一種120 t海上風電工程起重機方案

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，我國風力資源儲量豐富，特別是近海，據中國氣象科學研究院統計評估，我國可開發的近海風能資源儲量約為750 GW，為陸地可開發的3倍。同時，沿海地區又是我國工業發展最快、人口高度聚居地，是最大求電力需求用戶。

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。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]。

專業的海上風電安裝平臺（船）是海上風電設備安裝、維護的重要裝備，海上風電平臺一般配置一大、一小2種起重機，大型起重機作為主吊，用于起吊打樁設備、整機風電設備安裝;小型起重機作為平臺輔吊，主要作為部件起吊、小件物料搬運等[2-5,8]。

1 概述

120 t海上風電工程起重機是安裝在國內一海上風電平臺上的輔吊，主要用于海上風電設備的輔助吊裝作業，按用戶最終認可，選定了基座連接、桁架式吊臂、鋼絲繩變幅的方案，方案總圖見圖1。

120 t海上風電工程起重機按中國船級社《船舶與海上設施起重設備規范》（2007版）要求設計，入級中國船級社。起重機主鉤起吊能力達到120 t，最大工作半徑43 m，滿載時最大速度可以達到8 m/min，主要用于發電設備部件的起吊、安裝及維護；為提高小件起吊的效率，設有1個10 t的輔鉤，輔鉤起升速度達到30 m/min。吊鉤在不同工作半徑有不同的最大起重量，如圖2[7-9]所示。

圖1 120 t海上風電平臺起重機圖

1）起重機各主要機構的工作級別,結合《起重機設計規范》及用戶實際使用工況，120 t海上風電工程起重機各主要機構的工作級別內容確定見表1[12-13];2）主要技術參數（如表2）。

2 主要結構介紹

2.1 主要結構組成

圖2 負載曲線圖

表1 工況級別內容

表2 起重機的主要技術參數表

本方案設備主要結構由底座、回轉平臺、三角架、吊臂等4大部分組成。底座為圓筒形的結構件，是起重機和風電平臺（船）甲板的連接部分；回轉平臺為板梁結構，動力泵組、機房、回轉機構、起升機構、變幅機構、吊臂及司機操縱室等均布置在回轉平臺上，是連接底座和三角架、吊臂的部件；三角架由前后撐桿組成，通過前后撐桿與回轉平臺鉸接；吊臂由主臂和副臂組成，分為多節，外形為桁架式結構。各結構在設備組成位置見圖1[7-12]。

2.2 主要結構設計原則

1）滿足安全性設計原則。底座、回轉平臺、三角架和吊臂4大部件是本設備的主要受力部件，所有起重機作業、運動、風力、傾斜、沖擊等動作均由4大部件承受，安全性首先是幾大部件設計考慮的首要要素。為保證設計的安全性，在考慮設備載荷時，我們按規范要求的最不利的工況二進行受力計算，在本設備中，底座承受的最大力矩達到了5500 t·m，這是所有工況分析計算的最大受力數據。按此受力數據分析結構部件的許用應力，均符合規范的要求。

2）輕量化設計原則。目標設備安裝在自升式海洋平臺上，平臺的設計對設備的自重控制有上限要求。為達到平臺的要求，在滿足強度、剛度的安全性前提下，并兼顧考慮經濟性，設備的主要板材采用了高強度及超高強度海洋結構鋼DH36、DH460，鋼管采用了Q460-D結構鋼管，有效控制了自重。

3）適合海洋環境設計原則。目標設備安裝在自升式海洋平臺上，設備表面的防腐、海洋作業間的維修、維護要求必須加以考慮。在本設備中，所有材料均選用符合船舶及海洋行業的材料，所有機構部件表面均進行符合用戶要求的表面處理，所有管件均進行密封處理，運動部件的潤滑采用集中潤滑方式。

4）模塊化設計原則。各結構部件在設計時充分考慮強度、剛度、穩定性及便于制造和維修的要求，并適當考慮運輸方便和易于安裝的方便性，各結構部件盡可能采用模塊化進行設計、制造，以縮短制造的時間，方便設備的安裝，提高工藝的效率。

3 主要執行系統介紹

3.1 主要執行系統組成

目標設備的起吊動作、吊臂俯仰動作和回轉動作分別由起升系統、變幅系統和回轉系統完成[7-15]。

3.2 起升系統

本設備的起升系統分別有主鉤起升系統及輔鉤起升系統組成，每個起升系統由起升絞車、鋼絲繩、滑輪、滑車、吊鉤、平衡閥、液壓管件、液壓接頭、液壓動力泵站等組成。

起升絞車由卷筒、支架、行星減速齒輪箱和液壓馬達組成，減速箱采用內藏方式，安裝于卷筒內部，減少了安裝占用空間及自重；液壓馬達安裝于減速箱外，通過驅動卷筒纏繞鋼絲繩，進行吊鉤作業。

