大容量海上風(fēng)電機(jī)組葉片吊裝工藝分析
——基于福清興化灣海上風(fēng)電樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)

周 通

(福清海峽發(fā)電有限公司，福建 福州 350000)

21世紀(jì)以來，全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的需求越來越大，同時(shí)，隨著人們生活水平提高，對(duì)環(huán)保的要求也越來越高。風(fēng)能是一種清潔可再生的、最成熟的、最具備大規(guī)模商業(yè)開發(fā)價(jià)值的新型清潔能源[1]。通過多年大規(guī)模陸上風(fēng)電的開發(fā)，對(duì)風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)有了比較全面的掌握，但陸上風(fēng)電也暴露出了一些問題，如：陸上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)區(qū)域距用電區(qū)域遠(yuǎn)、電力消納能力不足、棄風(fēng)嚴(yán)重、電能浪費(fèi)等，而海上風(fēng)電場(chǎng)具有風(fēng)切變影響小，風(fēng)速穩(wěn)定、平均風(fēng)速高、不占用土地資源、距海岸經(jīng)濟(jì)帶近、電力消納充足、抗沖擊性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展海上風(fēng)電已成為我國新能源的替代戰(zhàn)略[2]。

我國海岸線18 000多km，近海海域面積遼闊，風(fēng)能資源預(yù)計(jì)可達(dá)7.5億kW，是陸上風(fēng)能資源的3倍，海上風(fēng)電場(chǎng)已經(jīng)成為未來清潔能源發(fā)展的重點(diǎn)[3]。在我國《可再生能源十二五規(guī)劃》中，海上風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)為2015年達(dá)到5 GW，2020年達(dá)到30 GW，成為世界第一海上風(fēng)電大國。并且，預(yù)計(jì)到2050年，全球的海上風(fēng)電裝機(jī)總量將達(dá)到774 GW，占全部風(fēng)電容量的18.4%，占到全球電力消費(fèi)的6.4%[4]。

目前，海上風(fēng)電機(jī)組安裝分為整機(jī)安裝法和分體安裝法兩種[5]。其中，海上風(fēng)機(jī)分體運(yùn)輸安裝法由于其對(duì)海上運(yùn)輸設(shè)備和安裝設(shè)備的要求相對(duì)較低，可以利用起吊重量較小的起重設(shè)備進(jìn)行風(fēng)機(jī)吊裝作業(yè)，因此，海上風(fēng)機(jī)分體運(yùn)輸安裝法是目前較為成熟且得到了廣泛應(yīng)用的安裝方法。

目前，國內(nèi)外海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)分體運(yùn)輸安裝法主要包括：?jiǎn)稳~片吊裝(一次性吊裝完預(yù)拼裝的機(jī)艙+發(fā)電機(jī)+輪轂之后，再獨(dú)立吊裝葉片)、風(fēng)輪整體吊裝(輪轂與葉片預(yù)先拼裝，完成后進(jìn)行葉輪的整體吊裝)以及兔耳式吊裝(先吊裝2片葉片+輪轂，再吊裝第3支葉片)等三種。

海上風(fēng)機(jī)葉片吊裝是海上風(fēng)電施工作業(yè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。風(fēng)輪整體吊裝方式是源于陸上小容量風(fēng)電機(jī)組吊裝的常規(guī)的吊裝工藝，需要有較大的地面拼裝空間，而且作業(yè)時(shí)間較大，受環(huán)境因素制約嚴(yán)重。目前，國內(nèi)已建海上風(fēng)電項(xiàng)目中除僅少數(shù)采用水平單葉片吊裝和兔耳式吊裝方法外，大部分均采用風(fēng)輪整體吊裝方式。然而，隨著國產(chǎn)化風(fēng)電機(jī)組大型化及向海況條件較差的深遠(yuǎn)海域發(fā)展，海上進(jìn)行風(fēng)輪整體吊裝方式受到制約的因素逐漸顯現(xiàn)，與此同時(shí)，目前國外海上風(fēng)電機(jī)組大多采用單葉片及兔耳式吊裝方法。

