深海風(fēng)機(jī)安裝平臺自動(dòng)組裝設(shè)備方案設(shè)計(jì)

(泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 泰州 225300)

0 引 言

目前，海上風(fēng)力發(fā)電安裝平臺一般采用自升式平臺，這種平臺的優(yōu)點(diǎn)是可以采用樁腿使得船體抬出水面，樁腿底部采用樁靴支撐于海床上，但其安裝的工作水深很難超過100 m[1]。同時(shí)，其只能適用于淺海，雖然采用自升式平臺設(shè)計(jì)可以克服波浪帶來的船體運(yùn)動(dòng)，但無法減輕風(fēng)載荷對風(fēng)電設(shè)備吊裝安全性的影響。

與陸地風(fēng)電設(shè)備的安裝過程相比，海上環(huán)境條件更為復(fù)雜，隨之帶來的設(shè)備安裝成本也急劇增加?，F(xiàn)有的風(fēng)電設(shè)備安裝平臺可以滿足近海風(fēng)電設(shè)備的安裝需求，隨著潮間帶及近海區(qū)域風(fēng)電資源的開發(fā)強(qiáng)度逐漸飽和以及沿海地區(qū)環(huán)境保護(hù)呼聲的日趨強(qiáng)烈，海上風(fēng)力發(fā)電從潮間帶和近海走向深海遠(yuǎn)岸將是必然趨勢[2-3]。

深海風(fēng)電場遠(yuǎn)離陸地碼頭，風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)輸和時(shí)間成本也成倍地增加，必須使安裝平臺能夠一次運(yùn)輸盡量多的風(fēng)機(jī)組件。如果采用碼頭組裝完成再運(yùn)輸?shù)姆椒ǎL(fēng)機(jī)體積過大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)設(shè)備裝載效率不高；采用分體運(yùn)輸則可使風(fēng)機(jī)裝載布置緊湊，極大地降低運(yùn)輸成本。

現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電安裝平臺基本都是為淺海風(fēng)電安裝設(shè)計(jì)的，與漂浮式船體相比，固定式平臺能夠更好地提高風(fēng)機(jī)安裝的精度并滿足安全性要求，但這種風(fēng)電設(shè)備安裝受到水深的限制，如果在深海，風(fēng)電安裝還必須采用漂浮式船體，文獻(xiàn)[4-5]已經(jīng)對深海半潛式風(fēng)電安裝平臺進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。采用漂浮式船體，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)將不可避免地受到海上波浪載荷和風(fēng)載荷等環(huán)境載荷的影響，對風(fēng)電設(shè)備安裝的精度和安全性提出了更高的要求[6-7]?，F(xiàn)有的采用重吊分體安裝的方法將很難滿足深海風(fēng)力發(fā)電安裝的要求[8]。

鑒于上述考慮，設(shè)計(jì)一種風(fēng)力發(fā)電組裝設(shè)備，采用分體運(yùn)輸?shù)姆绞剑軌蛟诤Ｉ线M(jìn)行風(fēng)力發(fā)電部件的組裝，組裝完成后再整體吊裝。這種組裝設(shè)備要求在海洋環(huán)境條件下運(yùn)動(dòng)的平臺上也能正常工作，滿足風(fēng)機(jī)部件組裝的精度和安全性要求，同時(shí)采用全自動(dòng)安裝，提高風(fēng)機(jī)安裝效率，減小深海風(fēng)電安裝成本。

1 深海風(fēng)機(jī)安裝平臺自動(dòng)組裝總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

風(fēng)車機(jī)組整體尺寸巨大，且隨著單機(jī)功率增大，尺寸還有可能繼續(xù)增大。一般陸地安裝風(fēng)機(jī)都是按照由下到上的垂向安裝順序，先安裝風(fēng)機(jī)地基，再依次安裝塔筒、電機(jī)，最后安裝葉片[9-10]。由于風(fēng)車輪轂離地面高度很高，必須采用較高的吊臂，此種吊臂很多是分段組裝的。此外，空中組裝風(fēng)機(jī)組件屬于高空作業(yè)，作業(yè)危險(xiǎn)性大，且較易受到風(fēng)載荷以及其他天氣條件的影響，使得陸地安裝風(fēng)機(jī)效率不高。

近海風(fēng)機(jī)安裝順序與在陸地上的安裝順序差不多，一般吊機(jī)安裝在自升式平臺上，平臺可以采用樁腿使得船體提升出海面，吊機(jī)運(yùn)動(dòng)不受波浪的影響。風(fēng)機(jī)組裝在海上也采用高空作業(yè)的方法，與陸地安裝相比，工作效率并沒有提高多少。

