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        海上風機基礎形式與風機安裝發展趨勢

        作者:admin 發布日期:2019/1/28 關注次數: 二維碼分享

        海上風電場的設備安裝是一個復雜的系統工程,包括機組的基礎施工技術、機組的預裝配工藝、海上吊裝技術、安裝船舶的調度使用、電纜與海上變電站的布置等。

        由于海上設備安裝的技術要求高,同時受到氣候、天氣、波浪、水流等隨機因素制約,是目前限制海上風電技術和產業發展的重要因素。相關的施工設計和作業中任何失誤,都有可能造成工期延誤。而對于大部分海上風電場來說,安裝只能在一定的季節范圍進行,工期延誤對整個工程會產生決定性的影響。

        因此,選擇合適的安裝方法對海上風電場的建設至關重要。在上述技術環節中,有關機組基礎施工技術的研究尤為重要。本文將結合丹麥HornsRev海上風電場和中國東海大橋海上風電場工程,對相關問題進行初步討論。

        1 風電機組安裝基礎的類型

        海上風電機組的基礎形式主要取決于水深和海底地質條件,同時與機組的安裝方法有關??蛇x擇的基礎形式較多,主要有重力式基礎、單樁或多樁基礎、導管架基礎、吸入沉箱基礎和浮式基礎等。在目前已建成海上風電場中,較多的應用了圖1所示的重力式或單樁(多樁)式基礎。

        1.1重力式基礎

        一般而論,重力式基礎適合水深度較淺的區域,但在過淺的區域可能會受到波浪的影響。如圖1a所示,重力式基礎的沉箱大部分可在岸上制造完成,且不需要打樁,因而成本較低。

        在置放重力式基礎前,通常需要對海底進行預先的平整處理,鑿開海床表層換以層鋪的沙礫層。此后,使用駁船運送或漂浮拖駁至場址,基礎就位之后再用混凝土將其周邊固定。

        重力式基礎可分為混凝土重力式基礎和鋼結構重力式基礎?;炷林亓A的制造工藝簡單,完全依靠自身的重力置于海底,適合于各種類型的海床。早期的海上風電場一般采用混凝土基礎,但是由于其巨大的質量(如某工程的單個基礎達1800噸),給運輸和安裝施工帶來很大的困難。鋼結構重力式基礎雖然同樣需要制作重力沉箱,但可根據海況設計和制造鋼結構,在安裝就位后,再根據需要向鋼結構基礎中澆注高密度的橄欖石壓載,達到基礎重力的設計要求,使其整體重量得以大幅度降低,更便于安裝和運輸。但鋼制基礎不適合腐蝕性強的海域。

        1.2單樁和多樁基礎

        如圖1b所示的樁式基礎是海上機組的另一種常用基礎形式。此類基礎通常有兩種施工安裝方法,一種是在指定地點,采用打樁錘將管狀樁基打人要求的海床深度;另一種是使用鉆孔機在海床鉆孔,裝入樁后再用水泥澆注。

        與重力式基礎比較,樁式基礎通常適用于較深的海域,水深可達到30m以上。由于樁基與塔架都為管狀,因此在現場其間的連接更便捷些。但對于基巖層距離海床遠或堅硬巖石海床,打樁的過程可能需要增加較多成本,甚至難以實施。

        對于水深度較淺且基巖離海床表面很近的位置,單樁式基礎是好的選擇,相對較短的巖石槽即可以承受整個機組結構的傾覆力距。丹麥的HornsRev海上風電場即采用了單樁基礎。單樁式基礎還可以衍生出拉索塔單樁作為改良。

        多樁基礎近年也得到一些工程的采用,我國東海大橋海上風電場即采用了此種基礎形式。多樁基礎的施工,需要將多根制作好鋼管樁用船舶運到現場,然后由現場打樁船打樁到要求的海床深度。利用樁樁基礎,通過鋼套箱模板澆注混凝土制作基礎,再將多根樁連成整體。在基礎滿足強度要求后,將鋼套箱進行拆除處理。

        通常多樁比單樁基礎適用的海域要深些,且更適合于淤泥層較厚的海域。多樁基礎采用的樁也相對較長,如東海大橋海上風電場所用樁長度超過了80米。

        2 海上風電機組安裝船

        海上風電場的施工安裝,無論是機組本體還是基礎,都需要有相應能力的運輸工具運送到風電場址,并配備適合安裝方法的起重設備和定位設備。

        近年來歐洲一些海洋工程公司相繼建造和改造了多艘專門用于海上風電機組安裝的工程船舶。在丹麥的HornsRev海上風電場施工中,即采用了首艘風電機組專用安裝船舶“五月花”號。該安裝船于2004年開始服役,具備自升和自航能力,且具有較高的安裝效率。

        “五月花”號安裝船,屬于采用單獨安裝方式的船舶。不僅具備安裝能力,同時也擁有較大的載貨能力。該船舶淺吃水、能適應惡劣天氣,一次能夠運載10臺風電機組,具備一年安裝200臺風電機組的能力。