如表1所示為不同葉片吊裝型式國內(nèi)外應(yīng)用情況。

表1 不同葉片吊裝型式國內(nèi)外應(yīng)用情況

海上風(fēng)電場(chǎng)往往選址在海上風(fēng)浪較大的區(qū)域，而海上風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)輸安裝與吊裝工藝的優(yōu)化和選取則顯得極其重要，合理的選擇風(fēng)機(jī)葉片的吊裝工藝，可以達(dá)到最大限度的減少海上作業(yè)時(shí)間，高效安全地完成風(fēng)電機(jī)組的安裝任務(wù)。

本文研究了福清興化灣大型海上風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組葉片的吊裝工藝，并對(duì)比分析了不同的葉片吊裝工藝的特點(diǎn)，本文研究對(duì)我國大容量海上風(fēng)電吊裝工藝的改進(jìn)以及未來海上風(fēng)電的開發(fā)建設(shè)具有一定的參考價(jià)值與指導(dǎo)意義。

1 福清興化灣樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)概況

福清興化灣樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)位于福建省福清市，福建省是全國海上風(fēng)電資源中的“極品”區(qū)域，受臺(tái)灣海峽的“狹管效應(yīng)”影響，風(fēng)場(chǎng)項(xiàng)目區(qū)域90 m高度風(fēng)向主要集中在NNE、NE，年平均風(fēng)速約8.2 m/s，風(fēng)資源優(yōu)越，開發(fā)潛力巨大。另外，項(xiàng)目風(fēng)電場(chǎng)處臺(tái)風(fēng)活躍區(qū)域，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，每年9-12月為季風(fēng)期，吊裝窗口期較短，僅約150 d。

目前，興化灣海上試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目A區(qū)面積約23.6 km2，平均水深5.5 m，規(guī)劃裝機(jī)容量77.4 MW。綜合考慮風(fēng)場(chǎng)場(chǎng)址風(fēng)能資源特征、發(fā)電效益等因素，風(fēng)電場(chǎng)樣機(jī)選定太原重工、海裝風(fēng)電、金風(fēng)科技、明陽智能、東方電氣、上海電氣(西門子)、湘電風(fēng)能、GE等國內(nèi)外8家風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)，共14臺(tái)。興化灣樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)14臺(tái)風(fēng)機(jī)均采用福船三峽號(hào)海上風(fēng)電一體化作業(yè)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行海上分體安裝方案。各樣機(jī)葉片部分主要技術(shù)參數(shù)如表2。

2 福清興化灣樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)葉片吊裝型式

本文福清興化灣風(fēng)力機(jī)吊裝型式有：5個(gè)風(fēng)機(jī)廠家(太原重工、海裝風(fēng)電、明陽風(fēng)電各2臺(tái)，東方電氣、湘電風(fēng)能各1臺(tái)，共8臺(tái))采用葉輪組拼型整體安裝工藝，3個(gè)風(fēng)機(jī)廠家(GE 3臺(tái)、西門子1臺(tái)、金風(fēng)科技2臺(tái)，共6臺(tái))采用單葉片吊裝安裝工藝。

2.1 葉輪組拼型整體安裝

葉輪組拼型是指在吊裝完塔筒與機(jī)艙之后，在安裝船上組拼輪轂與3只葉片，將組拼好的葉輪整體起吊安裝在機(jī)艙上的方案。

葉輪組拼型整體安裝的葉輪起吊方式也分為兩類：吊機(jī)掛雙吊帶分別掛至2只葉片根部抬吊(太原重工、湘電風(fēng)能)，與吊機(jī)掛單吊帶掛至輪轂吊點(diǎn)起吊(海裝風(fēng)電、東方電氣、明陽風(fēng)電)。

如圖1(a)和圖1(b)所示為兩種葉輪起吊方式：

表2 樣機(jī)葉片部分技術(shù)參數(shù)