現(xiàn)有自升式安裝平臺的缺點(diǎn)在于不能適用于深海風(fēng)機(jī)的安裝，一旦到了深海一般都采用浮式平臺，這時(shí)平臺的運(yùn)動(dòng)就會(huì)極大地影響風(fēng)機(jī)安裝的安全性。如采用普通的風(fēng)機(jī)組裝方式，必須限制海況，但一般遠(yuǎn)洋環(huán)境條件都比近海惡劣，作業(yè)窗口更為狹窄。

考慮到上述因素，以提高風(fēng)機(jī)安裝效率、安全性和精度為目標(biāo)，提出以下設(shè)計(jì)思路。

(1) 風(fēng)機(jī)部件組裝采用液壓車組裝，不采用傳統(tǒng)吊裝組裝的方式。平臺漂浮在海面上將不可避免地產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)對于吊裝是非常不利的，吊繩會(huì)在這種運(yùn)動(dòng)下不停擺動(dòng)，無法滿足組裝要求，同時(shí)由于吊裝高度一般都較高，在組裝風(fēng)車時(shí)，風(fēng)機(jī)組件的運(yùn)動(dòng)幅度會(huì)很大。因此，風(fēng)機(jī)部件組裝采用液壓車對接的方式。液壓車固定于平臺的導(dǎo)軌上，不會(huì)發(fā)生相對滑移，同時(shí)液壓設(shè)備能在垂直方向調(diào)節(jié)高度，滿足設(shè)備對接精度要求。液壓車與風(fēng)車部件之間采用橡膠墊緊密接觸，不會(huì)發(fā)生相對滑移，滿足安全性要求。

(2) 風(fēng)機(jī)部件組裝采用水平組裝。如果把風(fēng)機(jī)垂直固定在底部，一旦平臺稍有運(yùn)動(dòng)，風(fēng)機(jī)重心又較高，必須設(shè)計(jì)很強(qiáng)的固定結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和成本相當(dāng)巨大。因此，與垂向組裝相比，風(fēng)車部件的高度適當(dāng)降低可以減小作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)高度的降低也可以減少風(fēng)機(jī)在平臺上的運(yùn)動(dòng)。

1.2 總布置設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，對風(fēng)機(jī)組裝場地進(jìn)行總布置設(shè)計(jì)，分別采用塔筒組裝液壓車和風(fēng)車葉片安裝液壓車進(jìn)行塔筒和葉片的水平安裝，采用全回轉(zhuǎn)吊機(jī)安裝電機(jī)和輪轂，風(fēng)機(jī)安裝完成后，采用整體安裝吊機(jī)將風(fēng)機(jī)安裝到指定的海域位置。塔筒堆場和葉片堆場的門型吊機(jī)以及液壓小車都配有導(dǎo)軌。場地布置緊湊，此堆場一次能容納14臺6 MW風(fēng)機(jī)的組裝?？偛贾脠D如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)組裝場地總布置

1.3 設(shè)備清單

根據(jù)總布置圖，風(fēng)機(jī)組裝場地主要設(shè)備有3個(gè)堆場、3臺門型吊機(jī)、2臺全回轉(zhuǎn)吊機(jī)和液壓車等，主要設(shè)備清單如表1所示。

表1 主要設(shè)備清單

2 關(guān)鍵設(shè)備

2.1 風(fēng)車部件儲存支架

風(fēng)車部件主要包括塔筒、葉片、主機(jī)和輪轂，其中輪轂和主機(jī)事先已組裝完畢，這樣一共有3種部件，其中塔筒和葉片的部件數(shù)量較多，塔筒分成多段，1臺風(fēng)機(jī)包括3個(gè)葉片，這些部件的占地面積比較大，運(yùn)輸和儲存也較為麻煩。因此，設(shè)計(jì)風(fēng)車部件通用儲存支架，主要有以下幾種原因：

(1) 由于風(fēng)電設(shè)備構(gòu)件尺寸巨大，考慮到從建造出廠至安裝場地的運(yùn)輸安裝，必須采用分段組裝的方式。

(2) 由于風(fēng)電設(shè)備功率、制造廠家以及地基形式等差別，其尺寸多樣，各個(gè)部件形狀也不相同。因此，考慮設(shè)計(jì)通用的儲存支架，可堆放儲存，使風(fēng)機(jī)部件儲存更為集中，減小儲存場地占用面積。

