復(fù)雜海況下海上風(fēng)機(jī)安裝技術(shù)研究與應(yīng)用

李俊來，雷丹

（中交第三航務(wù)工程局有限公司寧波分公司，浙江 寧波 315200）

海上風(fēng)能的開發(fā)正在全球范圍內(nèi)如火如荼的進(jìn)行，相比歐洲，我國(guó)海上風(fēng)電起步稍晚，但在“十一五”之后我國(guó)海上風(fēng)電進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，海上風(fēng)電施工設(shè)備與施工工藝也日趨成熟。我國(guó)海岸線漫長(zhǎng)，各個(gè)沿海省份均在積極發(fā)展海上風(fēng)電，不同海域的海況、地質(zhì)條件存在較大的差異，因此需要根據(jù)不同情況進(jìn)行具體分析，選擇合適的施工工藝。

1 概況

1.1 工程概況

國(guó)電舟山普陀6號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)2區(qū)工程位于舟山市六橫島東南側(cè)，風(fēng)電場(chǎng)中心離六橫島距離約11km。風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量為252MW，布置63臺(tái)上海電氣4MW風(fēng)電機(jī)組。

1.2 工程海域特點(diǎn)

對(duì)于海上風(fēng)機(jī)安裝來說，海域的風(fēng)、浪、潮流、地質(zhì)等是影響最大的自然因素。本工程風(fēng)場(chǎng)海域的自然條件有如下特征：（1）風(fēng)況。工程海域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，風(fēng)的變化具有明顯的季節(jié)特征：全年呈現(xiàn)偏北向（NW～NE）和偏南向（SE～SW）兩個(gè)常、強(qiáng)風(fēng)向。（2）波浪。工程海域?yàn)l臨東海，為我國(guó)沿海的大浪區(qū)，所在海區(qū)波浪具有外海波浪屬性。夏季小浪級(jí)、長(zhǎng)周期波浪發(fā)生率高，并有超巨浪級(jí)波浪出現(xiàn)，波況與其它三季相比有較大區(qū)別。（3）潮流。本風(fēng)電場(chǎng)區(qū)離岸距離較遠(yuǎn)，所處海域開闊，且潮流具有較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)性。另外，涌浪等影響船只穩(wěn)定性能的海洋要素在本工程海域出現(xiàn)頻繁，對(duì)工程施工有較大影響。（4）地質(zhì)條件。工程場(chǎng)區(qū)地形較為平緩，坡度較小。場(chǎng)區(qū)上部分部有厚度較大的淤泥質(zhì)軟土。

綜上所述，本工程海域呈現(xiàn)出風(fēng)況頻繁、長(zhǎng)波海浪、旋轉(zhuǎn)潮流及表層淤泥質(zhì)軟土較厚等特點(diǎn)，這些因素都將對(duì)海上風(fēng)機(jī)安裝帶來不同程度的影響。如何針對(duì)特殊的自然環(huán)境，選擇合適的安裝方式并加以實(shí)現(xiàn)，是本工程項(xiàng)目建設(shè)的關(guān)鍵之一。

2 風(fēng)機(jī)安裝方案的選擇

目前，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)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(duì)本工程項(xiàng)目的客觀條件和各種因素，對(duì)2種方案進(jìn)行分析比較。

（1）根據(jù)本工程項(xiàng)目水文地質(zhì)資料，工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)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(zhì)黏土厚度達(dá)8m～39m），若采用分體安裝，為達(dá)到樁腿的承載力要求，要求平臺(tái)樁腿入泥深度較大。針對(duì)本工程試樁機(jī)位進(jìn)行初步計(jì)算，作業(yè)平臺(tái)的樁腿入泥深度為36．4m，水深為14m，樁腿總長(zhǎng)需要達(dá)到75m以上。通過以上分析，要求自升式起重平臺(tái)樁腿長(zhǎng)度較長(zhǎng)，樁腿入泥深度越深，拔出的難度和風(fēng)險(xiǎn)越大。雖然2017年以來國(guó)內(nèi)先后有作業(yè)水深在40m以上的龍?jiān)凑袢A3號(hào)、福船三峽號(hào)等下水，但均未實(shí)際投用，而且國(guó)內(nèi)外至今尚未有在類似海域用自升式起重平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝的案例。