圖1 葉輪組拼型整體安裝的葉輪起吊方式

其中，葉輪組拼型整體安裝的具體工藝流程如下。

1)按各廠家具體組裝方法和規(guī)定，在風(fēng)輪固定組拼工裝上吊裝葉片組裝風(fēng)輪，如圖2。

圖2 風(fēng)輪組裝布置平面圖

2)掛設(shè)纜風(fēng)繩，主吊機(jī)大鉤主吊風(fēng)輪，輔吊機(jī)小鉤輔助起吊，雙機(jī)原位抬吊至距甲板面35 m左右，如圖3。

其中，太原重工、湘電風(fēng)能使用1 000 t主勾掛雙吊帶分別掛至2只葉片根部(如圖1(b))；海裝風(fēng)電、東方電氣、明陽風(fēng)電使用1 000 t主勾掛單吊帶掛至輪轂吊點(diǎn)(如圖1(a))。

圖3 風(fēng)輪吊裝平移狀態(tài)立面圖

3)主、輔吊機(jī)把桿協(xié)同轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)輪平移吊至平臺(tái)船左舷外9.4 m左右，準(zhǔn)備豎轉(zhuǎn)。

4)主吊機(jī)起鉤，輔吊機(jī)逐步松鉤，穩(wěn)貨小車協(xié)同逐步收緊上纜風(fēng)，調(diào)整控制風(fēng)輪葉片方位，將風(fēng)輪逐步豎轉(zhuǎn)，如圖4。

圖4 風(fēng)輪吊裝起吊狀態(tài)立面圖

5)輔吊機(jī)摘鉤，主吊機(jī)起鉤至風(fēng)輪安裝高度，擺動(dòng)把桿，人工在甲板面配合下纜風(fēng)，控制風(fēng)輪仰角，將風(fēng)輪與機(jī)艙法蘭逐步對(duì)接，并緊固連接螺栓，如圖5。

圖5 風(fēng)輪吊裝最終狀態(tài)立面圖

6)吊機(jī)松鉤，穩(wěn)貨小車松鉤，拆除吊具，起升把桿，吊機(jī)把桿離開風(fēng)輪平面范圍。風(fēng)輪盤車，將葉片逐根轉(zhuǎn)至豎直向下狀態(tài)，人工拉溜繩將纜風(fēng)逐根脫離。

2.2 單葉片吊裝安裝

單葉片安裝型是指在一次性吊裝完預(yù)拼裝的機(jī)艙、發(fā)電機(jī)與輪轂之后，再使用獨(dú)立的葉片夾具來夾持機(jī)組葉片，并利用吊機(jī)把3支葉片分別安裝到機(jī)組輪轂上的方案。

根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)方式的不同，單葉片吊裝可分水平式單葉片吊裝(西門子、金風(fēng)科技)與非水平式單葉片吊裝(GE)，水平式吊裝需要在葉片吊裝前提前安裝盤車裝置，利用盤車旋轉(zhuǎn)輪轂，每只葉片水平安裝，在葉片安裝完畢后再拆除盤車裝置。非水平式吊裝無盤車裝置，配備可傾斜角度較高的葉片夾具，斜向插入輪轂安裝，帶動(dòng)葉片及輪轂旋轉(zhuǎn)至下只葉片的安裝位置。

如圖6(a)和圖6(b)所示為兩種單葉片吊裝安裝方式的葉片夾具。

圖6 兩種單葉片吊裝安裝方式

2.2.1 水平式單葉片吊裝安裝工藝流程

1)在平臺(tái)船上組裝葉片吊具支架和吊具；在主吊機(jī)把桿上安裝纜風(fēng)系統(tǒng)。

2)葉片運(yùn)輸船錨泊平臺(tái)船右舷側(cè)，雙機(jī)抬吊葉片(連同運(yùn)輸工裝)存放在甲板面的葉片支承梁上；主吊機(jī)掛設(shè)葉片專用吊具、系掛纜風(fēng)，吊裝葉片。

葉片安裝流程：葉片安裝前準(zhǔn)備-盤車裝置操作-單葉片吊裝-安裝葉根螺栓-安裝第一根葉片(葉片均水平安裝)-機(jī)組盤車準(zhǔn)備安裝第二根葉片-安裝第二根葉片-機(jī)組盤車準(zhǔn)備安裝第三根葉片-安裝第三根葉片-葉根螺栓最后緊固，如圖7。

