姚震球 韓強(qiáng)
(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003)
海上風(fēng)機(jī)吊裝運(yùn)輸船及其吊裝方式的研究概況
姚震球 韓強(qiáng)
(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003)
海上風(fēng)力發(fā)電;海上風(fēng)機(jī)吊裝運(yùn)輸船;需求;風(fēng)機(jī)安裝
介紹了國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電的發(fā)展情況和前景,風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)對(duì)風(fēng)機(jī)吊裝運(yùn)輸船的需求;闡述了海上風(fēng)機(jī)吊裝運(yùn)輸船的分類(lèi)及風(fēng)機(jī)安裝方式的發(fā)展變化。
風(fēng)能作為最具商業(yè)潛力與活力的可再生綠色能源,已引起全球范圍內(nèi)諸多國(guó)家的廣泛研究和開(kāi)發(fā)利用。尤其在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家,風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用已發(fā)展到相對(duì)成熟的階段。鑒于海上風(fēng)能資源豐富、風(fēng)速大、主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定、不占用土地資源、環(huán)境影響小[1,2]等優(yōu)點(diǎn),與陸上風(fēng)電相比,海上風(fēng)電的發(fā)展更加迅猛,從而推動(dòng)了海上風(fēng)機(jī)吊裝運(yùn)輸船的產(chǎn)生及其吊裝方式的研究與發(fā)展。
丹麥于1991年建成第一個(gè)海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)Vindeby風(fēng)電場(chǎng),在此后的十幾年時(shí)間里,歐洲相繼建起了幾十座海上風(fēng)電場(chǎng),英國(guó)、丹麥、瑞典、德國(guó)、愛(ài)爾蘭、荷蘭、中國(guó)、日本和比利時(shí)等國(guó)都建立了海上風(fēng)電機(jī)組。
2007年,世界海上風(fēng)電場(chǎng)的總裝機(jī)容量達(dá)到1 103 MW,近十年來(lái)的年平均增長(zhǎng)率達(dá)到58%。截止到2008年12月底,全球海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)超過(guò)30座,累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到148.52萬(wàn)千瓦,與2007年相比增加了35.02%。
據(jù)丹麥科技大學(xué)的統(tǒng)計(jì)資料,根據(jù)各國(guó)的海上風(fēng)電場(chǎng)的計(jì)劃,預(yù)計(jì)到2011年,總裝機(jī)容量將會(huì)達(dá)到6 903MW,到2030年,歐洲海上風(fēng)力發(fā)電的目標(biāo)是40~150 GW,即40 000~150 000MW[3](圖1)。若能實(shí)現(xiàn),這些項(xiàng)目將產(chǎn)生歐盟電能的10%而避免2億噸的二氧化碳排放量[4]。
圖1 歐洲海上風(fēng)力發(fā)電的目標(biāo)
我國(guó)海上可開(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約7.5億千瓦。在我國(guó)沿海及附近島嶼擁有非常豐富的風(fēng)能資源,開(kāi)發(fā)利用市場(chǎng)條件良好。國(guó)家各大電力公司正著手海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃,具體地址有上海奉賢、南匯;江蘇響水、如東、東臺(tái)、大豐、啟東龍?jiān)吹?;浙江嵊泗島、慈溪;天津沿海,河北黃驊[5],遼寧營(yíng)口,山東長(zhǎng)島,以及其他沿海地區(qū)。
