復雜海況下海上風機安裝技術研究與應用

李俊來，雷丹

（中交第三航務工程局有限公司寧波分公司，浙江 寧波 315200）

海上風能的開發正在全球范圍內如火如荼的進行，相比歐洲，我國海上風電起步稍晚，但在“十一五”之后我國海上風電進入快速發展時期，海上風電施工設備與施工工藝也日趨成熟。我國海岸線漫長，各個沿海省份均在積極發展海上風電，不同海域的海況、地質條件存在較大的差異，因此需要根據不同情況進行具體分析，選擇合適的施工工藝。

1 概況

1.1 工程概況

國電舟山普陀6號海上風電場2區工程位于舟山市六橫島東南側，風電場中心離六橫島距離約11km。風電場總裝機容量為252MW，布置63臺上海電氣4MW風電機組。

1.2 工程海域特點

對于海上風機安裝來說，海域的風、浪、潮流、地質等是影響最大的自然因素。本工程風場海域的自然條件有如下特征：（1）風況。工程海域屬于亞熱帶季風濕潤氣候區，風的變化具有明顯的季節特征：全年呈現偏北向（NW～NE）和偏南向（SE～SW）兩個常、強風向。（2）波浪。工程海域瀕臨東海，為我國沿海的大浪區，所在海區波浪具有外海波浪屬性。夏季小浪級、長周期波浪發生率高，并有超巨浪級波浪出現，波況與其它三季相比有較大區別。（3）潮流。本風電場區離岸距離較遠，所處海域開闊，且潮流具有較強的旋轉性。另外，涌浪等影響船只穩定性能的海洋要素在本工程海域出現頻繁，對工程施工有較大影響。（4）地質條件。工程場區地形較為平緩，坡度較小。場區上部分部有厚度較大的淤泥質軟土。

綜上所述，本工程海域呈現出風況頻繁、長波海浪、旋轉潮流及表層淤泥質軟土較厚等特點，這些因素都將對海上風機安裝帶來不同程度的影響。如何針對特殊的自然環境，選擇合適的安裝方式并加以實現，是本工程項目建設的關鍵之一。

2 風機安裝方案的選擇

目前，國內海上風電場風機安裝工藝主要有2種，即海上分體安裝方式和海上整體安裝。針對本工程項目的客觀條件和各種因素，對2種方案進行分析比較。

（1）根據本工程項目水文地質資料，工程場區內水深在12～16m之間，海床表層軟弱土層較厚（①層淤泥和②-2層淤泥質黏土厚度達8m～39m），若采用分體安裝，為達到樁腿的承載力要求，要求平臺樁腿入泥深度較大。針對本工程試樁機位進行初步計算，作業平臺的樁腿入泥深度為36．4m，水深為14m，樁腿總長需要達到75m以上。通過以上分析，要求自升式起重平臺樁腿長度較長，樁腿入泥深度越深，拔出的難度和風險越大。雖然2017年以來國內先后有作業水深在40m以上的龍源振華3號、福船三峽號等下水，但均未實際投用，而且國內外至今尚未有在類似海域用自升式起重平臺進行風機安裝的案例。

（2）本工程海域波浪具有外海波浪屬性，長周期波浪的發生率較高，且海域潮流具有較強的旋轉性，對船舶的穩定性影響較大，對平臺船插拔腿也會造成影響，進而會影響海上施工工效。

（3）結合風機廠家安裝手冊的規定，對風機設備吊裝風速的要求，我們對本工程2017年全年施工情況進行了統計和比較，見下表1。

通過對比可知，分體安裝的海上有效作業天數少于整體安裝。

綜上所述，風電機海上整體安裝方案在該海域具有其獨特的優勢，將大量的本來要在風電場場區惡劣海洋環境下進行的工作（包括電氣安裝、靜態調試等）在陸域組裝基地完成，組織風電機標準化組裝作業，有利于降低作業安全風險、保障風電機組組裝質量、提高組裝工作效率。

表1 2017年本工程海域風況統計

因此，本工程采用風電機海上整體安裝方案。

3 技術方案介紹

國內風電機海上整體安裝技術發展到目前已十分成熟。東海、響水等多個海上風電項目均成功實施了海上整體安裝方案。本文對整體安裝技術方案僅作簡要介紹。

3.1 總體工藝流程

風電機海上整體安裝總體工藝流程：

吊裝準備→起吊→吊裝就位→導向→緩沖→同步下降→精定位→緊固螺栓→平衡梁等安裝工具的拆除→驗收。

3.2 主要工序施工工藝

（1）風電機安裝導向工序。起重船吊著整套風電機及上部吊架系統緩緩下降，通過剛性粗導向對中檔板的約束，達到風電機塔筒中心與承臺中心的初步對中。

（2）風電機安裝緩沖工序。風電機及上部吊架系統沿導向裝置慢慢下降，頂升油缸伸出，緩沖油缸逐件壓在相對應的緩沖承載平臺上。隨著風電機繼續下降，緩沖油缸緩沖行程結束后，風電機重量由頂升油缸承載，完成風電機安裝軟著陸。

