大型海上風力機單葉片吊裝對接技術綜述

謝斯泓, 趙永生,2, 許移慶, 何炎平, 韓兆龍,2, 許玉旺,2

(1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室,上海 200240; 2.自然資源部第二海洋研究所極地深海技術研究院,杭州 310012; 3.上海電氣風電集團股份有限公司,上海 200233)

近年來,海上風力發電(簡稱風電)在新能源領域中異軍突起,呈現高速發展的態勢.據統計[1],2021年全球新增海上風電裝機容量約21.1 GW,其中我國占比80%,約16.9 GW.然而,全球近海風能開發日趨飽和,海上風電向深遠海、大型化方向發展的趨勢愈發明顯.海上風力機巨頭企業Vestas、Siemens、明陽、上海電氣等最新研制的大型海上風電機組的單機容量已經達到15 MW以上[2],而針對20 MW級別的巨型海上風力機設計已在進行中.體積和質量越來越龐大的海上風電機組也給傳統海上風力機安裝技術帶來更大的挑戰.

目前主流的海上風電機組安裝方式為分體式安裝,即將風力機塔筒、機艙、輪轂和葉片等零部件預組裝后起吊并進行對接[3].其中,葉輪部分吊裝最困難,未來20 MW級別的大型海上風力機葉片預計展長將達到120 m以上,單葉片質量也將達到 60 t 以上[4].由于葉輪整體體積大、質量大、受風面積大、起吊高度高,所以將葉輪吊裝拆分為多次單葉片吊裝的方式更為合適,歐洲和我國的大型海上風電場也多采用這種方式[5].

單葉片吊裝對接過程要求在高空將葉片根部螺栓準確插入輪轂變槳軸承的螺栓孔中.由于風力機葉片外形特殊,運動姿態易受風載荷影響,穩定控制難度較大,所以單葉片吊裝的安裝時間通常需占總有效安裝作業時間的1/3左右[6].除了等待合適的海況窗口期以外,通常還會在葉片吊具上固定多條纜風繩,利用動力絞車或人力輔助穩定葉片姿態,該方式不僅效率低,也存在一定危險性[7].

從現有大型海上風力機單葉片吊裝特點、難點出發,調研分析單葉片吊裝對接技術的吊具設備、仿真模型和主動控制系統等關鍵技術,討論單葉片吊裝對接技術的未來發展趨勢和前景,并針對單葉片吊裝對接難題提出具有動力定位功能的單葉片吊具和雙抱箍垂直葉片安裝輔助裝置兩種技術思路.

1 大型海上風力機單葉片吊裝的優勢與難點

1.1 海上風力機葉輪吊裝方式

大型海上風力機主要采用分體模塊化吊裝的方式,一般將一臺風力機分為塔筒、機艙、輪轂和葉片4個部分.其中塔筒通常分解為1～2段進行吊裝,而機艙、輪轂和葉片則根據不同吊裝模式采用不同預組裝方式[3].根據預組裝葉片的數量,葉輪部分的吊裝模式可以分為葉輪整體吊裝、兔耳式吊裝和單葉片吊裝[8-9],3種葉輪吊裝模式對比如表1所示.

表1 不同葉輪安裝模式對比Tab.1 Comparison of different impeller installation modes

1.1.1葉輪整體吊裝 葉輪整體吊裝方式即在塔筒、機艙分別安裝完畢后,預先在安裝平臺甲板上將風力機葉片、輪轂對接組合,而后利用吊車將葉輪翻身、起吊并與機艙對接,如圖1(a)所示.由于不需要進行多次高空對接合攏,所以該方式更適合于近海風電場的中小型風力機安裝[10].丹麥Middelgrunden海上風電場、福清興化灣二期海上風電場等均使用此類吊裝方式.然而,葉輪整體吊裝方式占用的安裝平臺甲板面積較大,起吊過程需要主輔起重機相互配合,并且由于葉輪受風面積較大,所要求的窗口期風速低(約為8～10 m/s),所以吊裝危險性偏高[11].

圖1 海上風力機葉輪部分吊裝模式[11-13]Fig.1 Installation modes of offshore wind turbine impeller[11-13]

1.1.2兔耳式吊裝 兔耳式吊裝即在塔筒安裝完畢后,預先將機艙、輪轂和兩個葉片組裝為兔耳型式,如圖1(b)所示,而后將組合模塊起吊并與塔筒對接,最后進行一次單葉片吊裝,完成風力機的安裝工作.與葉輪整體吊裝方式不同,兔耳模塊預裝一般在港口進行,而后將多臺風力機兔耳模塊和剩余的葉片堆疊裝載,前往安裝海域.兔耳式吊裝相比葉輪整體吊裝的方式堆疊裝載效率更高,可充分利用吊裝平臺甲板,但兔耳式組裝模塊質量較大,需要有較好的預拼裝碼頭和出運能力,并且仍然需要進行一次單葉片吊裝[12].兔耳式吊裝方式主要在德國Meerwind和Innogy Nordsee等海上風電場應用.

