海上風電風機安裝施工技術研究

蹇 宏

(中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519000)

1 引言

海上風電具有電量平穩(wěn)、風能密度大的優(yōu)勢[1]，雖然我國風能建設起步較晚，但在政府政策的大力支持下，特別是在“雙碳”目標和以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)戰(zhàn)略下，我國海上風電厚積薄發(fā)，風電場選址由近海向深海發(fā)展，發(fā)電機組也逐步朝著大型化發(fā)展，對風機安裝船舶性能以及施工精度提出了更高的要求[2]。

2 工程概況

華能大連市莊河海上風電場址距大連市莊河35.2 km，水深26～34 m。

本項目安裝6.2 MW風電機組24臺、7.5 MW風電機組26臺和8.0 MW風電機組1臺，總裝機容量351.8 MW。6.2 MW和8.0 MW風機葉輪直徑均為171 m，輪轂中心高度105 m；7.5 MW風機葉輪直徑186 m，輪轂中心高度115 m。

3 風機安裝難點

3.1 葉輪組裝與安裝難度大

7.5 MW機型葉片長度達到91 m，葉輪直徑186 m。根據風機廠商要求，葉片需過駁至平臺船后與輪轂進行組裝，組裝完成后整體吊裝難度大。

3.2 主機單件重量重，起升高度高，吊裝難度大

7.5 MW機型機艙重276 t，吊具重23 t，輪轂中心高度距海平面115 m，起吊高度高，吊裝作業(yè)存在較大的難度。

3.3 成品保護難度大

本工程的主要構件為塔筒、風機機組，所處運行環(huán)境為近海海域。在風機運輸安裝過程中，構件的表面防腐、電氣設備、葉片等均容易磕碰破損[3]。為保證工程質量，成品保護貫穿施工全過程，為本工程質量控制重點。

4 船舶選型

4.1 風電安裝船主要參數

本工程選用鐵建風電01，船舶主要參數見表1。

表1 鐵建風電01船舶主要參數

樁腿與船體尺度、設計環(huán)境條件、作業(yè)水深、可變載荷等參數密切相關，是風電安裝船升降系統(tǒng)能力校核分析的基礎，也是影響作業(yè)安全性的關鍵[4]。風電安裝船舶支撐性能見表2。

表2 風電安裝船舶支撐性能統(tǒng)計

4.2 風電安裝船插拔驗算

以ZK1鉆孔為例，地質情況依據工程地質勘察報告，風電安裝船支腿持力層:

③-1層粉砂:以中密為主，局部稍密，夾有少量粉質黏土，含云母、貝殼碎屑等。側摩阻力34.6～202.9 kPa，靜探錐尖阻力4.13～28.60 MPa，平均為12.00 MPa；標貫錘擊數12～25擊，平均為17.8擊。層頂埋深3.9～17.00 m，層頂標高 -48.3～-31.20 m，層厚為1.00～12.70 m。

該層地質情況較好，選擇該層進行風電船插拔驗算，鐵建風電01插拔樁驗算[5]如下:

(1)單位面積地基極限承載力q0計算

q0＝0.3γ1BNr＋γ2D(Nq-1) ＋γ2V/A

式中，γ1為樁靴計算斷面下B/2范圍內土的平均容重(kN/m3)；γ2為樁靴計算斷面以上泥面土的平均容重(kN/m3)；B為樁靴最大斷面直徑(m)；D為計算斷面至海底泥面的距離(m)；V為樁靴排開地基土的體積(m3)；A為計算斷面的面積(m2)；Nr、Nq為土承載力系數，Nr＝8.34，Nq＝10.7。

經計算得:

式中，n為安全系數，一般取1.5～2.0。

單位面積允許承載力:

[q0]＝q0/2＝1 502.39/2＝751.2 kN/m2＝76.65 t/m2

單位面積地基極限承載力:

F＝[q0]A＝76.65×133.65＝10 244 t

因此在樁靴入泥11.1 m時，單樁極限承載力大于單個支腿對地壓力8 145 t。

(2)最大拔樁力計算

設有噴沖裝置，先噴沖再拔樁，因此不考慮吸附力。

單樁腿拔樁力＝復土重力＋樁側力

樁靴底面積133.65 m2；上部面積為119.8 m2；周長為46.8 m。

復土重力＝(0.95×3.3＋0.9×4.7＋0.98×3.1)×119.8＝1 246.3 t

樁側力＝(3.3×1.5×0.7＋4.7×1.8×0.7＋3.1×2.8×0.7)×46.8＝723.7 t

總力 ＝1 970 t＜4 500 t。

綜上，選擇ZK1鉆孔位置附近選擇③-1層粉砂層作為風電支腿持力層，鐵建風電01插拔能力均滿足要求。其他各樁可根據地勘資料分別進行計算。

4.3 鐵建風電01吊高吊重能力分析

以本工程最大風電機組7.5 MW進行分析，其中安裝過程中最大吊重及吊高均為機艙部分，最大重量為276 t(機艙及發(fā)電機)＋23 t(吊具)＝299 t，最大吊高為95 m(4節(jié)塔筒高)＋2.743 m(機艙吊點至頂塔筒)＋8.056 m(機艙吊點至吊索具頂)＋2.2 m(環(huán)形吊帶)＝108 m。風電01支腿抬升至甲板面同單樁基礎頂標高相同，起重回旋半徑為40 m，最大起吊量680 t，起吊高度為114 m，鐵建風電01吊高吊重性能均滿足要求。

4.4 定位駁適用性分析

定位駁選擇5 000 t定位駁船，船舶型長80.8 m，型寬21.4 m，型深4.9 m，吃水2.54 m，艏錨4個，艉錨2個，錨重2.5 t，鋼絲繩直徑37 mm。

(1)定位駁拖帶力F

按碼頭結構施工規(guī)范:

F＝Arwv2/2gk，A＝D(T＋δ)

式中，A為受水流阻力的面積(m2)；rw為水容重；v為對水流的相對速度，根據設計實測最大流速值為0.98 m/s，以逆流時最大阻力計算，v＝0.98 m/s；k為擋水形狀系數，矩形k取1.0，流線型k取0.75；D為船的寬度；T為船的吃水；δ為船前涌水高度，取0.6倍航程中可能出現(xiàn)的波高。

計算得:

(2)定位錨纜系統(tǒng)驗算

采用鋼絲繩加一節(jié)錨鏈作為錨纜，錨采用2.5 t四爪錨，鋼絲繩采用直徑φ37，強度為1 850 MPa的鋼絲，斷裂拉力為764 kN；錨鏈為一節(jié)長度27.5 m的φ64的錨鏈。

按《港口工程施工手冊》中的估算公式:

錨系留力P＝W1Ha＋WHcL1

式中，W1為錨重，取2 500 kg；Ha為錨的抓重比，軟泥為4；W為每米錨鏈重，φ64為132.5 kg/m；Hc為錨鏈摩擦系數，取1.3；L1為錨鏈臥底長度，取25 m。

P＝(2 500×4＋132.5×1.3×25)×9.8＝140.2 kN

鋼絲繩安全系數764/140.2＝5.4，滿足要求。

錨力為sin 45°P×2＝198.3 kN＞120.9 kN，滿足要求。考慮錨力富余值較小且現(xiàn)場流速、海況等不確定因素，當在流速較大及氣象條件較差時，采取拋6口錨方式，在遠離風電船側拋船艏及船艉兩口錨，防止因走錨后定位船對風電船支腿的碰撞。

5 風機安裝施工工藝

5.1 施工工藝簡述

風機采用塔筒分段式安裝，機艙與發(fā)電機整體安裝、葉輪整體安裝方案[6-8](即葉輪采用葉輪組裝支架完成輪轂與葉片組裝后整體吊裝葉輪方案)。風機部件海運至機位交貨后進行吊裝。輪轂單獨發(fā)運，機艙與發(fā)電機整體發(fā)運，塔筒底段采用立運方式，其余塔筒水平運輸[9]。

風機安裝施工工藝流程見圖1。

圖1 風機安裝施工工藝流程

5.2 底段塔筒預拼裝

本工程部分底段塔筒采取碼頭預拼裝。塔筒采用主、輔兩臺吊機協(xié)同抬吊，主吊機吊塔筒頂部，輔吊機吊塔筒底部。當塔筒吊離地面后，主吊機向上提升，輔吊機一邊下放一邊靠攏主吊機，使塔筒呈豎直狀后拆除輔吊，將纜繩系在塔筒下端法蘭上，輔助塔筒準確定位，減少晃動。

