復雜海況下海上風機安裝技術研究與應用

李俊來，雷丹

（中交第三航務工程局有限公司寧波分公司，浙江 寧波 315200）

海上風能的開發(fā)正在全球范圍內(nèi)如火如荼的進行，相比歐洲，我國海上風電起步稍晚，但在“十一五”之后我國海上風電進入快速發(fā)展時期，海上風電施工設備與施工工藝也日趨成熟。我國海岸線漫長，各個沿海省份均在積極發(fā)展海上風電，不同海域的海況、地質(zhì)條件存在較大的差異，因此需要根據(jù)不同情況進行具體分析，選擇合適的施工工藝。

1 概況

1.1 工程概況

國電舟山普陀6號海上風電場2區(qū)工程位于舟山市六橫島東南側，風電場中心離六橫島距離約11km。風電場總裝機容量為252MW，布置63臺上海電氣4MW風電機組。

1.2 工程海域特點

對于海上風機安裝來說，海域的風、浪、潮流、地質(zhì)等是影響最大的自然因素。本工程風場海域的自然條件有如下特征：（1）風況。工程海域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L濕潤氣候區(qū)，風的變化具有明顯的季節(jié)特征：全年呈現(xiàn)偏北向（NW～NE）和偏南向（SE～SW）兩個常、強風向。（2）波浪。工程海域瀕臨東海，為我國沿海的大浪區(qū)，所在海區(qū)波浪具有外海波浪屬性。夏季小浪級、長周期波浪發(fā)生率高，并有超巨浪級波浪出現(xiàn)，波況與其它三季相比有較大區(qū)別。（3）潮流。本風電場區(qū)離岸距離較遠，所處海域開闊，且潮流具有較強的旋轉性。另外，涌浪等影響船只穩(wěn)定性能的海洋要素在本工程海域出現(xiàn)頻繁，對工程施工有較大影響。（4）地質(zhì)條件。工程場區(qū)地形較為平緩，坡度較小。場區(qū)上部分部有厚度較大的淤泥質(zhì)軟土。

綜上所述，本工程海域呈現(xiàn)出風況頻繁、長波海浪、旋轉潮流及表層淤泥質(zhì)軟土較厚等特點，這些因素都將對海上風機安裝帶來不同程度的影響。如何針對特殊的自然環(huán)境，選擇合適的安裝方式并加以實現(xiàn)，是本工程項目建設的關鍵之一。

2 風機安裝方案的選擇

目前，國內(nèi)海上風電場風機安裝工藝主要有2種，即海上分體安裝方式和海上整體安裝。針對本工程項目的客觀條件和各種因素，對2種方案進行分析比較。

（1）根據(jù)本工程項目水文地質(zhì)資料，工程場區(qū)內(nèi)水深在12～16m之間，海床表層軟弱土層較厚（①層淤泥和②-2層淤泥質(zhì)黏土厚度達8m～39m），若采用分體安裝，為達到樁腿的承載力要求，要求平臺樁腿入泥深度較大。針對本工程試樁機位進行初步計算，作業(yè)平臺的樁腿入泥深度為36．4m，水深為14m，樁腿總長需要達到75m以上。通過以上分析，要求自升式起重平臺樁腿長度較長，樁腿入泥深度越深，拔出的難度和風險越大。雖然2017年以來國內(nèi)先后有作業(yè)水深在40m以上的龍源振華3號、福船三峽號等下水，但均未實際投用，而且國內(nèi)外至今尚未有在類似海域用自升式起重平臺進行風機安裝的案例。

（2）本工程海域波浪具有外海波浪屬性，長周期波浪的發(fā)生率較高，且海域潮流具有較強的旋轉性，對船舶的穩(wěn)定性影響較大，對平臺船插拔腿也會造成影響，進而會影響海上施工工效。

（3）結合風機廠家安裝手冊的規(guī)定，對風機設備吊裝風速的要求，我們對本工程2017年全年施工情況進行了統(tǒng)計和比較，見下表1。

通過對比可知，分體安裝的海上有效作業(yè)天數(shù)少于整體安裝。

綜上所述，風電機海上整體安裝方案在該海域具有其獨特的優(yōu)勢，將大量的本來要在風電場場區(qū)惡劣海洋環(huán)境下進行的工作（包括電氣安裝、靜態(tài)調(diào)試等）在陸域組裝基地完成，組織風電機標準化組裝作業(yè)，有利于降低作業(yè)安全風險、保障風電機組組裝質(zhì)量、提高組裝工作效率。

表1 2017年本工程海域風況統(tǒng)計

因此，本工程采用風電機海上整體安裝方案。

3 技術方案介紹

國內(nèi)風電機海上整體安裝技術發(fā)展到目前已十分成熟。東海、響水等多個海上風電項目均成功實施了海上整體安裝方案。本文對整體安裝技術方案僅作簡要介紹。

3.1 總體工藝流程

風電機海上整體安裝總體工藝流程：

吊裝準備→起吊→吊裝就位→導向→緩沖→同步下降→精定位→緊固螺栓→平衡梁等安裝工具的拆除→驗收。

3.2 主要工序施工工藝

（1）風電機安裝導向工序。起重船吊著整套風電機及上部吊架系統(tǒng)緩緩下降，通過剛性粗導向?qū)χ袡n板的約束，達到風電機塔筒中心與承臺中心的初步對中。

（2）風電機安裝緩沖工序。風電機及上部吊架系統(tǒng)沿導向裝置慢慢下降，頂升油缸伸出，緩沖油缸逐件壓在相對應的緩沖承載平臺上。隨著風電機繼續(xù)下降，緩沖油缸緩沖行程結束后，風電機重量由頂升油缸承載，完成風電機安裝軟著陸。