（2）本工程海域波浪具有外海波浪屬性，長(zhǎng)周期波浪的發(fā)生率較高，且海域潮流具有較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)性，對(duì)船舶的穩(wěn)定性影響較大，對(duì)平臺(tái)船插拔腿也會(huì)造成影響，進(jìn)而會(huì)影響海上施工工效。

（3）結(jié)合風(fēng)機(jī)廠家安裝手冊(cè)的規(guī)定，對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備吊裝風(fēng)速的要求，我們對(duì)本工程2017年全年施工情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和比較，見下表1。

通過對(duì)比可知，分體安裝的海上有效作業(yè)天數(shù)少于整體安裝。

綜上所述，風(fēng)電機(jī)海上整體安裝方案在該海域具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將大量的本來要在風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)惡劣海洋環(huán)境下進(jìn)行的工作（包括電氣安裝、靜態(tài)調(diào)試等）在陸域組裝基地完成，組織風(fēng)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化組裝作業(yè)，有利于降低作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)、保障風(fēng)電機(jī)組組裝質(zhì)量、提高組裝工作效率。

表1 2017年本工程海域風(fēng)況統(tǒng)計(jì)

因此，本工程采用風(fēng)電機(jī)海上整體安裝方案。

3 技術(shù)方案介紹

國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)海上整體安裝技術(shù)發(fā)展到目前已十分成熟。東海、響水等多個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目均成功實(shí)施了海上整體安裝方案。本文對(duì)整體安裝技術(shù)方案僅作簡(jiǎn)要介紹。

3.1 總體工藝流程

風(fēng)電機(jī)海上整體安裝總體工藝流程：

吊裝準(zhǔn)備→起吊→吊裝就位→導(dǎo)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(yàn)收。

3.2 主要工序施工工藝

（1）風(fēng)電機(jī)安裝導(dǎo)向工序。起重船吊著整套風(fēng)電機(jī)及上部吊架系統(tǒng)緩緩下降，通過剛性粗導(dǎo)向?qū)χ袡n板的約束，達(dá)到風(fēng)電機(jī)塔筒中心與承臺(tái)中心的初步對(duì)中。

（2）風(fēng)電機(jī)安裝緩沖工序。風(fēng)電機(jī)及上部吊架系統(tǒng)沿導(dǎo)向裝置慢慢下降，頂升油缸伸出，緩沖油缸逐件壓在相對(duì)應(yīng)的緩沖承載平臺(tái)上。隨著風(fēng)電機(jī)繼續(xù)下降，緩沖油缸緩沖行程結(jié)束后，風(fēng)電機(jī)重量由頂升油缸承載，完成風(fēng)電機(jī)安裝軟著陸。

（3）風(fēng)電機(jī)安裝精定位工序。當(dāng)緩沖油缸緩沖行程結(jié)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(tǒng)開始工作，通過誤差識(shí)別反饋系統(tǒng)的反饋信號(hào)，經(jīng)電腦計(jì)算，發(fā)出一系列指令，控制下部就位系統(tǒng)上的縱向位置，調(diào)整裝置和切向位置，調(diào)整裝置動(dòng)作，達(dá)到風(fēng)電機(jī)的精確定位。定位結(jié)束后，穿上風(fēng)電機(jī)底部?jī)?nèi)法蘭與連接塔筒上部?jī)?nèi)法蘭螺栓并按要求緊固。

4 復(fù)雜海況下海上風(fēng)機(jī)的安裝技術(shù)

4.1 總體思路

本工程風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)涌浪條件復(fù)雜，對(duì)項(xiàng)目前期施工情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，由于潮流具有較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)性，加上起重船和運(yùn)輸駁的升沉不同步，造成掛鉤困難，制約了海上整體吊裝。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)涌浪較大造成掛鉤困難，而其他條件滿足吊裝要求時(shí)（起重船橫搖角度小于2°，升沉1m以內(nèi)），選擇在離岸較近的海域或者有遮蔽的海域，由起重船將風(fēng)機(jī)從運(yùn)輸駁上起吊，然后移位至風(fēng)機(jī)機(jī)位進(jìn)行吊裝就位。

