大型海上風(fēng)電機(jī)組水平單葉式吊裝技術(shù)分析

文 | 李紅峰，沈星星，張竹，王九華，程偉

海上風(fēng)電場開發(fā)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在海上進(jìn)行機(jī)組吊裝，不僅技術(shù)要求高，同時還受氣候、天氣、波浪等因素的制約，海上施工方案的設(shè)計和作業(yè)中任何的失誤都可能造成工期的延誤。此外，隨著陸上風(fēng)電平價時代的到來，海上風(fēng)電也面臨降本的壓力，因此，選擇能夠減少海上作業(yè)時間、縮短工期的吊裝方法對于海上風(fēng)電場建設(shè)至關(guān)重要。

傳統(tǒng)大兆瓦機(jī)組葉輪的三葉式吊裝，主要存在兩個問題：（1）葉輪自身拼裝問題。隨著機(jī)組的大型化、單機(jī)容量的提升，機(jī)組風(fēng)輪直徑也越來越大，從2.5MW、3MW的109m、121m，再到6MW的154m、171m、184m及以上，若采用傳統(tǒng)的吊裝方法，市場上很難找到甲板空間能夠滿足大兆瓦機(jī)組葉輪拼裝要求的安裝船舶。（2）作業(yè)時間窗口問題。葉輪的平均吊裝時間為8個小時，大兆瓦機(jī)組葉輪的三葉式吊裝，對風(fēng)速的要求較高，在高于8m/s平均風(fēng)速條件下，難以進(jìn)行吊裝。而在廣東、福建海域很難有平均風(fēng)速低于8m/s且連續(xù)時間為8小時的作業(yè)時間窗口，這在很大程度上影響整個機(jī)組的吊裝進(jìn)度，帶來的是風(fēng)電場建設(shè)竣工時間的延遲和吊裝成本的增加。

因此，開發(fā)新型海上風(fēng)電機(jī)組吊裝技術(shù)成為海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的迫切需求。本文主要分析水平單葉式吊裝技術(shù)的優(yōu)勢，介紹水平單葉式技術(shù)方案和相關(guān)技術(shù)設(shè)備，并簡要分享其應(yīng)用情況。

水平單葉式吊裝的優(yōu)勢

水平單葉式吊裝技術(shù)是一項(xiàng)綜合考慮海上環(huán)境、裝備條件、機(jī)組特點(diǎn)、風(fēng)電場開發(fā)成本及施工安全性等各方面因素的先進(jìn)吊裝技術(shù)。使用該吊裝技術(shù)可以打破以往8～10m/s海上機(jī)組吊裝作業(yè)條件的限制，配合先進(jìn)的攬風(fēng)設(shè)備，可使海上尤其是高風(fēng)速海域風(fēng)電場的建設(shè)窗口期至少延長15%，實(shí)現(xiàn)16～18m/s陣風(fēng)條件下機(jī)組的穩(wěn)定吊裝，極大幅度提升項(xiàng)目施工效率，也可提前實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電，獲取可觀的發(fā)電收益。同時，水平單葉式吊裝技術(shù)把直徑達(dá)154m甚至184m的超大風(fēng)輪化整為零，通過單支葉片的依次吊裝可使對施工船舶甲板的需求面積至少降低40%，降低超大葉輪對吊車運(yùn)動幅度的需求，降低葉輪在翻身及回轉(zhuǎn)過程中的碰撞風(fēng)險，為海上風(fēng)電場安全施工提供有力保障。

水平單葉式吊裝采用單葉式吊具從船舶甲板上將葉片夾持到空中并與變槳軸承對接，實(shí)現(xiàn)葉片的吊裝。該方式對吊裝船舶的甲板空間要求較小，只要滿足單支葉片的存儲即可。

另外，水平單葉式吊裝受天氣因素影響較小。如圖1－圖3所示，以福建某項(xiàng)目為例，考慮每月降雨、雷電、大霧天氣占比為20%，7－9月還存在熱帶氣旋天氣，其占比為10%，單葉式吊裝可以在平均風(fēng)速不超過12m/s的條件下進(jìn)行葉片安裝。與三葉式吊裝相比，水平單葉式作業(yè)窗口期長，可以保證施工進(jìn)度，在有限的時間內(nèi)最大限度利用吊裝船舶資源。水平單葉式吊裝方法以及吊具開發(fā)對于機(jī)組葉片的維護(hù)和更換也有著重要作用，如海上風(fēng)電場機(jī)組葉片損壞需要更換時，不必像傳統(tǒng)吊裝方法那樣將整個葉輪吊下來，而只需要租用相對較小的吊裝船，這樣在很大程度上可以降低運(yùn)維成本。

水平單葉式吊裝技術(shù)方案

圖1 全年可作業(yè)窗口分析

圖2 兩種吊裝方式的各月有效作業(yè)天數(shù)對比

采用水平單葉式吊裝技術(shù)時，機(jī)艙、發(fā)電機(jī)、輪轂以及底段塔筒電氣柜體在工廠內(nèi)完成預(yù)拼裝、預(yù)接線和調(diào)試，變海上作業(yè)為陸上作業(yè)，變現(xiàn)場作業(yè)為工廠作業(yè)，最大程度減少海上施工需求，在海上可直接實(shí)現(xiàn)分節(jié)塔筒、“機(jī)艙+發(fā)電機(jī)+輪轂”組合體的一體化吊裝，既保證了海上高效作業(yè)，又保障了吊裝質(zhì)量。在葉片吊裝過程中，單葉式吊具起吊葉片至輪轂高度，攬風(fēng)系統(tǒng)與單葉式吊具連接控制葉片在空中的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)葉片與變槳軸承的水平對接。吊裝好一支葉片后，盤車工裝將下一個變槳軸承轉(zhuǎn)至同一水平位置，以同樣的方式吊裝第二支、第三支葉片。通過這種方式，一方面，可以減少葉片在空中所受的迎風(fēng)面積大小，保證葉片吊裝更穩(wěn)定；另一方面，對單葉式吊具的性能要求低，減少單葉式工裝的開發(fā)成本，降低葉片吊裝風(fēng)險。

