座焊接在甲板上，是設備的主要受力構件。回轉平臺外形為板梁結構，動力泵組、機房、回轉機構、絞車、吊臂及司機室等均布置在回轉平臺上，回轉平臺及吊臂等安裝在桅桿外面，通過回轉機構驅動，實現與桅桿的相對轉動。吊臂的外形為桁架式結構，使用超高強度鋼管材料焊接而成，整體擋風面積小，承載能力強，適于海上工作環境。

圖3 基座式海上風電安裝起重設備

圖4 桅桿式海上風電安裝起重設備

3）繞樁式海上風電起重機。繞樁式海上風電起重機主要由基座、回轉平臺、人字架及吊臂等結構部件組成，基座一般為圓筒型，用船板彎制而成，采用法蘭或焊接方式固定安裝于船（平臺）甲板上。回轉平臺通過轉盤軸承安裝于基座上，吊臂、人字架、司機室、絞車、回轉機構等安裝于回轉平臺上，回轉平臺通過轉盤軸承與底座實現相對轉動。人字架和吊臂一般用高強度鋼管焊接制作，平面桁架式結構，使外型空間擋風面積小，承風能力強，全密封的鋼管適于海上工作環境。

4 主要機構介紹

1）起升機構。起升機構由卷筒、支架和行星減速箱組成。卷筒采用鋼板彎制，表面一般制作螺旋槽或安裝籬笆皮方式，確保鋼絲繩排列整齊，不亂繩，同時提高鋼絲繩壽命。海上風電起重設備的起升高度比較大、繞繩組數較多，因而容繩量較大，繞繩層數較多。起升機構的減速箱一般采用內藏式行星減速箱，常閉式制動器，通過彈簧制動器進行，制動器設有摩擦片磨損補償裝置。在失壓情況下，制動器可馬上接（咬）合，以實現安全制動。起升機構和液壓馬達（或電動機）、鋼絲繩、滑輪、吊鉤及其它附件等組成起重設備的起升系統。

2）變幅機構。變幅機構與起升機構一樣，由卷筒、支架和行星減速箱組成。卷筒也采用鋼板彎制，表面一般制作螺旋槽或安裝籬笆皮方式。變幅機構的減速箱也采用內藏式行星減速箱，制動是常閉式制動器，通過彈簧制動器進行，制動器設有摩擦片磨損補償裝置。在失壓情況下，制動器可馬上接（咬）合，以實現安全制動。變幅機構設有逆向棘輪棘爪安全裝置，保證吊臂不會因為失壓掉落。變幅機構和液壓馬達（或電動機）、鋼絲繩、滑輪及其它附件等組成起重設備的變幅系統。

3）回轉機構。回轉機構是帶圓盤制動器的行星齒輪減速器，由液壓馬達或電動機驅動，小齒輪輸出（帶動整機回轉），小齒輪與回轉支承輪齒間隙的調整可通過裝置的偏心安裝法蘭來進行。回轉機構和液壓馬達（或電動機）、轉盤支承裝置等組成起重設備的回轉系統。

5 動力系統介紹

海上風電起重機的動力系統一般采用電動機-液壓驅動、柴油機-液壓驅動或電動機驅動三種方式。電動機-液壓驅動是以電動機作為原動力，通過分動箱驅動液壓泵組為各機構提供液壓動力，分別驅動各執行機構，達到直線運動或曲線運動的目地。柴油機-液壓驅動是以柴油機作為原動力，通過分動箱驅動液壓泵組為各機構提供液壓動力，分別驅動各執行機構，達到直線運動或曲線運動的目地。電動機驅動是以電作為原動力，通過電動機驅動各執行機構，達到直線運動或曲線運動的目地。

因為技術原理的發展成熟程度、制造成本及后期的維護保養等因素的制約，第一、第二代的海上風電起重機動力系統基本采用電動機-液壓驅動和柴油機-液壓驅動兩種動力驅動方式。進入新世紀以來，隨著變頻控制技術的不斷成熟及成本的不斷下降，電動變頻控制也不斷開始應用于海上起重設備，以電動機驅動的方式得到很大的發展，現在，海外品牌的第三代海上風電起重機動力系統基本上采用電動機驅動方式。

圖5 繞樁式海上風電安裝起重設備

6 控制系統介紹

海上風電起重設備的控制方式主要采用液壓控制及電動變頻控制兩種。

液壓控制的系統一般由動力元件（電動機或柴油機）、分動箱、柱塞泵、多路閥、液壓馬達、其它閥件、管路管件、接頭等組成，相對電變頻的控制方式，液壓控制成熟程度高、制造成本及后期的維護保養較低等優勢，第一、二代海上風電起重設備的控制基本采用液壓控制方式。

進入新世紀以來，隨著變頻控制技術的不斷成熟及成本的不斷下降，電動變頻控制也開始應用于海上起重設備，現在，海外品牌的第三代海上風電起重機動力系統基本上采用電動變頻控制。

相對于液壓控制方式，電變頻控制有著綠色環保、節能、界面友好、模塊程度高、后期維保方便等優點，是后續產品發展的主要方向。

7 結語

大型的海上起重設備是海上風電船（平臺）的關鍵設備，已經影響著海上風電場的投資成本及進度，進而影響到海上開發的推進、利用。可喜的是，進入新世紀以來，海上風電在世界各國得到了大力發展，也推動了大型海上起重設備的技術發展，在中國，專業的風電起重設備更是蓬勃發展，近十年來，我國海上風電起重設備從第一代已經發展到最新的第三代，已經同步于國外的產品。我們相信，隨著海上風電開發在我國不斷得到推進，海上起重設備及相應技術也會不斷取得發展。

[參考文獻]

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[5] 新疆金風科技股份有限公司相關產品樣本資料[Z].

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[7]張太佶,汪張棠.一種新船型——海上風電設備安裝船的開發[J].船舶,2009,20(5):38-43.

[8] 北極星風力發電網.國內八大主要風電工程安裝船[EB/OL].(2016-05-03)[2017-06-01].