        “五月花”船的設計還考慮了風電機組的高度要求,具有6根調整樁腿,能夠在安裝時根據需要升至距海面3~46m的距離。

        我國的海上風電場的建設剛剛起步,尚缺乏專業安裝施工船舶,目前只能采用以往安裝橋梁的船舶替代。圖3是用于東海大橋海上風電機組吊裝的“奮進”號安裝船。

        工程實踐表明,此類安裝船在風電機組安裝適應性方面存在著較多問題,亟待開展相關的研究,盡快研制出專業的安裝船舶。

        3 風電機組安裝方法及發展趨勢

        海上風電機組安裝的目標都是以適當的投入盡量減少海上作業時間,減少海上安裝的不確定性,從而節約總成本并避免工期延誤。目前海上風電機組安裝的方法主要有兩種:一、風電機組傳統吊裝法,二、風電機組整體吊裝法。

        3.1傳統吊裝方法

        傳統吊裝法經過了幾十年的發展,在海上風電機組安裝中的應用廣泛。此類安裝方法主要分為3個步驟:

        (1)機組的基礎樁安裝;

        (2)風電機組塔架部件的安裝;

        (3)機組的機艙及葉片部件安裝。

        丹麥的HornsRev和歐洲的一些海上風電場采用了這種吊裝辦法。

        在采用傳統吊裝法的施工過程中,基礎、塔筒和機艙及葉片安裝需要在海上,分不同階段來完成。用合適的運輸船船將基礎樁運輸到位,用打樁船把樁打到海底;然后需要在基礎樁上安裝船舶登靠設施、J形管、懸梯、平臺等輔助設施,布好海纜后,再使用起重船進行風電機組塔架的分段吊裝;此后分別吊裝機艙、輪轂和葉片部件。

        海上機組的傳統吊裝法的實施過程,可以完全分開的各個部件,也可以是在一定程度上在岸上進行一些部件的預組裝。例如,比較常用的所謂“兔耳朵”式的運輸方式,即先在岸上將機艙內的部件安裝好,并將2片葉片預裝在輪轂上;通過駁船運輸到現場, 進行塔架、機艙和“兔耳朵”式風輪部分吊裝后,后將1片葉片安裝到位。

        上述吊裝通常需要10~15小時的時間,完成后需要通過直升機或小艇將工作人員運送到風電機組進行風電機組上的調試。

        上述的風電機組傳統吊裝法,由于安裝過程主要在海上完成,安裝時間長短與天氣的關系極大。若遇不好天氣,會嚴重影響安裝的進度計劃。同時,安裝后的風電機組調試過程也需在海上完成,可能出現的機組故障,也會導致初期成本大幅度增加。

        3.2風電機組的整體安裝方法

        風電機組整體安裝是一種施工新技術,其設計原則遵從了“能在陸上安裝就不在海上安裝,能在地面安裝就不在高空安裝”的理念:將包括風電機組的塔架、機艙及葉片預先在岸邊的船上整體安裝并調試,然后再整體運送到場址進行安裝。由于機組的整體均在岸邊裝配甚至預試車,可以降低海上天氣對安裝的影響和海上試車的故障率。

        英國Beatrice海上風電場和我國東海大橋海上風電場的機組安裝中,試用了這種整體安裝方法。其基本安裝工藝步驟為:

        (1)將機組的機艙吊上位于陸上的替代塔架

        (2)將三葉片與機艙的輪轂進行對接

        (3)將三段塔筒在岸邊的運輸船上垂直組裝為塔架,

        (4)將已安裝好的機艙與葉輪整體吊裝到塔架的頂端。

        (5)風電機組豎直安裝在運輸船上,并固定在預先準備好的安裝支架上,

        在運輸過程中,需要使風電機組始終保持豎直狀態,到達海域場址后,再用大型船舶吊機將風電機組吊裝到基礎的基座。

        整體安裝的難點,主要在于運輸過程中如何保護體積和重量巨大的風電機組。同時,在海域吊裝過程進行機組本體與基礎的基座對按時,需要解決機組構件對基礎的沖擊等問題。

        3.3兩種安裝方法的比較

        上述的這兩種風電機組吊裝的方法各有優劣,目前在歐洲運用廣泛的仍然是傳統的吊裝方法。而在我國的后續海上風電工程中,可能會更多的考慮使用第二種方法。由于減少海上作業時間是降低安裝成本的有效途徑之一,各國都在不斷研究和改良安裝海上風電機組的方法。但隨著風電機組的大型化,滿足大型風電機組吊裝要求的起重機面臨數量不足、成本過高的問題,因而各種吊裝方法也在研究和實踐之中。

        3.4海上機組安裝技術的發展趨勢

        海上存在了許多不可以預測的因素,為了降低成本和風險,一些研究機構已經開始著手研究海上機組的基礎制造與風電機組整體安裝總成方法。此種安裝技術,是在上述風電機組整體安裝的方法基礎上,將機組的基礎與風電機組本體(包括塔筒、機艙及風輪)作為一個整體,再利用基礎的浮力,由駁船直接牽引到風電場址,后通過加載或壓載直接將基礎連同風電機組安裝在海底。

        4 結語

        風電機組基礎形式決定風機設備的安裝方式,至今制約著我國海上風電產業發展的主要因素,是缺乏離岸型風電機組的專業安裝船舶。目前,包括三一重工、振華重工在內的國內設備制造廠家開始進入專業海上風電機組吊裝船的制造領域。但是,為使專業安裝船舶適應海上風電機組的吊裝要求,還必須要對大型海上風電機組的發展進行有前瞻性的預測,以滿足未來海上風電場不斷變化的安裝要求。

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