（3）風電機安裝精定位工序。當緩沖油缸緩沖行程結束后，上部吊架上的定位銷軸插入精定位油缸拉桿銷軸座套，精定位系統開始工作，通過誤差識別反饋系統的反饋信號，經電腦計算，發出一系列指令，控制下部就位系統上的縱向位置，調整裝置和切向位置，調整裝置動作，達到風電機的精確定位。定位結束后，穿上風電機底部內法蘭與連接塔筒上部內法蘭螺栓并按要求緊固。

4 復雜海況下海上風機的安裝技術

4.1 總體思路

本工程風場現場涌浪條件復雜，對項目前期施工情況進行分析發現，由于潮流具有較強的旋轉性，加上起重船和運輸駁的升沉不同步，造成掛鉤困難，制約了海上整體吊裝。

當現場涌浪較大造成掛鉤困難，而其他條件滿足吊裝要求時（起重船橫搖角度小于2°，升沉1m以內），選擇在離岸較近的海域或者有遮蔽的海域，由起重船將風機從運輸駁上起吊，然后移位至風機機位進行吊裝就位。

該技術方案可有效減少涌浪對掛鉤的影響，延長風機整體吊裝施工窗口期，提高施工功效。

4.2 主要施工方法

主要工藝流程如下：

風機運輸至起吊海域→起重船和風機運輸駁就位→起吊→起重船移位至風機機位→吊裝就位。

4.3 主要工序施工工藝

（1）船舶就位。對風場及周邊海域的觀測和分析，結合前一階段施工經驗，選擇在風場北側的大蚊蟲島的西北側海域進行風機起吊作業（圖1）。

（2）起重船先于運輸駁就位。起重船縱軸線與主流向一致，先拋下受潮流及風一側的錨，以便有效控制船舶。待船舶穩定以后，按一定的順序進行拋錨。風機運輸駁與起重船站位方向一致，運輸駁的船艏（或船艉）靠近起重船的船艏，然后按照相同的原則拋錨，拋錨完成后，通過錨纜作業，使兩艘船距離控制在10m左右。

圖1 風機起吊時船舶就位示意圖

（3）起吊。由起重船吊鉤吊住平衡梁兩端的吊耳。解除平衡梁與井架頂部的固定節點和風電機塔身底部約束，吊鉤緩慢提升，平衡梁與上部吊架的吊索受力繃緊后（起吊重量達到約200t），吊鉤停止提升。拆除風機下塔筒與運輸駁上工裝基礎連接的螺栓，并插入4個導向銷。

起重船再次緩慢起升吊鉤，起重量接近吊裝重量時，收緊全船錨纜，使起重船穩定定位，觀察并調整起重船船位和臂架，保持風機重心與吊鉤垂直。

起重船繼續上升吊鉤3～4m，然后鎖住主鉤，起重船操縱移船絞車使起重船平穩后移50～100m。起重船平穩且退一定位置后，運輸駁迅速撤離。

（4）起重船移位。起重船吊著風機航行移船至安裝位置。

起重船本身可提供前行的動力。起重船前方采用一艘錨艇在前方引路，起到警戒船的作用，同時也可以作為臨時應急備用的拋錨艇。

起重船航行和進點過程中，應密切關注起重船和風機搖擺的幅度，及時調整纜風繩錨機，確保航行和進點時風機基本處于平穩狀態。

（5）起重船進點。起重船進點時，先拋下受潮流及風一側的錨，以便有效控制船舶。由于起重船航行的方向大致是由北向南，而就位吊裝時起重船的朝向為西北方向，起重船接近風機安裝機位后，先拋下南側的錨。利用錨纜的作用力，調整起重船方位至吊裝方位，然后依次拋下其他錨，以便于控制起重船方向和保持穩定（圖2）。

圖2 風機安裝就位示意圖

（6）吊裝就位。吊裝就位的工藝方法與上文相同，詳見 3．2。

5 結語

隨著我國海上風電項目的不斷建設和發展，各個風場的施工條件呈現出多樣化和復雜化的特點。在進行施工方案選擇和工藝布置時，需要有更強的針對性和適應性。起重船負載風機后運輸至機位進行吊裝的方案很好地規避了海床軟弱土層較厚的影響，又克服了長波海浪、復雜潮流對風機吊裝船的影響，體現了該方案在特殊海域特有的優勢和適應性，極大地拓寬了海上風機的整體安裝技術思路。