2009年6月,國(guó)務(wù)院正式將江蘇沿海地區(qū)的海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。“國(guó)家海上風(fēng)電技術(shù)裝備研發(fā)中心”落戶(hù)江蘇鹽城[6],這是中國(guó)目前唯一具備生產(chǎn)3MW風(fēng)電機(jī)組能力的基地。上海東海大橋風(fēng)電場(chǎng)所用風(fēng)機(jī)即由其承建。
按照規(guī)劃到2020年,江蘇省將在近海建成7 000 MW海上風(fēng)場(chǎng),初步形成1 000萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地,遠(yuǎn)期目標(biāo)為2 100萬(wàn)千瓦。
我國(guó)首座,同時(shí)也是亞洲首座海上風(fēng)電場(chǎng)——上海東海大橋風(fēng)電場(chǎng)全部風(fēng)機(jī)于2010年2月27日安裝成功。該海上風(fēng)電場(chǎng)由34臺(tái)單機(jī)容量為3 MW的風(fēng)電機(jī)組組成,總裝機(jī)容量102 MW,設(shè)計(jì)年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)2 624 h,年入網(wǎng)電量2.67億千瓦時(shí),項(xiàng)目總投資23.65億元。
到2030年之前,歐洲地區(qū)海上風(fēng)電發(fā)展的目標(biāo)是40~150 GW(即40 000~150 000 MW),假設(shè)每個(gè)風(fēng)機(jī)是5 MW,那么將有8 000~30 000臺(tái)風(fēng)機(jī)需要安裝,按現(xiàn)在的安裝效率,假設(shè)每艘船一年安裝50臺(tái)風(fēng)電機(jī)組,僅對(duì)歐洲地區(qū)而言對(duì)風(fēng)機(jī)吊裝船的需求將超過(guò)兩位數(shù)[7]。
鑒于我國(guó)海上風(fēng)電市場(chǎng)的迅猛發(fā)展,目前七○八研究所、南通中遠(yuǎn)川崎、蛟龍重工、山海關(guān)船廠等都在對(duì)風(fēng)機(jī)吊裝船進(jìn)行相關(guān)的研究制造工作,南京、南通等有些工程承包公司已經(jīng)與有關(guān)單位簽訂了該類(lèi)型船舶的建造協(xié)議。
吊裝船是海上風(fēng)機(jī)吊裝的主要工具,可分為以下幾類(lèi):起重船,帶定位樁腿的自航船,非自航自升式船舶,自航自升式安裝船。目前正朝著大型化、專(zhuān)業(yè)化、智能化、多功能化的方向發(fā)展。
起重船也叫浮吊船,一般分成兩大類(lèi):一類(lèi)是起重臂能夠360°回轉(zhuǎn)的,另一類(lèi)是吊臂固定在船上的一個(gè)方向,通過(guò)船的操作移動(dòng)而實(shí)施重物回轉(zhuǎn)的。起重船在過(guò)淺區(qū)域需考慮吃水,其余區(qū)域不受水深限制,操縱性好,可以對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行整體吊裝,但起重船極其依賴(lài)天氣和波浪條件,對(duì)控制工期不利[8]。且不適合風(fēng)機(jī)的運(yùn)載,需要專(zhuān)門(mén)的駁船運(yùn)輸風(fēng)機(jī)。起重船的吊機(jī)一般可以承載一千甚至幾千噸的負(fù)荷,比較適合裝卸大型重物。
東海大橋風(fēng)電場(chǎng)前期3臺(tái)機(jī)組吊裝所用船舶“四航奮進(jìn)”號(hào)(圖2)是典型的起重船。該船是由廣州中港第四航務(wù)工程局總投資、國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)建造、最大的雙臂架全液壓固定式起重船,主要用于跨海大橋的架橋工程、港口內(nèi)裝卸大型重物以及大型沉船的打撈等起重作業(yè)[9]。
圖2 “四航奮進(jìn)”號(hào)
該類(lèi)型船是自航自升式船與起重船之間的一種折中方案。通常由駁船等其他船舶改造而成,樁腿是在改建中添加的。安裝作業(yè)中船體依靠自身浮力漂浮在水中,樁腿起到提高船體穩(wěn)性的作用。
圖3 “海力”號(hào)
圖4 “跳爆竹”號(hào)
如A2SEA公司的“Sea Energy”、“Sea Power”號(hào)(圖3),均是由集裝箱貨船為風(fēng)車(chē)安裝專(zhuān)門(mén)改建。