圖2 通用儲存支架滿負(fù)荷裝載示例

(3) 為提高風(fēng)電設(shè)備在運(yùn)輸過程中的安全性，減小運(yùn)輸過程中的碰撞損壞，儲存支架安裝彈性橡膠墊，起到抗震和保護(hù)的作用。

(4) 在儲存支架上設(shè)置運(yùn)輸?shù)慕涌?，不必在風(fēng)機(jī)設(shè)備上安裝額外的固定構(gòu)件。根據(jù)風(fēng)車部件尺寸，風(fēng)車部件通用儲存支架設(shè)置若干矩形分隔：每個(gè)分隔內(nèi)設(shè)置橡膠塊，用于緩沖風(fēng)車部件與分隔的接觸碰撞，起到固定部件作用；每個(gè)矩形分隔上部采用旋轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)與豎向支架鉸接，在儲存過程中，旋轉(zhuǎn)支架水平放置，擱置在下方豎向支架的矩形擋塊上。這樣的設(shè)置既可保證風(fēng)車部件布置緊湊，又能使部件固定牢固。風(fēng)車部件通用儲存支架滿負(fù)荷裝載如圖2所示。

在工作過程中，旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)90°，吊機(jī)起吊部件至組裝區(qū)域進(jìn)行組裝，風(fēng)車部件通用儲存支架工作過程如圖3所示，通用儲存支架儲存和工作過程B-B剖面如圖4所示。

圖3 通用儲存支架工作過程示例 圖4 通用儲存儲存和工作過程B-B剖面圖

2.2 風(fēng)車儲存場地龍門吊機(jī)

為了將儲存場地的風(fēng)機(jī)設(shè)備組件運(yùn)輸?shù)桨惭b位置，采用龍門吊機(jī)運(yùn)輸風(fēng)機(jī)設(shè)備組件，龍門吊采用電磁吊，優(yōu)點(diǎn)是吊運(yùn)比較迅速。由于風(fēng)機(jī)部件是多層堆放的，空置的儲存支架必須先移走才能繼續(xù)運(yùn)輸下一層風(fēng)機(jī)設(shè)備，因此一共設(shè)置2臺龍門吊機(jī)，1臺吊機(jī)專門運(yùn)輸風(fēng)機(jī)部件，另1臺吊機(jī)負(fù)責(zé)把空置的儲存支架移出儲存場地，2臺吊機(jī)同時(shí)協(xié)作可提高運(yùn)輸效率。

2.3 風(fēng)車塔架組裝液壓車

為了提高液壓車組裝的精度，必須考慮水平和垂直2個(gè)方向的對接精度。水平方向的精度控制采用固定導(dǎo)軌的方法，使得多臺液壓小車的中線在一條直線上。垂直方向的高度采用液壓調(diào)節(jié)，可以滿足不同部件的高度要求，對于同一種型號風(fēng)機(jī)，只需設(shè)定一次高度。

采用液壓車組裝而不采用吊運(yùn)組裝是考慮海上環(huán)境的影響，海上的風(fēng)載荷和平臺運(yùn)動(dòng)載荷比陸地上要大很多，在吊運(yùn)過程中吊繩不可避免地晃動(dòng)，嚴(yán)重影響對接精度。風(fēng)機(jī)部件組裝采用液壓車對接的方式，同時(shí)液壓車輪作用在導(dǎo)軌上，不會(huì)產(chǎn)生滑移，從而保證了組裝過程的精度和安全。

采用液壓小車也可以提高組裝的效率，對于同一種風(fēng)車型號，安裝完第一臺風(fēng)機(jī)后存儲液壓小車的移動(dòng)位置信息，在安裝下一臺風(fēng)機(jī)時(shí)，可以直接讀取位置信息，除了第一次人為調(diào)節(jié)控制外，后期可以無人控制或者微調(diào)。

2.4 主機(jī)和輪轂吊機(jī)

主機(jī)和輪轂通過葉片龍門吊機(jī)上的全回轉(zhuǎn)吊機(jī)吊運(yùn)至主機(jī)擱置井內(nèi)，設(shè)置擱置井的目的是減小水平安裝吊機(jī)的高度，進(jìn)而降低作業(yè)的危險(xiǎn)性和成本。擱置井有液壓基座可以調(diào)節(jié)垂向高度。

