不同基礎(chǔ)的海上風(fēng)機(jī)整體安裝精定位技術(shù)應(yīng)用

楊超，劉玉霞

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

0 引言

海上風(fēng)電機(jī)組主要安裝技術(shù)為分體安裝[1]與整體安裝[2]。相比分體安裝技術(shù)，目前整體式安裝技術(shù)海上拼裝時(shí)間短，受海上施工窗口期短影響較小，具有施工安全、效率高等特點(diǎn)。我國(guó)自東海大橋海上風(fēng)電示范項(xiàng)目首次使用整體式安裝技術(shù)以來(lái)，風(fēng)機(jī)整體安裝技術(shù)先后在東海大橋二期、三峽響水海上風(fēng)電場(chǎng)、珠海桂山海上風(fēng)電場(chǎng)示范項(xiàng)目等風(fēng)電場(chǎng)使用，安裝數(shù)量已居世界首位[3]。

目前國(guó)內(nèi)已建成的海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)形式主要為高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)和單樁結(jié)構(gòu)[4-5]。海上風(fēng)機(jī)整體安裝施工分為風(fēng)機(jī)的海上運(yùn)輸、起吊、安裝、拆除4個(gè)過(guò)程，其中安裝過(guò)程依次是粗導(dǎo)向、緩沖、同步升降、精定位對(duì)中、法蘭連接[6]。風(fēng)機(jī)整體安裝專用設(shè)備的下部就位系統(tǒng)通過(guò)同步頂升降裝置無(wú)碰撞承接風(fēng)機(jī)整機(jī)以后，基礎(chǔ)承臺(tái)塔筒法蘭螺栓孔不一定和風(fēng)機(jī)下塔筒法蘭螺栓孔吻合[7]，需要依靠精定位系統(tǒng)，拖動(dòng)上部吊架系統(tǒng)平面移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上下法蘭的精確對(duì)中。不同的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，精定位技術(shù)在應(yīng)用中也不盡相同，因此，有必要根據(jù)現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)整體安裝施工情況，進(jìn)行歸納總結(jié)，為后續(xù)海上風(fēng)機(jī)整體安裝技術(shù)的推廣使用提供便利。

1 精定位技術(shù)原理與系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 技術(shù)原理

精定位技術(shù)是通過(guò)徑向油缸與切向油缸共同拖動(dòng)風(fēng)機(jī)法蘭運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。圖1中C、D處為精定位銷軸套筒，在風(fēng)機(jī)整體緩沖下落完成后，精定位銷軸落入精定位銷軸套筒中，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)法蘭與基礎(chǔ)法蘭的初步對(duì)中；通過(guò)圖1中的液壓缸1至液壓缸4的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)塔筒底座在安裝平面內(nèi)的x方向平移、y方向旋轉(zhuǎn)，即風(fēng)機(jī)塔筒底座螺栓孔與基礎(chǔ)法蘭螺栓孔精確定位[8]。

圖1 精定位技術(shù)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of fine positioning technology

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

精定位系統(tǒng)由精定位裝置、液壓系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成。

精定位裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，每套裝置由安裝法蘭、精定位銷軸套筒、一個(gè)徑向液壓缸及一個(gè)切向液壓缸組成。安裝法蘭用于將精定位裝置固定安裝在上部吊架系統(tǒng)或下部就位系統(tǒng)上，具體以實(shí)際設(shè)計(jì)情況確定；銷軸套筒套在精定位銷軸上，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)法蘭的初步定位；徑向液壓缸用來(lái)調(diào)整風(fēng)機(jī)的左右位移，切向液壓缸用來(lái)調(diào)整風(fēng)機(jī)的前后位移和旋轉(zhuǎn)角度，徑向和切向液壓缸均可繞各自鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)6毅，徑向液壓缸與切向液壓缸運(yùn)動(dòng)最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)法蘭的精確定位[9]。

精定位系統(tǒng)與同步升降液壓系統(tǒng)共用泵站，2套不同的電機(jī)和泵分別用來(lái)給精定位和同步升降供油。精定位液壓系統(tǒng)能完成液壓缸鎖緊和浮動(dòng)功能。

精定位中，視頻監(jiān)控系統(tǒng)反饋的誤差信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算后，計(jì)算機(jī)端發(fā)出控制信號(hào)，控制一對(duì)精定位裝置上的2組縱向油缸和2組切向油缸動(dòng)作，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)塔筒底座沿x方向平移、y方向順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)微調(diào)，達(dá)到風(fēng)機(jī)的精確定位。

圖2 精定位自動(dòng)對(duì)中裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of fine positioning automatic centering precision

圖3 精定位銷軸套筒與精定位銷軸裝配示意圖Fig.3 Assembly diagram of precision device positioning pin sleeve and positioning pin shaft

2 不同樁基的海上風(fēng)機(jī)整體安裝精定位技術(shù)

2.1 高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的精定位

高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的上平臺(tái)由混凝土澆筑而成，平臺(tái)形狀類似于圓柱體，平臺(tái)上底面所占平面空間較大，便于為用于海上風(fēng)機(jī)整體安裝的大型工裝（軟著陸系統(tǒng)的下部就位）提供更多的支撐點(diǎn)及較大面積的支撐面。用于整體安裝的精定位系統(tǒng)中的一對(duì)精定位裝置都布置在下部就位上（圖4），精定位銷軸固定在與風(fēng)機(jī)塔筒相固定的上部吊架上。當(dāng)風(fēng)機(jī)塔筒法蘭面與樁基法蘭面相距200 mm時(shí)，按精定位技術(shù)原理開(kāi)始操作，讓精定位裝置、精定位銷軸以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)相互協(xié)同完成風(fēng)機(jī)塔筒底座法蘭面和基礎(chǔ)法蘭面螺栓孔對(duì)中。