這是一種擁有樁腿能自行升降的平臺(tái),不能自航,需要用拖船將其拖到指定的工作地點(diǎn)[10]。到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后樁腿插入海底支撐駁船,通過(guò)液壓升降裝置使駁船抬出水面,形成不受波浪影響的穩(wěn)定平臺(tái)。然后平臺(tái)上的起重機(jī)完成對(duì)風(fēng)機(jī)的吊裝。其面積決定一次性可以運(yùn)載風(fēng)機(jī)的數(shù)量。
這種平臺(tái)在拖航及工作時(shí)對(duì)天氣的依賴(lài)比較大,且因?yàn)椴荒茏院剑倏v性較差。
荷蘭瑪姆特(Mammoet)公司與Van Oord ACZ聯(lián)合建造了“跳爆竹”號(hào)船(圖4),該船有四條可伸縮的支架,起重能力1 200 t,是一種纜索自升式起重駁船,適于基礎(chǔ)施工及風(fēng)機(jī)的吊裝,在Arklow Bank項(xiàng)目中發(fā)揮了巨大的作用,現(xiàn)在屬于A2sea公司,改名為“SEA JACK”[11]。
安裝時(shí)的海況和天氣對(duì)這些船的安裝作業(yè)影響很大,安裝的效率低、效果差,從而使安裝成本增加,而隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展,小型船舶已無(wú)法滿(mǎn)足起重高度、起重能力等的要求。因而,對(duì)復(fù)雜海況和天氣適應(yīng)性更強(qiáng)的可自升自航的專(zhuān)業(yè)風(fēng)機(jī)吊裝運(yùn)輸船應(yīng)運(yùn)而生。
該類(lèi)型船兼具自升式平臺(tái)和自航船舶的優(yōu)點(diǎn),如:
(1)能夠自航、操縱性好、安裝效率更高,可以單獨(dú)完成海上作業(yè)任務(wù);
(2)擁有可升降樁腿來(lái)抬起船體,安裝作業(yè)穩(wěn)定安全,對(duì)天氣依賴(lài)程度降低;
(3)一般是箱型船體、自升式平臺(tái)構(gòu)造,甲板空間大,可以一次性運(yùn)載更多的風(fēng)電機(jī)組;
(4)在一定水深和工程作業(yè)范圍內(nèi),自升自航式平臺(tái)更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
2003年12月6日,山海關(guān)船廠為英國(guó)五月花能源有限公司建造的世界上第一艘海上風(fēng)機(jī)吊裝船交船,該船被命名為“MAYFLOWER RESOLUTION”號(hào)(圖5)。它自動(dòng)化程度高,全船可實(shí)現(xiàn)一人駕駛,在駕駛臺(tái)可對(duì)全船設(shè)備進(jìn)行操縱,檢測(cè)設(shè)備工作狀態(tài),也可用于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的安裝。
圖5 “五月花”號(hào)
2009年4月30日,南通中遠(yuǎn)船務(wù)“決心1號(hào)”風(fēng)機(jī)吊裝船開(kāi)工割板。2010年5月15日“決心2號(hào)”在船臺(tái)合攏。該類(lèi)型船樁腿6條,形式為插拔銷(xiāo)液壓缸提升下降裝置[12]。這種船型是將起重機(jī)放置在樁腿的升降室上,增大了甲板空間,增加了風(fēng)機(jī)的裝載量。
2009年12月,德國(guó)RWE Innogy公司和韓國(guó)大宇造船簽訂了2艘風(fēng)機(jī)安裝船的訂單,價(jià)值3億美元。該船能以7.5 kn航速航行,可裝載4個(gè)5 MW的風(fēng)電機(jī)組。通過(guò)6個(gè)推進(jìn)器和GPS系統(tǒng)自己找到海上的安裝點(diǎn),在12天內(nèi)用800 t的起重機(jī)安裝4個(gè)風(fēng)電機(jī)組[13]。
2010年初,干船塢世界東南亞有限公司(DDW-SEA)將建造1艘GustoMSC NG-9000CHPE風(fēng)機(jī)安裝船(圖6),該船具有6 500 t的裝卸能力,配有持續(xù)液壓升降系統(tǒng)。其起重機(jī)也是放置在樁腿的升降室上。
圖6 NG-9000C-HPE
