海上风力机安装技术

海上风力机安装技术白勇1,2，王玮1，张金接3，莫为泽3（1.哈尔滨工程大学深海工程研究中心，哈尔滨150001）(2.白勇海洋工程公司北京100027)（3.北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038）摘要：由于海洋上广阔的风能资源的利用潜力以及目前可以利用的先进技术手段，相对于陆上风能资源，海上风能资源将为迅速发展的风电市场提供更大的发展空间。对于海上风力机组的设计到安装使用成为国内外关注的焦点。本文主要通过对国内外一些海上风电场的施工经验的研究，得出风力机基础形式的选择方案，并分别对海上风机的分体和整体安装进行阐述，最终得出对于安装少数风电机和大量风电机的安装建议，通过本文对风电机的安装技术的研究，为今后风电机的更广泛应用提供经验和技术支持。关键词：风力机；基础形式；分体安装；整体安装引言世界能源市场结构近年来发生了很大变化，风能作为一种极具竞争力的可再生能源，经过几十年的研究与发展，已完成了由应用示范向实用化的转变，并得到厂规模化的应用[1]。在陆地风电场建设快速发展的同时，人们已经注意到陆地风能利用所受到的一些限制，如占地面积大、噪声污染等问题。由于海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，海洋将成为一个迅速发展的风电市场[2]。在海上修建风电场,海洋水文、气候条件和海底地质条件都非常复杂,给风电机组地基基础设计和建造带来了困难。风机地基基础设计和建造,是海上风电场建设的难题之一,对其经济性和适用性将产生重要影响[3]。风力机无论在陆上还是在海上都需要在一定条件下进行设计[4]。由于海洋环境的恶劣性，风机的吊装作为海上风电场建设的重要一环，必须加以特别重视。通过常用的几种风电机组基础形式的特点，选择合适的风机基础。研究了国内外一些海上风电场的施工经验，分别对海上风机的分体和整体安装进行研究。其中海上风机分体安装主要研究了英国ScrobySands以及丹麦Nysted海上风电场安装经验，海上风机整体安装则研究了英国Beatrice风电场。1．海上风力发电机的基础形式海上风力发电机组的基础有单桩基础(Monopile)、三脚架基础(Tripod)、导管架式基础(Jacket)、重力基础(Gravitybased)、负压桶基(SuctionBucket)和浮动平台结构(Floatingtype)等几种[5]，如下图所示。图1海上风机基础（a）重力基础（b）单桩基础（c）负压桶基（d）三脚架基础（e）三脚架负压桶基112图2导管架基础海上风机图3浮式平台基础海上风机影响海上风机基础类型的因素包括水深、土壤和海床条件、环境载荷、建设方法、成本。通常海上风电机基础的选择遵从下表所示：表1海上风力发电机基础的选择海水深度(m)基础结构类型0-10重力基础0-30单桩基础20三脚架/导管架式基础50浮式平台基础2．海上风力机的安装海上风电场所处环境较为恶劣，施工困难，且施工费用较高，从安全性和经济性等方面考虑，必须做好海上风电场的建设规划。本调研着重于海上风电机组的安装，即风机基础放置和风机机组吊装。海上风电场依安装方式的不同主要分两种：海上分体安装和海上整体安装。2.1海上分体安装海上分体安装采用与陆上安装类似的安装流程，首先将风机的机舱、轮毂和两片叶片组装到一起，使两片叶片成“兔子耳朵”型安装在机舱的轮毂上，使它们成为一个吊装体，然后由陆上吊装到专门的风机安装船上，其他部件如塔筒和另一片叶片也依次吊装到船上。海上安装顺序为：下部塔架、上部塔筒、吊装体（机舱含2个叶片）和最后一个叶片。分体安装是目前最为常见的海上风机安装方式，为确保海上安装的安全可靠，要求安装平台必须稳定，国外通常采用装备了自升支腿系统的安装船。