1.1.3單葉片吊裝 單葉片吊裝[13]即在塔筒、機艙和輪轂均安裝完畢后,將3個葉片依次起吊并與輪轂對接,如圖1(c)所示.相比其他吊裝方式,單葉片吊裝具有明顯優勢.

(1) 裝載效率高.在風力機型號和安裝平臺一致時,不同安裝模式下的風力機組件在安裝平臺甲板裝載布置[8]如圖2所示.單葉片吊裝方式占用的安裝平臺甲板面積最小, 部件堆疊裝載效率最高,風電安裝平臺可一次搭載多臺風電機組出海作業,顯著提高安裝效率,降低安裝成本.

圖2 不同葉輪安裝模式下組件甲板裝載布置示意圖[8]Fig.2 Configurations of deck load in different impeller installation modes[8]

(2) 吊裝安全性高,窗口期長.由于單個葉片的受風面積相對較小,所以吊裝窗口期最大平均風速可達到10～14 m/s,作業海況窗口期更長[14-15].

(3) 起吊質量低,易于施工.面對大兆瓦級海上風力機和愈發龐大的葉輪組件,采用單葉片吊裝可以利用起吊質量較小的起重設備進行作業.

從吊裝難度、成本、效率等各個角度考慮,單葉片吊裝方式都更適合大型海上風力機安裝,將是未來海上風力機安裝的主流方法,目前主要應用在Nordsee Ost海上風電場、福建長樂外海海上風電場、華能如東H3海上風電項目等.

1.2 單葉片吊裝對接過程與突出難點

單葉片吊裝方式需要在高空進行葉片和輪轂的精確對接合攏,其中葉片根部的螺栓需準確插入輪轂對應的螺栓孔中,一般輪轂法蘭螺栓孔直徑為 16～48 mm,對接過程要求短時間內二者相對運動僅為毫米級.Jiang等[16]認為對接成功的要求是螺栓-螺栓孔相對運動4 mm的超越率小于1.67×10-2Hz,即約為每分鐘出現1次.葉片根部通常設有若干較長定位銷,用于觀察員判斷調整葉片姿態,輔助和引導葉片對接操作.對接過程中,一旦葉片和輪轂相對運動過大引發碰撞,極易損壞葉片根部螺栓和葉片結構,Verma等[17]通過葉根螺栓碰撞仿真研究指出,僅0.63 m/s的相對碰撞速度造成的螺栓變形就需要修理更換并重新吊裝,從而嚴重拖延吊裝進度.為保證吊裝對接過程的穩定,通常在單葉片吊具上引出多條纜風繩,通過安裝平臺甲板或吊車上的動力絞車以及直接使用人力輔助穩定葉片的空中姿態[18].目前海上單葉片吊裝的平均風速閾值一般在10～14 m/s,但出于安全性考慮,實際吊裝過程一般會選擇更低的風速條件(8～10 m/s),以福清興化灣為例,一年中符合吊裝條件的海況窗口期僅為150 d[5].

目前單葉片吊裝過程主要面臨以下突出難點:

(1) 安裝精度要求高.風力機葉片的吊裝需要在近百米的高空將葉片根部的螺栓準確插入輪轂法蘭盤處的螺栓孔,精度要求達到毫米級.

(2) 吊車移動葉片對接困難.在葉片吊裝對接階段,葉片根部和輪轂對準之后通常還有一段距離,此時吊車無法直接通過平移葉片將其插入輪轂,而是需要通過吊車回轉、微調吊角、微調吊高以及機艙轉動、纜風繩輔助拉動等操作逐漸實現葉片和輪轂的對接.

(3) 葉片起吊、對接過程中易受風影響而搖晃,葉片根部與輪轂相對運動幅度大,采用纜風繩和部分人力輔助的方式控制能力不足,存在一定危險性.

(4) 作業窗口期長度不足.雖然相比其他吊裝方式,單葉片吊裝方式的窗口期更長,但深遠海風電場安裝海況更惡劣,葉片安裝窗口期仍非常緊缺.