卷筒表面采用了螺旋槽加工方式，確保鋼絲繩排列整齊，保護并提高鋼絲繩壽命。

起升減速箱采用常閉式制動器。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。起升系統分別設有高度行程限位裝置，重物在到達極限行程位置時自動停止。起升系統設有起升載荷限制器，誤差小于5額定載荷。正常作業時載荷達90額定載荷時聲光警示，載荷達110額定載荷時聲光報警并自動進入只降不升狀態。

3.3 變幅系統

本設備共有1套變幅系統。變幅系統由變幅絞車、鋼絲繩、滑輪、滑車、吊鉤、平衡閥、液壓管件、液壓接頭、液壓動力泵站等組成。

變幅絞車與起升絞車一樣，由卷筒、支架、行星減速齒輪箱和液壓馬達組成。每套變幅絞車由液壓馬達通過內藏式行星減速箱驅動卷筒，再由鋼絲繩纏繞牽引臂架進行變幅作業。卷筒也采用了螺旋槽加工方式。變幅系統在卷筒一端設有棘輪、棘爪保護裝置，保證吊臂的安全。變幅系統設有機械角度顯示器和數字顯示角度指示，數字顯示在司機室能使駕駛員清晰看見。機械角度顯示器精度1°，數顯角度指示器精度0.1°。并安裝有上極限角度限制器。

3.4 回轉系統

回轉系統主要由轉盤支承裝置、回轉齒輪箱、液壓馬達、平衡閥、液壓管件、液壓接頭、液壓動力泵站等組成。回轉系統由液壓泵站輸出動力，驅動液壓馬達轉動，帶動轉盤支承裝置回轉，實現設備的轉動動作。

4 動力

起重機動力系統由電動機、液壓泵、平衡閥、液壓管件、液壓接頭等組成。

本設備配置2套動力泵站提供動力，2套動力泵站互為備用，正常時2套泵站一起提供動力，特殊情況下可單獨使用1套泵站提供動力。

5 液壓控制系統

起重機主要有起升、回轉、變幅三大動作，各動作動力系統均為液壓式，由2套電動機泵組拖動油泵供給動力，分別驅動各系統的液壓馬達。各控制手柄集中在駕駛室內，實行集中控制。

液壓控制系統采用先進、成熟的負載敏感控制技術，靈活、高效、節能，使各速度得到平穩控制。各個動作的操縱由性能優越的手動比例手柄來完成。可實現精確的比例控制及無級調速，以及極快的操作和快速的響應時間，每個操作可從最小到最大速度進行連續控制。

6 電氣系統

起重機的工作電源由船上提供：主電源為380 V/50 Hz/3相，功率約為400 kW；輔電源為220 V/50 Hz/單相，功率約為20 kW；船上提供的380 V/50 Hz/3相主電源，主要用于向動力裝置提供電力；船上提供的220 V/50 Hz輔電源，主要用于空調、照明、維修等。起重機電氣設備的設計和選擇，將考慮到安全可靠性和操作維護檢查的方便。室內電氣設備防護等級IP22，室外電氣設備防護等級IP56。

7 安全系統

起重機的設計將完全按照國家法律、規范及用戶的安全關切要求進行設置，具體有如下設置：防止操縱手柄的誤操作安全設置；主、輔、變幅絞車和回轉機構自動制動裝置設置；所有吊鉤上限位自動停止裝置；吊臂變幅的最小、最大角度限位停止裝置；司機室設有應急緊急停止按鈕；電動機設有短路保護與過熱保護，電源設有相序保護；吊臂滑輪架設置有防鋼絲繩跳出裝置；設有聲光運行警鈴裝置，供司機在工作時提醒地面工作人員的注意；設有風速儀，風速儀設置在司機室能方便看到的地方；設有航空障礙燈及避雷針；在停電等事故時，主鉤、輔鉤起升機構可以通過一套應急機構，利用手動泵把貨物緩慢放回地面；帶報警器和自動實現安全保護及負載指示系統；所有液壓油路中安裝設置有過載保護安全閥；吊臂降落鎖定設置；吊臂防后傾機械限位裝置；油位、油溫安全報警設置；煙霧報警設置。

8 結語

120 t海上風電工程起重機方案設計主要遵循了如下原則，使方案得到用戶的最終認可并接受：1）設計遵循國家相關法律規定、行業規范要求，安全性得到充分考慮；2）充分考慮用戶的關切，在型式上采用新穎實用型式，使整體結構緊湊，布局更合理，技術上采用世界上先進的負載敏感控制技術，提高了使用效率；3）整機遵循標準化、模塊化的設計原則，采用先進、成熟的原理、理論，配置可靠、性價比高的部件，保證設備的先進性、安全性及可靠性；4）主要結構件采用了輕量化的設計原則，降低了自重，減小了外形尺寸，為用戶節省更多占用平臺（船）空間。