国际著名的海上风机安装公司A2SEA公司拥有全球领先的海上风机安装船：“五月花决议号”（MayflowerReaolution）“海能号”（M/VSeaEnergy）、“海力号”（M/VSeaPower）和“跳爆竹号”(JumpingJack)，这些专用船只由集装箱船改造而成，并在船的左右侧装备了液压自升支腿系统，113当到达安装地点后，先抛锚稳住船身，再通过液压系统放下支腿至海床面，依靠液压支腿承受整个船身和所载设备的载荷，这样海上的风浪就不会造成船体晃动，可以保证安装的稳定。下面详细介绍英国ScrobySands以及丹麦Nysted海上风电场的安装经验。2.1.1英国ScrobySands海上风电场安装经验图4英国ScrobySands海上风电场风电机组吊装ScrobySands海上风电场属英国第一批已建海上风电场，于2004年投入运行，由英国E.ONUKRenewablesOffshoreWindLtd（EROWL）公司所有。基本安装流程：(1)基座建造：ScrobySands风电场采用单桩式基座。码头采用J型接驳平台，并在设计时考虑该位置的波浪和水流情况。码头设有两个接驳梯子来容纳不同方向的船只进出。桩体在其接近顶部的位置设有工作平台。桩体直径为4.2米，通过法兰的焊接将桩基与塔架连接。安装桩基采用纯打桩方法，码头和接驳平台在打桩后直接安装，这种高效设计是第一次在ScrobySands上应用。自升式驳船把200吨桩体和钢结构运输到建造地点，也减少了海上操作的工序。整个基座建造时间约为24小时。(2)冲刷保护：ScrobySands风力发电场位于受大型潮汐影响而成的多沙地带，潮差有3米，潮汐速度可达1.5m/s。30年来，海床深度改变了8米（该数据由英国海军部在过去50年测得）。巨大海床沉淀和可达6到8米深的冲刷坑使得冲刷保护显得非常必要，尤其是它对电缆的保护。冲刷保护材料由石头组成，利用侧卸式驳船倾倒石头，组成冲刷保护层。为了在桩体周围均匀分布石料，驳船从离桩基大约2米的六个不同方向倾倒，之后一边倾倒一边离开桩基。(3)打桩工序：MammoetVanOord公司采用“JUMPINGJACK”号自升式驳船完成基座安装工程。工程包括了30个单桩式基座安装，直径4米的桩基采用纯打桩工艺来安装，IHCS1200型液压打桩锤直接放置在桩体顶部焊接的法兰上。(4)塔架、涡轮机、风轮叶片安装：A2SEA公司和Seacore公司使用“MVOCEANADY”号和“Excalibur”号自升式驳船安装了30个机组。“MVOCEANADY”号采用了自带一个450吨的，可在海上平稳操作的起重机，并可实现海上快速运输的独特设计。Seacore公司设计和建造的“Excalibur”号自升式驳船，可同时运载二个完整的风力发电机，毂高为60m。A2SEAA/S公司在深水区安装了24台涡轮机（2004年3月26日到2004年5月14日），Seacore公司在浅水区安装了6台涡轮机（为期12天，最后一台完成于2004年7月1日）。114(5)电缆安装：气象数据往往不足以确定开工时间，在铺设海底三条电缆过程中，不得不因为其中一条铺设的打断而中断。洋流数据有时也不够充分，潜水员活动受制于强潮汐流。2.1.2丹麦Nysted海上风电场安装经验[6,7]图5丹麦Nysted海上风电场风电机组吊装(1)海床准备：使用一条装有液力挖掘机的小型挖泥船来进行主要的挖泥工作。挖泥的平均深度低于海底大约两米。挖泥误差设定在±0.30米。挖出的泥土倾倒在海中附近地方。钢结构放置下去并放平，作为石床的导引。(2)混凝土基座：基座采用带有六个开孔、单杆、顶部冰锥形的六边形底部结构，底部直径15米，最大高度16.25米，单个基座在空气中重量低于1300吨，适合海上操作。EIDEV号起重机船从运输码头把基座运载过去。然后，通过在开孔内添加重物和单杆为基座又增加了500吨重量，这些重量可保持基座的稳定性，防止滑移和倾覆。冲刷保护分为两层结构，包括石头外层和过滤层，材料由驳船上的液力挖掘机放置。(3)安放基座的吊装工作：安放基座的吊装工作由起重机船EIDEV执行。EIDEV带有四锚系统和一个保证船在吊装过程中位于准确位置的桩腿。