2.5 葉片龍門吊機(jī)和組裝液壓車

圖5 葉片組裝示例

葉片儲存場地龍門吊機(jī)的作用是將葉片從儲存場地運(yùn)輸至葉片組裝液壓車上。由于風(fēng)機(jī)葉片材質(zhì)不是鋼質(zhì)，因此不采用電磁吊，而采用繩圈吊運(yùn)。葉片組裝液壓車的作用是把葉片組裝到輪轂上。水平方向的精度通過導(dǎo)軌控制，垂直方向的位置通過液壓裝置調(diào)劑。由于輪轂位置較高，液壓車的升降裝置比塔筒組裝液壓車的高度要高。葉片組裝示例如圖5所示。

2.6 風(fēng)車塔架豎立裝置

風(fēng)車塔架豎立裝置由1臺回轉(zhuǎn)半徑為122 m的200 t全回轉(zhuǎn)吊機(jī)、1臺緩沖基座車和3臺液壓小車組成。主要工作過程：風(fēng)車塔架底部位于緩沖基座車處，緩沖塔架底部在翻身過程中承擔(dān)大部分垂向載荷；風(fēng)機(jī)塔筒主體位于3個(gè)液壓小車上，液壓小車將風(fēng)車的質(zhì)量均勻傳遞到液壓小車下面的導(dǎo)軌上，分擔(dān)集中載荷；吊機(jī)將風(fēng)車塔架從水平位置翻身到垂直位置。風(fēng)車起吊初始位置和起吊過程如圖6和圖7所示。

圖6 風(fēng)車起吊初始位置 圖7 風(fēng)車起吊過程(30°)

風(fēng)機(jī)吊運(yùn)完成后，利用200 t全回轉(zhuǎn)吊機(jī)將完整風(fēng)機(jī)安裝到指定海域，吊機(jī)還可將運(yùn)輸船上的風(fēng)機(jī)部件吊運(yùn)至平臺堆場。

3 風(fēng)機(jī)組裝方案

該風(fēng)機(jī)自動(dòng)組裝設(shè)備是深海風(fēng)電安裝平臺的一部分，適用于深海大型風(fēng)機(jī)的分體運(yùn)輸和整體安裝方案。針對風(fēng)機(jī)分體運(yùn)輸設(shè)置3個(gè)堆場，包括塔筒、葉片、電機(jī)和輪轂堆場。首先，采用門型吊機(jī)運(yùn)輸塔筒至塔筒安裝區(qū)域， 采用3臺液壓車進(jìn)行塔筒的安裝；同時(shí)，采用吊機(jī)運(yùn)輸葉片至葉片安裝區(qū)域，采用2臺液壓車進(jìn)行葉片的安裝。由于合理地設(shè)計(jì)了2個(gè)區(qū)域位置，因此塔筒和葉片的安裝可同時(shí)進(jìn)行。采用60 t全回轉(zhuǎn)吊機(jī)吊裝電機(jī)和輪轂，安裝到塔筒對應(yīng)位置，通過葉片組裝液壓車把葉片組裝到輪轂上，至此完成了整個(gè)風(fēng)機(jī)的安裝，最后采用200 t全回轉(zhuǎn)整體安裝吊機(jī)將裝配好的風(fēng)機(jī)安裝到對應(yīng)的海域。風(fēng)機(jī)組裝流程如圖8所示。

圖8 風(fēng)機(jī)組裝流程

4 結(jié) 論

為滿足海上風(fēng)力開發(fā)的深海化、專業(yè)化、大型化需求，以提高深海風(fēng)機(jī)安裝效率、安全性和精度為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一套應(yīng)用于深海風(fēng)電安裝平臺的風(fēng)機(jī)自動(dòng)組裝設(shè)備，并給出該設(shè)備的使用流程。該設(shè)計(jì)將風(fēng)機(jī)組裝過程進(jìn)行合理組織，采用水平組裝、液壓車對接、固定導(dǎo)軌等方法，解決安裝精度、運(yùn)動(dòng)因素等問題，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)分體運(yùn)輸和整體安裝設(shè)計(jì)思想，在其他類型的風(fēng)機(jī)安裝裝備中可以推廣。

風(fēng)機(jī)自動(dòng)組裝設(shè)備的開發(fā)使用對促進(jìn)深海風(fēng)能的開發(fā)和利用，加快海上風(fēng)電項(xiàng)目的建設(shè)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式具有重要意義，同時(shí)縮小在海上風(fēng)能源領(lǐng)域開發(fā)裝備方面與西方國家的差距。