繼開(kāi)發(fā)出“五月花”號(hào)后,丹麥Knud E.Hansen A/S公司又開(kāi)發(fā)出新一代風(fēng)機(jī)安裝船“Blue Ocean Ships”(圖7)。該船能夠獨(dú)立完成風(fēng)機(jī)安裝全過(guò)程,包括從打樁到連接件、塔筒的安裝以及最后機(jī)艙和葉片的組裝。6個(gè)桁架樁腿即使其中一條樁腿出現(xiàn)問(wèn)題,仍能夠保持安全。其航速達(dá)到14 kn,利于減少航行時(shí)間和增加操作時(shí)間[14]。
圖7 Blue Ocean Ships
Gaoh offshore安裝船(圖8)是英國(guó)風(fēng)力能源公司為深水海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)而造,甲板裝載總面積6 000 m2,主甲板負(fù)載達(dá)10 t/m2,樁腿截面為4 m×4 m,能裝載16~18臺(tái)3.6 MW的風(fēng)電機(jī)組,設(shè)計(jì)波高2m[15]。其起重機(jī)也是放置在樁腿的升降室上。
一些公司提出了具有特殊船型和特殊安裝裝置的自航式船舶的概念。
圖8 Gaoh Offshore
圖9 “HLV-Svanen”號(hào)
荷蘭的“HLV-Svanen”號(hào)是一艘雙體吊裝船(圖9),它的超級(jí)構(gòu)造使其起重重量可達(dá)8 700 t,起重高度達(dá)75 m,能安裝轉(zhuǎn)子直徑達(dá)130~140 m、額定功率為6~7 MW的風(fēng)機(jī),且可以運(yùn)輸直徑22 m的混凝土沉降基礎(chǔ)。
圖10 小水線面雙體安裝船
Huisman公司提出了SWATH小水線面雙體安裝船(圖10)的概念,它的系泊系統(tǒng)和DP3動(dòng)力定位系統(tǒng),使其擁有極好的操縱性和操作性,可在波高3.5 m的情況下進(jìn)行作業(yè)。兩個(gè)大型可變螺距螺旋槳,使其航速達(dá)14 kn。船只省掉了抬出水面所需要的時(shí)間,安裝效率更高。其一次可裝載兩個(gè)風(fēng)機(jī),亦可運(yùn)載安裝兩個(gè)導(dǎo)管架式或單樁式基礎(chǔ)[16]。
表1為幾艘風(fēng)機(jī)吊裝船的性能數(shù)據(jù)[17-23]。
表1 一些安裝船的性能參數(shù)
在風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際吊裝經(jīng)驗(yàn)中,風(fēng)機(jī)安裝通常有三種情況:第一,安裝基座,吊裝支撐塔架和機(jī)艙,吊裝葉片;第二,安裝基座,吊裝支撐塔架,吊裝機(jī)艙和葉片;第三,安裝基座,吊裝在岸上由塔架、機(jī)艙和葉片裝配好的風(fēng)機(jī)整體[24]。吊裝流程如圖11所示:
圖11 吊裝流程圖
風(fēng)機(jī)吊裝至基座上之前是在岸邊完成裝配,如先安裝好塔架各部分,再安裝機(jī)艙和葉片。早期,風(fēng)機(jī)的配件通常是被水平的運(yùn)到場(chǎng)地然后豎起安裝。這種方法已被證明是極其花費(fèi)時(shí)間依賴(lài)天氣的[28],現(xiàn)在多是塔筒被豎直起來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸。機(jī)艙和葉片的運(yùn)輸安裝可采用以下兩種方式:
4.1.1 “兔耳式”運(yùn)輸安裝
A2SEA公司的“SEA ENERGY”號(hào)自升式駁船,在船中部有支架可以放置兩個(gè)由機(jī)艙和兩個(gè)葉片形成類(lèi)似兔子耳朵的組合體,另外兩個(gè)葉片分別安置在尾部的舷左和舷右,然后依次進(jìn)行吊裝(圖12)。
4.1.2 “三葉式”運(yùn)輸安裝
A2SEA公司的海力號(hào)安裝船,在船中部放置機(jī)艙,塔筒分布兩側(cè),裝配好的類(lèi)似于葉子的葉片與輪轂組合體安置在船尾的支架上,然后依次進(jìn)行吊裝(圖13)。
圖12 “兔兒式”的運(yùn)輸?shù)跹b
圖13 “三葉式”運(yùn)輸安裝
為了進(jìn)一步縮短工程建設(shè)周期,提高安裝效率,風(fēng)機(jī)的塔筒和風(fēng)力發(fā)電機(jī)可作為一個(gè)整體進(jìn)行吊裝作業(yè)。將風(fēng)機(jī)安裝工程分為兩部分,首先吊裝基座,之后吊裝在碼頭裝配好的塔架、機(jī)艙和葉片的風(fēng)機(jī)機(jī)組。英國(guó)的Beatrice風(fēng)場(chǎng)(圖14)和我國(guó)東海大橋風(fēng)電場(chǎng)(圖15)的前期3臺(tái)機(jī)組采用的就采用了這種吊裝方式。這種方式對(duì)吊裝船的要求較高。