組裝完成后使用履帶吊吊底段塔筒至運輸方駁，通過螺栓固定在提前設置好的臨時基礎上，頂法蘭上安裝好封蓋板，采用“立式”運輸至機位。

塔筒吊裝采用750 t履帶吊，分別核算兩種工況。

工況一:起吊安裝塔筒

受安裝電器柜影響，吊高按2倍塔筒高度，18.141×2＝36.3 m，吊重為塔筒重量134 t。

工況二:底塔筒整體吊運裝船

吊高為塔筒高度18.141 m，吊重為塔筒及電器柜總重174 t。吊距考慮船寬28/2 m＋吊機中心11.9/2 m＋安全距離5 m＝24.95 m。

工況一選用吊高42 m，吊距24 m，吊重為391 t，滿足要求。

工況二選用吊高35 m，吊距32 m，吊重為220 t，滿足要求。

塔筒預拼裝完成后，采用5 000 t自航駁海上運輸至施工現(xiàn)場，運輸構件包括4節(jié)塔筒、塔筒附屬構件、吊裝工具。其中第一節(jié)塔筒立放于運輸船，其余三節(jié)塔筒平放于運輸船，運輸固定工裝由不同風機廠家根據機型提供后加固于運輸船舶甲板。

5.3 底段塔筒安裝

將塔筒與基礎連接的緊固件清點數量，擺放在基礎內外。準備安裝使用工具，并放置在基礎內外。

在安裝之前，須將電源引到底部的平臺處，并將第1段塔筒與第2段塔筒連接的緊固件和第2段塔筒安裝時使用的工具和輔料放置在第1段塔筒的頂部平臺上并固定好。

第一段塔筒立運到達吊裝位，拆除防雨罩安裝塔筒吊具，將其與塔筒基礎對接。

主吊吊起塔筒底段，采用牽引繩調整塔筒底段位置，慢慢靠近基礎，使其與基礎軸向對正，然后主吊緩慢下降塔筒底段直至安裝人員能方便地旋轉塔筒，初步找正塔筒底段和基礎的周向位置，拆除牽引繩。

繼續(xù)緩慢下降塔筒底段，待塔筒法蘭底面與基礎環(huán)上表面之間距離為30～50 mm時，調整塔筒，使塔筒底段的門標記線與塔筒基礎的門位置標記線對齊，穿入螺栓固定塔筒周向位置。直至兩法蘭面接觸良好，利用電動扳手初步預緊所有螺母，然后用液壓工具按額定力矩的50%、75%、100%分三級對稱預緊螺栓，所有螺栓預緊完后用記號筆做防松標識。

所有螺栓均穿入后，才能完全放下塔筒。再次確認塔筒底部平臺缺口中心線(進門處)與塔筒門中心線重合，且塔筒門與主風向成90°。

對所有螺栓用電動槍進行預緊，然后吊車松鉤，待所有螺栓完成50%的額定扭矩預緊后，然后才可安裝下一段塔筒。在吊具拆除后應繼續(xù)對塔筒螺栓進行預緊，直到100%預緊力[10]。

5.4 中段塔筒安裝

第二段塔筒水平運輸到達吊裝位，吊裝前將第二段塔筒與第一段塔筒之間的連接緊固件以及安裝工具等吊放在第一段塔筒上平臺。

安裝塔筒吊具，采用兩臺起重機把第二段塔段水平起吊，主起重機吊塔筒頂部法蘭，輔助起重機吊塔筒底部法蘭[11]。當吊車受力后，拆除塔筒支撐，清理干凈塔筒。兩臺吊車協(xié)調工作，勿使法蘭與地面接觸，直至塔筒豎起，當下法蘭面距離地面約30 cm，拆卸下法蘭上的吊具。

以最重節(jié)塔筒7.5 MW中1段塔筒進行翻身受力分析，塔筒重131 t。

Gj＝K1K2G0

式中，G0為被吊物的重量；K1為動載系數，K1＝1.1；K2為抬吊不均衡系數，K2＝1.2。

Gj＝135×1.1×1.2＝178.2 t

輔吊采用320 t履帶吊，選用起重半徑12 m，主臂48 m工況條件下，起重能力為134 t＞178.2/2 t。

故選用320 t履帶吊滿足風機塔筒輔助翻身要求。

使用牽引繩控制塔筒的姿態(tài)，使主吊車吊裝第二段塔筒慢慢接近底段塔筒上法蘭，將二者軸向對正。緩慢下降第二段塔筒直至安裝人員能方便地旋轉塔筒，初步找正第二段塔筒和底段塔筒的周向位置，拆除牽引繩。

繼續(xù)緩慢下降第二段塔筒，待第二段塔筒下法蘭底面與底段塔筒上法蘭表面之間距離為30～50 mm時，調整塔筒，使第二段塔筒的0刻度標記線與底段塔筒0刻度位置標記線對齊，穿入螺栓固定塔筒周向位置。直至兩法蘭面接觸良好。然后利用電動扳手初步預緊所有螺母，再用液壓工具按額定力矩的50%、75%、100%分三級對稱預緊螺栓，所有螺栓預緊完后用記號筆做防松標識。