因此,單葉片吊裝對接技術的未來發展方向在于針對性地提高葉片吊裝過程的姿態穩定控制能力,以具有主動性、操控性的技術替代當前的被動性、限制性技術,進而提高單葉片吊裝過程的精度和效率,降低海上風力機安裝成本.

2 大型海上風力機單葉片吊裝對接設備及關鍵技術

2.1 國內外單葉片吊具裝置技術對比

單葉片吊具是風力機葉片吊裝最為關鍵的技術裝備.面對不同的風力發電機驅動類型和吊裝工況,可以采用水平、斜線和垂直的葉片吊裝方式,所采用的吊具[7,17]則可以分為旋轉式和水平式,如圖3所示.

圖3 風力機單葉片吊具和吊裝方式[7, 17]Fig.3 Blade yoke and installation modes[7, 17]

水平式吊具主要由吊梁、吊索以及葉片的托舉結構或吊帶組成,其結構相對簡單,一般不具備旋轉調節能力.風力機葉片進行水平式吊裝過程中需要調整輪轂角度,因此葉片水平式吊裝適用于可安裝大轉矩盤車裝置的雙饋機組風力機.典型的水平式吊具包括Eltronic公司開發的C型托舉結構吊具C-yoke-Basic和Siemens公司開發的吊帶結構吊具Janett lifting yoke等.

旋轉式吊具相對水平式吊具結構更復雜,一般造價更高且質量更大,通常設計有夾持裝置、液壓旋轉機構和重心調節機構,同時還需配備相應的發電機和液電系統等,主要可以實現葉片安裝姿態的調整[13,19].使用旋轉式吊具進行葉片吊裝通常不需要額外的盤車裝置裝卸操作,因此安裝效率更高,單臺機組安裝可相對節省約10 h作業時間[6].旋轉式吊具的出現降低了單葉片吊裝的難度,使得單葉片吊裝方式逐漸普及.目前旋轉式吊具已在我國近海部分風電場建設中使用.

葉片吊具的關鍵參數主要包括其最大或額定工作載荷、旋轉調節范圍、最大平均作業風速、自重等,此外葉片固定或夾持結構也是設計關鍵之一.針對大型風力機葉片的吊具通常需要更大的設計工作載荷,其葉片固定或夾持結構需要考慮避免壓壞葉片表面,例如emaTech公司開發的Rotor Blade Clamp吊具采用了14個液壓驅動的萬向夾持墊,其中10 m2的夾持接觸面積使得該吊具在移動和旋轉質量達40 t的葉片時不至于損壞其表面[20];旋轉調節范圍主要針對旋轉式吊具而言,通常可分為適用于斜線和水平吊裝的小角度可調吊具,調節范圍為 -60°～30°,以及適用于所有葉片安裝工況的全角度可調吊具.典型的小角度可調吊具如Liftra廠商開發的LT5061 Blade Eagle和Eltronic開發的C-yoke-extented,全角度可調吊具如Liftra開發的LT975 Blade Dragon以及巨力索具公司開發的50 t大兆瓦全角度單葉片吊具.目前多數吊具的最大平均作業風速均在12～15 m/s,陣風要求則可以達到18 m/s,要在較高風速下實現葉片吊裝對接,通常需要配合纜風繩控制系統,以Blade Eagle為例,該吊具通常會和Liftra開發的Tagline System配合進行吊裝.國內外典型的單葉片吊具主要技術參數對比[21-23]如表2所示.

表2 國內外典型單葉片吊具技術參數對比Tab.2 Comparison of technical parameters of typical single blade yokes

2.2 單葉片吊裝動力學建模與仿真

建模與仿真方法在單葉片吊裝技術的設計開發、測試和安全性驗證等方面具有極為重要的價值.單葉片吊裝過程涉及葉片、吊具、繩索、絞車等多個結構和環境之間的復雜相互作用,是一個典型的多體耦合系統,如圖4所示.因此,多體動力學系統建模與仿真分析逐漸成為單葉片吊裝對接的關鍵技術之一,國內外學者相繼建立了不同復雜程度的單葉片吊裝動力學模型,并利用仿真結果分析單葉片吊裝的動力學特性,從而驗證各類新型吊裝技術的可行性.