圖3 兩種吊裝方式的各月可吊裝臺數(shù)對比

圖4 福建某海上項(xiàng)目

水平單葉式吊裝技術(shù)設(shè)備

水平單葉式吊裝技術(shù)要實(shí)現(xiàn)機(jī)艙、發(fā)電機(jī)和輪轂的可組合拼裝，海上運(yùn)輸及吊裝，塔筒內(nèi)所有電纜完成出廠吊裝，需開發(fā)對應(yīng)的設(shè)備，可見表1。其中的關(guān)鍵設(shè)備為盤車工裝、單葉式吊具和攬風(fēng)系統(tǒng)。

一、盤車工裝

盤車工裝主要由多個驅(qū)動單元以及氣隙保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成。每個驅(qū)動單元主要包括主驅(qū)動油缸和輔助動作油缸。主驅(qū)動油缸一端固定在固定基座上（基座與機(jī)組底座連接），另一端使用盤車銷插入發(fā)電機(jī)端蓋中實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)及葉輪受控轉(zhuǎn)動。為了避免液壓缸盤車驅(qū)動過程中由于發(fā)電機(jī)端蓋受力而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變形過大，盤車工裝中需要集成一套發(fā)電機(jī)氣隙保護(hù)結(jié)構(gòu)。在盤車動作執(zhí)行過程中，每次油缸運(yùn)動驅(qū)動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，通過油缸往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)葉片安裝過程中的機(jī)組盤車動作。根據(jù)功能需要，盤車工裝可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)順時針以及逆時針轉(zhuǎn)動。

表1 開發(fā)設(shè)備概覽

二、單葉式吊具

單葉式吊具夾塊能夠夾持葉片且保證葉片不被損壞，夾塊上具有壓力傳感器，可以實(shí)時觀察夾持壓力，保證夾塊所施加的最大夾持壓力在葉片表面的承載能力之內(nèi)。吊具具有一定的傾斜角調(diào)節(jié)余量，可以使被安裝的葉片在高空中始終保持水平。該工裝具備緊急釋放系統(tǒng)功能，當(dāng)單葉式吊具出現(xiàn)故障時，通過操作該緊急釋放系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)葉片的隨時脫離，保護(hù)葉片和單葉式吊具本體不被損壞。吊具上夾塊和下底托能夠適用于不同類型的葉片，可以與不同葉片翼型表面完全貼合。

三、攬風(fēng)系統(tǒng)

攬風(fēng)系統(tǒng)的攬風(fēng)繩絞盤是整個攬風(fēng)系統(tǒng)的動力源，給整個系統(tǒng)提供攬風(fēng)拉力。每個攬風(fēng)繩上的張緊力能夠在設(shè)計工況下控制單葉式吊具在水平方向上的位置。攬風(fēng)系統(tǒng)具有力傳感器，可以主動補(bǔ)償風(fēng)載，自動調(diào)節(jié)單葉式吊具在空中的位置，保持單葉式吊具和葉片水平。該設(shè)備既可以使用無線遙控，也可以使用有線連接進(jìn)行操作。無線遙控面板上有不同的控制模式，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況進(jìn)行選擇。

應(yīng)用案例

水平單葉式吊裝技術(shù)已經(jīng)在中國沿海海域多個海上風(fēng)電場進(jìn)行了應(yīng)用，圖4所示為其在福建海域的應(yīng)用案例。在樣機(jī)安裝時，福建某風(fēng)電場風(fēng)能資源豐富，平均風(fēng)速達(dá)到10m/s，雖然是建設(shè)風(fēng)電場的優(yōu)質(zhì)選擇地，但從不停歇的風(fēng)也給工程師帶來巨大挑戰(zhàn)—海上作業(yè)平臺空間小、不確定因素多、吊裝窗口期緊張。為此，工程師采用海上機(jī)組一體化運(yùn)輸及水平單葉式吊裝技術(shù)方案。除葉片外，其他部件都在陸地完成拼裝、接線和調(diào)試，運(yùn)抵海上作業(yè)平臺后進(jìn)行一體化吊裝。吊裝時，通過攬風(fēng)系統(tǒng)的自動控制調(diào)整，順利完成葉片對接。經(jīng)過連續(xù)十幾個小時的海上作業(yè)，即便吊裝期間平均風(fēng)速達(dá)13.7m/s，陣風(fēng)風(fēng)速一度強(qiáng)達(dá)17m/s，吊裝過程仍然平穩(wěn)可控，最終完成三支葉片的精準(zhǔn)安裝，對接精度控制在1cm內(nèi)。

總結(jié)

水平單葉式吊裝技術(shù)的開發(fā)，可以進(jìn)一步完善海上機(jī)組的吊裝形式，使海上機(jī)組具備吊裝多樣性。該吊裝技術(shù)順應(yīng)了海上大兆瓦機(jī)組的發(fā)展趨勢，避免葉輪三葉式吊裝中的制約因素，減少海上作業(yè)時間，降低海上風(fēng)電場建設(shè)成本。