起重机船采用自航方式，旁边还有一艘用于操纵锚和协助定位工作的辅助船。安装过程如下：（a）EIDEV停留在基座前运输船的旁边，两船绑定。（b）去除基座上的绑带，接着在基座冰锥方位安放吊装架。（c）吊起在运输船的基座，运输船调整压舱物保持其平衡。（d）EIDEV开往安装基座的地点，到达后同预先设置的锚连接。借助锚和桩脚，将该船固定在准确位置。（e）缓缓向已安放好的石床位置放下基座。在放下基座的同时，持续监控其位置。如果有必要，利用锚来修正基座的位置。（f）在基座接触到石床并把重量转移到石床后，需控制住基座的位置和高度。吊装架用液压方式解开后，EIDEV开往下步操作的位置。（g）电缆管的一头从基座延伸到海床，准备安装电缆。(4)风力涡轮机，桩体和叶片的安装：由A2SEA运输和安装72台Bonus2.3MW海上涡轮机，运输路径为85英里，80天内全部完成。安装船的甲板上，四个机组的叶轮相叠，为了保证装载和安装时安全的工作环境，在安装工作之前，公司制作并测试了一个叶轮支架的完整模型。涡轮机吊装工作启用了四台起重机（分别用于塔架底部，塔架顶部，机舱和叶轮）。工作人员待四个部件放置115到位后，立刻系紧紧箍带。接着安装船立即驶向下个基座进行安装作业。每个涡轮机的安装时间不得超过一天。在最佳情况下，安装船行驶一个来回需72小时，即一个涡轮机要在18小时内完成安装。这项工作最终比计划提前一个月完成。此外，A2SEA对船起运的海床情况特别关注，安装了声纳系统来检测海床下的残骸和其它障碍物，这些都是为了避免在其它项目中出现的底部金属板受损现象。2.2海上整体安装海上整体安装是选择码头上的空地作为拼装场地，将临时支架暂时固定在地面上，塔筒放入支架内并用螺栓连接，依次吊装上部塔筒、机舱、轮毂和叶片，在陆地上完成风电机组的组装和调试；然后，使用大型起重船将风机和风机下部的临时支架整体吊到船上，拖轮将起重船拖至风机安装点；由起重船将风机整体吊装到风机平台上，将螺栓与塔筒连接以后，再拆除临时支架。海上整体安装方法在英国的Beatrice风场中采用过。2.2.1英国Beatrice海上风电场安装经验图6Beatrice风电示范项目风机Beatrice风电示范项目采用海上整体安装方案安装了两台5MW海上风电机组。风机采用导管架基础,基础总高度70米,其中水面以下高度43.5米。风机水面以上总高度145米,叶片长63米。整体安装使用了最大起重能力为4000t的双吊臂大型起重船Rambiz，起重量4000t的桅杆长度68m，重量3256t的桅杆长度82m。风机导管架基础在Scottish船厂建造，水平放于驳船上运抵Beatrice风场，到达目的地后起重船Rambiz将其吊起并开始进行基础安装。与此同时，驳船返回Scottish船厂运输第二个导管架基础。四个基础桩通过导管架腿部套管被打入海床。基础桩与导管架之间采用“型锻”的连接方式，而非水泥浆连接。基础桩在高压力作用下产生变形从而与套管连在一起，使导管架嵌入海床。第一个风机基础吊装固定完毕后，开始进行第二个基础的吊装作业。Beatrice风电场的风机完全在陆上进行建造并由起重船Rambiz吊装上船。风机被吊起至下部离开甲板，为防止运输过程中风机的垂向运动，对甲板的突变处进行了焊接加固。此外，在正式启运前，起重船进行了一系列摇摆试验，以确保运输过程万无一失。风机运至已安放好的导管架地点后，起重船四点锚泊，然后开始进行机组吊装。Beatrice风电场的机组吊装采用了柔性吊装系统(soft-landingsystem),在吊装过程中采用液116压缸来收集可能的冲击载荷，将上部滑车的载荷逐渐向下传递至下部导管架基础。图7Beatrice风电场风机海上整体吊装过程结论本文主要介绍了海上风电机组的基础形式及其通常的选择依据，同时分别介绍了国外海上分体安装和海上整体安装的主要方法与经验。通过对风力机的分体和整体安装的分析，可以得到一下几个结论：(1)在安装少数几台风电机组时，可以根据下列次序进行。(a)针对此种情况，我们建议尝试去改进打桩船