（3）風電機安裝精定位工序。當緩沖油缸緩沖行程結束后，上部吊架上的定位銷軸插入精定位油缸拉桿銷軸座套，精定位系統(tǒng)開始工作，通過誤差識別反饋系統(tǒng)的反饋信號，經(jīng)電腦計算，發(fā)出一系列指令，控制下部就位系統(tǒng)上的縱向位置，調(diào)整裝置和切向位置，調(diào)整裝置動作，達到風電機的精確定位。定位結束后，穿上風電機底部內(nèi)法蘭與連接塔筒上部內(nèi)法蘭螺栓并按要求緊固。

4 復雜海況下海上風機的安裝技術

4.1 總體思路

本工程風場現(xiàn)場涌浪條件復雜，對項目前期施工情況進行分析發(fā)現(xiàn)，由于潮流具有較強的旋轉性，加上起重船和運輸駁的升沉不同步，造成掛鉤困難，制約了海上整體吊裝。

當現(xiàn)場涌浪較大造成掛鉤困難，而其他條件滿足吊裝要求時（起重船橫搖角度小于2°，升沉1m以內(nèi)），選擇在離岸較近的海域或者有遮蔽的海域，由起重船將風機從運輸駁上起吊，然后移位至風機機位進行吊裝就位。

該技術方案可有效減少涌浪對掛鉤的影響，延長風機整體吊裝施工窗口期，提高施工功效。

4.2 主要施工方法

主要工藝流程如下：

風機運輸至起吊海域→起重船和風機運輸駁就位→起吊→起重船移位至風機機位→吊裝就位。

4.3 主要工序施工工藝

（1）船舶就位。對風場及周邊海域的觀測和分析，結合前一階段施工經(jīng)驗，選擇在風場北側的大蚊蟲島的西北側海域進行風機起吊作業(yè)（圖1）。

（2）起重船先于運輸駁就位。起重船縱軸線與主流向一致，先拋下受潮流及風一側的錨，以便有效控制船舶。待船舶穩(wěn)定以后，按一定的順序進行拋錨。風機運輸駁與起重船站位方向一致，運輸駁的船艏（或船艉）靠近起重船的船艏，然后按照相同的原則拋錨，拋錨完成后，通過錨纜作業(yè)，使兩艘船距離控制在10m左右。

圖1 風機起吊時船舶就位示意圖

（3）起吊。由起重船吊鉤吊住平衡梁兩端的吊耳。解除平衡梁與井架頂部的固定節(jié)點和風電機塔身底部約束，吊鉤緩慢提升，平衡梁與上部吊架的吊索受力繃緊后（起吊重量達到約200t），吊鉤停止提升。拆除風機下塔筒與運輸駁上工裝基礎連接的螺栓，并插入4個導向銷。

起重船再次緩慢起升吊鉤，起重量接近吊裝重量時，收緊全船錨纜，使起重船穩(wěn)定定位，觀察并調(diào)整起重船船位和臂架，保持風機重心與吊鉤垂直。

起重船繼續(xù)上升吊鉤3～4m，然后鎖住主鉤，起重船操縱移船絞車使起重船平穩(wěn)后移50～100m。起重船平穩(wěn)且退一定位置后，運輸駁迅速撤離。

（4）起重船移位。起重船吊著風機航行移船至安裝位置。

起重船本身可提供前行的動力。起重船前方采用一艘錨艇在前方引路，起到警戒船的作用，同時也可以作為臨時應急備用的拋錨艇。

起重船航行和進點過程中，應密切關注起重船和風機搖擺的幅度，及時調(diào)整纜風繩錨機，確保航行和進點時風機基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。

（5）起重船進點。起重船進點時，先拋下受潮流及風一側的錨，以便有效控制船舶。由于起重船航行的方向大致是由北向南，而就位吊裝時起重船的朝向為西北方向，起重船接近風機安裝機位后，先拋下南側的錨。利用錨纜的作用力，調(diào)整起重船方位至吊裝方位，然后依次拋下其他錨，以便于控制起重船方向和保持穩(wěn)定（圖2）。

圖2 風機安裝就位示意圖

（6）吊裝就位。吊裝就位的工藝方法與上文相同，詳見 3．2。

5 結語

隨著我國海上風電項目的不斷建設和發(fā)展，各個風場的施工條件呈現(xiàn)出多樣化和復雜化的特點。在進行施工方案選擇和工藝布置時，需要有更強的針對性和適應性。起重船負載風機后運輸至機位進行吊裝的方案很好地規(guī)避了海床軟弱土層較厚的影響，又克服了長波海浪、復雜潮流對風機吊裝船的影響，體現(xiàn)了該方案在特殊海域特有的優(yōu)勢和適應性，極大地拓寬了海上風機的整體安裝技術思路。