圖4 單葉片吊裝仿真模型總覽圖Fig.4 Overview of single blade installation simulation model

單葉片吊裝仿真模型一般包含葉片、繩索、絞車以及波浪、湍流風等獨立模塊.其中葉片和單葉片吊具之間可以認為剛性固定,則葉片-吊具系統的動力學方程可以表示為

(1)

國外學者Gaunaa等[28]首先提出包含葉片、吊具、吊索和纜風繩的單葉片懸吊模型,并在HAWC2中建立該模型,利用計算流體力學(CFD)方法得到葉片吊裝過程中不同姿態和不同湍流風下所受風載荷特性,最后初步分析纜風繩系統在上述不同工況下穩定葉片所需的張力.在此基礎上,Kuijken[29]進一步驗證該模型,對DTU 10 MW海上風力機葉片懸吊工況進行多體動力學耦合建模仿真,并從平均載荷、葉根位移等評判角度出發分析葉片吊裝過程運動響應的主要影響因素,為實際葉片吊裝對接工作提供參考.Ren等[30]則在上述工作的基礎上進一步進行優化并建立由多個獨立仿真模塊組成的MATLAB/Simulink仿真模型,可實現對葉片吊裝多種工況的模擬計算,并提供海上風力機葉片安裝及相關控制算法的開發接口.Jiang等[16]則將上述葉片吊裝模型結合單樁式風力機在安裝過程中風浪流聯合作用下的運動響應,進一步分析葉根-輪轂的相對運動,著重討論葉片-輪轂對接階段的關鍵影響因素.單葉片吊裝動力學建模與仿真技術研究歷程和現狀匯總如表3所示.

表3 單葉片吊裝仿真技術研究現狀匯總Tab.3 Summary of simulation researches of single blade installation

2.3 單葉片吊裝主動控制技術發展現狀

目前已有的單葉片吊裝對接主動控制技術主要以引導繩索和纜風繩系統為基礎,通過控制纜風繩張力的方式實現對葉片姿態的穩定控制.理論研究方面主要包括Ren等[31-32]進行的雙纜和三纜風繩控制算法開發和仿真模擬,工程實踐上已投入使用的有HighWind設計的吊鉤-吊臂鎖定系統Boom lock system、Eltronic設計的Tagline Master纜風繩主動控制系統等.此外還有相關概念設計,如澳大利亞Verton公司開發的Windmaster風舵控制系統等.

2.3.1單葉片吊裝主動控制技術理論研究 目前單葉片吊裝主動控制系統的理論研究主要以模型仿真為基礎,對葉片懸吊和對接工況進行分析,設計主動控制纜風繩系統的控制算法、對比不同算法的優劣以及進行參數敏感性分析,為實際單葉片吊裝技術的開發提供大量參考.

在MATLAB/Simulink單葉片吊裝模型基礎上,Ren等[31]采用葉片-吊具系統上固定的兩條纜風繩作為姿態控制裝置,考慮風載荷最大的正面迎風工況,進行吊裝對接過程的主動控制算法研究.通過建立雙纜風繩控制系統數學模型,應用擴展卡爾曼濾波器進行系統狀態估計,并采用反饋線性化和極點配置方法設計比例積分微分(PID)控制器,在吊裝仿真模型中實現了葉片位姿穩定控制.另外,Ren等[32]在另一個成果中也展示了三纜風繩系統進行的單葉片吊裝穩定控制.考慮風力機葉片吊裝過程中受到湍流風干擾、多體運動等因素影響,纜風繩張力會產生強非線性的尖峰和突變現象,一般的線性預測模型無法滿足控制需求[25],對此Ren等[33]提出采用非線性模型預測控制方法的防過載葉片吊裝控制算法,在葉片穩定控制的基礎上使得纜風繩的控制張力減少40%.

2.3.2單葉片吊裝主動控制系統實際應用 在海上風力機組件吊裝過程中,吊車上普遍配備有可預設和調節張力的導線系統,其主要通過固定于吊車上的多條繩索和滑輪結構將輔助葉片穩定的纜風繩張力傳導至吊車結構.該導線系統廣泛應用在風力機各部件的吊裝過程中,但主要依靠人工操控絞車,存在動作滯后、抗干擾能力不足的問題.

現有纜風繩主動控制系統如Liftra開發的Tagline System和如圖5所示的Eltronic開發的Tagline Master[13,34],主要通過可固定于吊車或平臺上的多臺絞車控制纜風繩張力,代替人工操作實現自動穩定控制,該系統已得到驗證并在陸地風電場建設中投入使用[35].HighWind開發了一種吊鉤-吊臂鎖定系統Boom Lock System[7,36],利用可隨起重機塔架移動的懸臂將吊鉤與起重機鎖定,相當于縮短了懸吊的繩索長度,大幅減輕葉片搖晃[37].該裝置已經過吊載試驗并安裝于自升式風電安裝船Neptune號投入使用,如圖6所示.上述已在實際單葉片吊裝中應用的主動控制系統和裝置均具有較好的實用性,能有效提高單葉片吊裝的穩定性和安裝效率,減少人工干預.