圖7 水平式單葉片吊裝布置立面圖

2.2.2 非水平式吊裝安裝工藝流程

1)在平臺(tái)船上組裝葉片吊具，測(cè)試福船三峽自有纜風(fēng)系統(tǒng)。

2)機(jī)艙偏航至葉片1安裝位置，平臺(tái)船安裝葉片支承梁，葉片運(yùn)輸船移近平臺(tái)船，主、輔吊機(jī)雙機(jī)抬吊葉片1存放在支承梁上-主吊機(jī)掛鉤葉片專用吊具，利用穩(wěn)貨小車系掛纜風(fēng)-專用吊具夾吊+30°安裝葉片1，如圖8。

圖8 非水平式單葉片1吊裝立面圖

3)葉片下轉(zhuǎn)-60°，葉片吊具脫開連接，如圖9。

圖9 非水平式單葉片1下轉(zhuǎn)-60°立面圖

4)機(jī)艙偏航200°，0°安裝葉片2，如圖10。

圖10 非水平式單葉片2吊裝立面圖

5)將葉片2起吊+30°，葉片吊具脫開連接。

6)機(jī)艙偏航至葉片1安裝位，+30°安裝葉片3，安裝完成后葉片吊具脫開連接，如圖11。

圖11 非水平式單葉片3吊裝立面圖

3 福清興化灣樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)葉片安裝工藝分析總結(jié)

3.1 安裝工效分析

葉輪組拼型整體安裝工藝單臺(tái)有效作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，約為36 h，受吊裝風(fēng)速限制，作業(yè)窗口相對(duì)較少。

單葉片水平式吊裝安裝工藝需要安裝、拆卸盤車，作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，有效作業(yè)時(shí)間約為30 h，非水平式吊裝安裝工藝無裝卸盤車步驟，有效作業(yè)時(shí)間約為20 h。

總體而言，單葉片吊裝較葉輪組拼型整體安裝作業(yè)時(shí)間短，工作效率高。

3.2 安裝工藝特點(diǎn)對(duì)比

葉輪組拼型整體安裝工藝與單葉片吊裝安裝工藝對(duì)比如表3。

3.3 單葉片安裝工藝特點(diǎn)對(duì)比

水平式與非水平式單葉片吊裝安裝工藝對(duì)比如表4。

表3 葉輪組拼型整體安裝工藝與單葉片吊裝安裝工藝對(duì)比

表4 水平式與非水平式單葉片吊裝安裝工藝對(duì)比

水平式與非水平式單葉片吊裝安裝工藝各有其優(yōu)點(diǎn)，水平式單葉片吊裝對(duì)吊機(jī)操作精度要求相對(duì)較低，纜風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性較高；非水平式單葉片吊裝無需裝、卸盤車裝置，步驟簡(jiǎn)單，作業(yè)時(shí)間短。

4 結(jié) 語

福建區(qū)域海上風(fēng)資源極為豐富，開發(fā)潛力巨大，具有得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢(shì)。福清興化灣試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)作為三峽集團(tuán)在福建省的首個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)，具有優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與巨大的戰(zhàn)略意義。

結(jié)合本文對(duì)福清興化灣樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)大容量海上風(fēng)機(jī)葉片的吊裝工藝的介紹與分析，大容量海上風(fēng)機(jī)單葉片吊裝方法將是國內(nèi)未來深遠(yuǎn)海域大型化海上風(fēng)機(jī)的吊裝發(fā)展方向。另外，在具有良好的預(yù)拼裝碼頭及出運(yùn)能力的近海項(xiàng)目兔耳式吊裝也是推薦可選的葉片吊裝工藝方案之一。

本文試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)葉片吊裝工藝的總結(jié)與分析對(duì)我國海上風(fēng)電吊裝工藝的施工優(yōu)化以及未來海上風(fēng)電的開發(fā)與建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。