圖4 基于高樁承臺(tái)基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)整體安裝精定位系統(tǒng)精定位裝置布置Fig.4 Layout of fine positioning device for integral installation of offshore wind turbine based on high pile cap foundation

2.2 導(dǎo)管架基礎(chǔ)的精定位

導(dǎo)管架基樁基礎(chǔ)不像高樁承臺(tái)基礎(chǔ)可為用于整體安裝的工裝結(jié)構(gòu)提供較大的支撐面，但導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在用于固定風(fēng)機(jī)的基樁法蘭面下方周圍有相對(duì)較多焊接牢固、承載能力較強(qiáng)的支架，下部就位系統(tǒng)放置和固定在導(dǎo)管架基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)需根據(jù)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)作改動(dòng)，現(xiàn)有技術(shù)導(dǎo)管架下部就位系統(tǒng)與導(dǎo)管架基礎(chǔ)上的支架成抽屜式配合，便可以為整體安裝的工裝提供放置支撐點(diǎn)。精定位系統(tǒng)中的一對(duì)精定位裝置布置在下部就位上（如圖5），精定位銷軸固定在上部吊架上，靠下部就位上的精定位裝置提供的支反力推動(dòng)上部吊架，從而帶動(dòng)風(fēng)機(jī)整體圍繞著樁基在其周向或直徑方向微微調(diào)整。當(dāng)精定位銷軸順利插入精定位系統(tǒng)中的一對(duì)精定位裝置的精定位銷軸套筒時(shí)，按照精定位技術(shù)原理操作便可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)塔筒底座法蘭面與基樁法蘭面螺栓孔對(duì)中。

圖5 基于導(dǎo)管架基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)整體安裝中精定位系統(tǒng)的精定位裝置布置Fig.5 Layout of fine positioning device for integral installation of offshore wind turbine based on jacket foundation

2.3 單樁基礎(chǔ)的精定位

單樁基礎(chǔ)既不像高樁承臺(tái)基礎(chǔ)有較大上底面積的平臺(tái)，又不像導(dǎo)管架基礎(chǔ)四周有支撐架，所以用于高樁承臺(tái)基礎(chǔ)和導(dǎo)管基風(fēng)機(jī)整體安裝的下部就位工裝很難在單樁基礎(chǔ)上找到受力支撐點(diǎn)。于是單樁整體安裝中通過(guò)增設(shè)牛腿、外掛件的方式給下部就位工裝提供受力支撐位置，同時(shí)下部就位被改成了分體式結(jié)構(gòu)便于安裝前后拆裝。國(guó)華東臺(tái)海上風(fēng)電四期項(xiàng)目工程中14號(hào)機(jī)位海上風(fēng)機(jī)整體安裝中根據(jù)改進(jìn)后的下部就位工裝結(jié)構(gòu)把精定位系統(tǒng)的一對(duì)精定位裝置安裝固定在上部吊架上（如圖6所示），精定位銷軸固定在下部就位上。風(fēng)機(jī)塔筒底座法蘭面螺栓孔和單樁基礎(chǔ)法蘭面螺栓孔需要對(duì)中時(shí)，按照精定位系統(tǒng)技術(shù)原理操作，當(dāng)一對(duì)精定位裝置的精定位銷軸套筒插入精定位銷軸后，作用在精定位銷軸套筒上的支反力推動(dòng)整個(gè)風(fēng)機(jī)圍繞著樁基直徑方向或圓周向移動(dòng)，直到上下法蘭螺栓孔對(duì)中。

圖6 基于單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)整體安裝中精定位系統(tǒng)的精定位裝置布置Fig.6 Layout of fine positioning device for the integral installation of offshore wind turbine based on a single pile foundation

3 不同基礎(chǔ)的海上風(fēng)機(jī)整體安裝精定位系統(tǒng)的應(yīng)用情況

目前國(guó)內(nèi)200多臺(tái)海上風(fēng)機(jī)整體安裝中都應(yīng)用精定位技術(shù)。精定位技術(shù)在高樁承臺(tái)基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)整體安裝中應(yīng)用最早、數(shù)量最多、適用單機(jī)容量最大達(dá)5 MW；珠海桂山海上風(fēng)電場(chǎng)示范項(xiàng)目中31臺(tái)導(dǎo)管架式基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)整體安裝中全部成功應(yīng)用了精定位技術(shù)；精定位技術(shù)助力國(guó)華東臺(tái)海上風(fēng)電四期中1臺(tái)單樁式基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)整體安裝取得圓滿成功。如表1、表2所示。

表1不同基礎(chǔ)的海上風(fēng)機(jī)整體安裝精定位系統(tǒng)的應(yīng)用情況Table1 Applicationofthefine positioningsystemfor the integralinstallationofoffshorewindturbine withdifferent foundations

表2 各基礎(chǔ)精定位技術(shù)的對(duì)比分析Table 2 Comparative analysis of fine positioning techniques for each foundation

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹精定位技術(shù)在不同樁基基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)整體安裝中的應(yīng)用原理、方式及情況。精定位技術(shù)在海上風(fēng)機(jī)整體安裝中應(yīng)用可縮短安裝時(shí)間、提高安裝效率，可降低風(fēng)機(jī)、安裝設(shè)備及工作人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)該精定位技術(shù)適用性廣，雖然目前海上風(fēng)機(jī)整體安裝中有不同的3種樁基結(jié)構(gòu)形式，但通過(guò)改變定位機(jī)構(gòu)的布置位置后相同的精定位技術(shù)原理、精定位裝置結(jié)構(gòu)依然可以得到成功應(yīng)用，可為今后海上風(fēng)機(jī)整體安裝中精定位工藝提供參考。