該技術(shù)方案可有效減少涌浪對(duì)掛鉤的影響，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)運(yùn)輸至起吊海域→起重船和風(fēng)機(jī)運(yùn)輸駁就位→起吊→起重船移位至風(fēng)機(jī)機(jī)位→吊裝就位。

4.3 主要工序施工工藝

（1）船舶就位。對(duì)風(fēng)場(chǎng)及周邊海域的觀測(cè)和分析，結(jié)合前一階段施工經(jīng)驗(yàn)，選擇在風(fēng)場(chǎng)北側(cè)的大蚊蟲島的西北側(cè)海域進(jìn)行風(fēng)機(jī)起吊作業(yè)（圖1）。

（2）起重船先于運(yùn)輸駁就位。起重船縱軸線與主流向一致，先拋下受潮流及風(fēng)一側(cè)的錨，以便有效控制船舶。待船舶穩(wěn)定以后，按一定的順序進(jìn)行拋錨。風(fēng)機(jī)運(yùn)輸駁與起重船站位方向一致，運(yùn)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(yè)，使兩艘船距離控制在10m左右。

圖1 風(fēng)機(jī)起吊時(shí)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(jié)點(diǎn)和風(fēng)電機(jī)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(dá)到約200t），吊鉤停止提升。拆除風(fēng)機(jī)下塔筒與運(yùn)輸駁上工裝基礎(chǔ)連接的螺栓，并插入4個(gè)導(dǎo)向銷。

起重船再次緩慢起升吊鉤，起重量接近吊裝重量時(shí)，收緊全船錨纜，使起重船穩(wěn)定定位，觀察并調(diào)整起重船船位和臂架，保持風(fēng)機(jī)重心與吊鉤垂直。

起重船繼續(xù)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(wěn)后移50～100m。起重船平穩(wěn)且退一定位置后，運(yùn)輸駁迅速撤離。

（4）起重船移位。起重船吊著風(fēng)機(jī)航行移船至安裝位置。

起重船本身可提供前行的動(dòng)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(shí)也可以作為臨時(shí)應(yīng)急備用的拋錨艇。

起重船航行和進(jìn)點(diǎn)過程中，應(yīng)密切關(guān)注起重船和風(fēng)機(jī)搖擺的幅度，及時(shí)調(diào)整纜風(fēng)繩錨機(jī)，確保航行和進(jìn)點(diǎn)時(shí)風(fēng)機(jī)基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。

（5）起重船進(jìn)點(diǎn)。起重船進(jìn)點(diǎn)時(shí)，先拋下受潮流及風(fēng)一側(cè)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(shí)起重船的朝向?yàn)槲鞅狈较颍鹬卮咏L(fēng)機(jī)安裝機(jī)位后，先拋下南側(cè)的錨。利用錨纜的作用力，調(diào)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(wěn)定（圖2）。

圖2 風(fēng)機(jī)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(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)海上風(fēng)電項(xiàng)目的不斷建設(shè)和發(fā)展，各個(gè)風(fēng)場(chǎng)的施工條件呈現(xiàn)出多樣化和復(fù)雜化的特點(diǎn)。在進(jìn)行施工方案選擇和工藝布置時(shí)，需要有更強(qiáng)的針對(duì)性和適應(yīng)性。起重船負(fù)載風(fēng)機(jī)后運(yùn)輸至機(jī)位進(jìn)行吊裝的方案很好地規(guī)避了海床軟弱土層較厚的影響，又克服了長(zhǎng)波海浪、復(fù)雜潮流對(duì)風(fēng)機(jī)吊裝船的影響，體現(xiàn)了該方案在特殊海域特有的優(yōu)勢(shì)和適應(yīng)性，極大地拓寬了海上風(fēng)機(jī)的整體安裝技術(shù)思路。