對所有螺栓用電動槍進行預緊，然后吊車松鉤；待所有螺栓完成50%的額定扭矩預緊后，然后才可安裝下一段塔筒。

在吊具拆除后應繼續(xù)對塔筒螺栓進行預緊，直到100%預緊力。各序重復進行，完成塔筒3、4段的安裝。

5.5 機艙安裝

檢查機艙與發(fā)電機吊具及吊裝過程中的其他工具，確認各部件完好。將機艙和發(fā)電機內外清理干凈，尤其是發(fā)電機法蘭面和剎車盤。

在機艙發(fā)電機整體吊具上綁扎好牽引繩。

試吊機艙發(fā)電機，檢測是否水平，若不水平，落下機艙發(fā)電機調整液壓裝置直至機艙發(fā)電機基本水平。

拆除運輸支架連接螺栓(架空結構預緊力矩3 000 N·m，非架空結構預緊力矩2 400 N·m)，起吊機艙發(fā)電機離開運輸支架，用清洗劑清洗剎車盤面，并用棉紗清理干凈。

用絲錐檢查偏航軸承與塔筒連接螺紋孔，然后在偏航軸承螺孔上均布安裝2根M45機艙導向柱。

5.6 葉輪吊裝

葉輪組裝支架按照廠家提供的支架焊接于風電船甲板。

在吊裝船甲板合適位置放置葉輪組裝支架，并將支架與甲板進行固定(焊接)。支架擺放時注意方位，需按照葉片組裝順序擺放支架。

組對葉片，拆除葉片葉尖運輸支架“上固定夾塊”。采用兩點抬吊，葉根采用吊帶兜吊，葉尖通過“下固定夾塊”抬吊[12-13]。

先拆卸運輸駁船上的輪轂，使其與運輸工裝分離，采用螺栓將輪轂連接在安裝船甲板上的葉輪用單吊點吊裝，但在葉輪翻身過程中仍需用到一主一輔兩個吊點，主吊點位于輪轂上，輔吊點位于主吊點相對的葉片上。支架上，使輪轂固定，確認機艙與塔筒、塔筒與塔筒間的連接螺栓全部按100%額定力矩完成緊固；吊具、吊帶、牽引套、纜風繩、前后緣護板等已安裝就位；輔吊的葉片鎖已推入齒槽并擰緊了螺栓。同時機艙上已打開進入葉輪的維護通道和觀察蓋，葉輪鎖緊銷已打開處拆卸葉輪支架與輪轂之間的連接螺栓。主吊和輔吊同時平穩(wěn)起吊，離開支架平面100 mm靜置觀察抬吊是否平穩(wěn)；確認平穩(wěn)后，緩起葉輪，用清洗劑清潔葉輪與主軸安裝面及螺孔。

葉輪安裝采用主吊起吊，輔吊托引葉片，當葉輪處于豎直狀后，將輔吊葉片上的護板和吊帶拉下。拽住纜風繩，按照需求方向牽引葉輪，在吊升過程中要保證繩子張緊，以避免葉片撞擊它物。

葉輪吊升至主軸法蘭面高度后，用纜繩配合主吊，將葉輪調至主軸法蘭面正前方；按照機艙內工作人員指揮，將葉輪緩慢向主軸法蘭面靠近；調整吊鉤位置，控制葉輪軸線和機艙軸線重合。

通過機艙前擋板左右的維護通道及機架上方的觀察蓋，觀察主軸法蘭面上的安裝孔是否跟葉輪法蘭上安裝孔正對，不正則松開制動器盤車調整，通過控制齒輪箱尾部的盤車裝置帶動主軸轉動，使孔位對正后，對稱將兩根雙頭螺栓桿擰入葉輪安裝孔，進給過程中注意避免折彎甚至折斷螺桿，直至兩法蘭面完全對齊貼合。

確認葉輪與主軸連接螺栓、螺桿全部按額定力矩或拉力完成后，緩慢釋放主吊載荷，拆除葉輪吊具。

6 結語

通過對開闊海域大直徑風機安裝施工方法的探討，以及施工過程中塔筒、風機機組等構件海上安裝精度控制的探索，使風機安裝滿足設計和規(guī)范的要求，有效提高了風機安裝的施工精度，對后續(xù)工程和類似工程的實施提供了寶貴的經驗。