圖5 Eltronic葉片吊裝纜風繩主動控制系統——Tagline Master[13,34]Fig.5 Eltronic blade installation tagline active control system—Tagline Master[13,34]

圖6 Neptune號自升式平臺上的HighWind 吊鉤-吊臂鎖定系統——Boom Lock System[7,36]Fig.6 HighWind Boom Lock System on Neptune jack up vessel[7,36]

3 大型海上風力機葉片吊裝技術發展趨勢與前景

要解決海上單葉片吊裝難題,開發新型吊裝設備和主動控制系統是必要手段.現有葉片吊裝設備和主動控制系統的發展思路主要分為兩類:一是采用高效可控的姿態穩定控制裝置;二是限制葉片和風力機或吊車相對運動以提高穩定性.

以開發新型葉片-吊具姿態穩定控制裝置為思路,在旋轉式單葉片吊具上添加若干涵道式空氣推進器,推進器推力方向為水平面x和y方向,可為吊具-葉片系統提供x和y方向位移以及水平姿態角θ的控制能力,實現動力定位功能[38],如圖7所示.通過設計控制器,該風力機葉片動力定位智能吊具可在較大湍流風環境中實現預設位置坐標的穩定,并在一定范圍內調整自身水平位置,即可直接推動葉片根部插入輪轂,從而避開吊車水平移動吊載的困難,極大提高葉片吊裝對接效率[39].此外,Verton公司提出一種基于風舵控制的風力機葉片吊裝主動控制系統概念設計Windmaster,該設計提出在吊具吊梁上加裝風舵,通過控制風舵的角度,利用風舵上的風力和力矩實現葉片穩定[40].

圖7 具有動力定位功能的智能吊具輔助葉片對接場景示意圖Fig.7 Blade yoke with dynamic positioning function assisting blade docking phase

以限制葉片和風力機或吊車相對運動為思路,采用油缸驅動的自適應塔筒滾輪抱箍設計可實現自主升降功能,而葉片抱箍的滾輪對心裝置可在葉片垂直吊裝過程中微調葉根位置,保證對接過程精確和平穩[41],如圖8所示.該雙抱箍裝置針對葉片垂直吊裝工況設計,而基于限制葉片和輪轂相對運動的思路也可以設計一種適用于風力機葉片水平安裝的輔助裝置,重點解決葉片吊裝過程中與輪轂相對運動劇烈以及吊車難以移動葉片根部進行對接的問題[42].此外,文獻[43]中提出在風力機輪轂處加裝輔助緩沖板裝置,逐漸限制對接過程葉片和輪轂之間的相對運動幅度,可減小對接的控制精度要求.

圖8 雙抱箍裝置輔助葉片垂直安裝Fig.8 Double hoop device assisting vertical installation of wind turbine blade

4 結論

針對大型海上風力機單葉片吊裝對接技術進行回顧,總結單葉片吊裝的特點和難點,調研分析單葉片吊裝的設備和關鍵技術,討論單葉片吊裝技術的發展趨勢和前景,結論如下:

(1) 面對未來深遠海大型海上風力機安裝場景,單葉片吊裝相比葉輪整體吊裝、兔耳式吊裝方式在吊裝效率、環境要求、安全性等方面均具有一定優勢.單葉片吊裝面臨的主要難點在于吊裝精度要求高、吊裝過程擾動大、對接過程控制難,進一步開發和采用更為先進的吊裝設備和技術是降低海上風力機安裝成本的重要手段.

(2) 目前單葉片吊裝旋轉式吊具在技術上已相對成熟,是未來海上風力機葉片吊裝的得力工具;研究者針對單葉片吊裝過程進行建模仿真,深入分析葉片吊裝對接過程的動力學特性,主要基于纜風繩系統設計和對比不同控制算法.相關企業亦開發有智能纜風繩系統Tagline Master和吊鉤-吊臂鎖定系統Boom Lock System,均已在實際葉片吊裝中使用.

(3) 未來單葉片吊裝設備和技術的發展仍將以提高吊裝過程的抗風能力、主動控制能力和對接穩定性為主要目標.目前主要存在兩種技術發展思路,其一是采用高效可控的姿態穩定控制裝置;其二是限制葉片和風力機或吊車相對運動.對應兩種技術思路,本文介紹具有動力定位功能的葉片吊具、雙抱箍垂直葉片安裝輔助裝置等多個概念設計和專利發明,可為解決深遠海巨型風力機安裝難題提供參考.