4.3.1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)的運(yùn)輸和安裝方式
通過(guò)船上的液壓系統(tǒng),以及兩個(gè)移動(dòng)式升降門(mén)架和兩個(gè)滑移軌道單元將導(dǎo)管架從船上裝載位置進(jìn)行轉(zhuǎn)移和安裝。這種浮動(dòng)制度對(duì)水深和海床的條件依賴(lài)較小,節(jié)約安裝時(shí)間和費(fèi)用。在目前的配置概念中,可同時(shí)運(yùn)載4個(gè)導(dǎo)管架基礎(chǔ)(圖16)。
圖14 RAMBIZ進(jìn)行整體吊裝
圖15 “四航奮進(jìn)號(hào)”進(jìn)行整體吊裝
圖16 導(dǎo)管架的運(yùn)輸安裝
4.3.2 風(fēng)機(jī)的運(yùn)輸和安裝方式
概念一:不使用起重吊機(jī),不采用吊裝方式,而是將安裝船定位于基礎(chǔ)旁,通過(guò)旋轉(zhuǎn)升降安裝系統(tǒng),把風(fēng)機(jī)整體從船上裝載位置夾緊抱起,逐步旋轉(zhuǎn)移送、降下、固定在基礎(chǔ)上[29](圖17);
概念二:該系統(tǒng)有一個(gè)起重機(jī),移動(dòng)夾緊裝置,縱向滑移軌道系統(tǒng),空中吊運(yùn)臺(tái)車(chē)。在基礎(chǔ)旁,通過(guò)空中吊運(yùn)臺(tái)車(chē)將風(fēng)機(jī)整體在縱向軌道上滑移到起重機(jī)旁,起重機(jī)上的移動(dòng)夾緊裝置夾住抱起風(fēng)機(jī),逐步移送、降下、固定在基礎(chǔ)上(圖18);
概念三:船上有一個(gè)支架,支架的兩側(cè)有夾緊和滑動(dòng)平衡裝置,支架的頂部有一吊機(jī)。船到底安裝地點(diǎn)后,支架頂部的吊機(jī)通過(guò)滑動(dòng)平衡裝置將風(fēng)機(jī)抬高到適合和基礎(chǔ)對(duì)接的位置,逐步移送、降下、固定在基礎(chǔ)上(圖19)。
圖17 概念一
圖18 概念二
圖19 概念三
該類(lèi)型安裝船及安裝方式有以下好處:
1)減少海上起重吊裝作業(yè)、甚至取消對(duì)吊機(jī)的依賴(lài),提高安裝效率和安全性;
2)減少船舶配員的要求;
3)運(yùn)輸安裝能力更強(qiáng),運(yùn)載量更大,可安裝更大型的風(fēng)機(jī);
4)風(fēng)機(jī)可在岸上進(jìn)行組裝,測(cè)試和裝載,提高整體可靠性;
5)對(duì)水深和海床的條件依賴(lài)較小,對(duì)天氣的適應(yīng)性增強(qiáng)。
需要攻克和實(shí)踐檢驗(yàn)的主要技術(shù)系統(tǒng)[30]有:
1)旋轉(zhuǎn)升降系統(tǒng)、軌道滑行系統(tǒng);
2)液壓系統(tǒng);
3)固定夾緊系統(tǒng);
4)控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
另外,歐洲也開(kāi)始了基礎(chǔ)與風(fēng)機(jī)一體的運(yùn)輸?shù)跹b法的研究,此方法理論上是在海上作業(yè)程序最少的風(fēng)機(jī)安裝方法,但目前還沒(méi)有過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。該方法對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的選擇有局限性,如導(dǎo)管架基礎(chǔ)和重力式基礎(chǔ)。
海上風(fēng)機(jī)的吊裝比較特殊,更多的研究應(yīng)集中在提供快速安全的安裝技術(shù)和設(shè)備。為了減少海上作業(yè)時(shí)間、縮短工期、降低海上風(fēng)電場(chǎng)施工成本,各國(guó)都在研究改良風(fēng)機(jī)安裝的方法。未來(lái)海上風(fēng)機(jī)安裝的挑戰(zhàn):
1)成本的降低
a)更快的安裝過(guò)程及其方式的創(chuàng)新;
b)更為優(yōu)化、適合風(fēng)機(jī)安裝的專(zhuān)業(yè)安裝船的設(shè)計(jì)制造;
c)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的創(chuàng)新。
2)單機(jī)容量大型化,即更大的風(fēng)電機(jī)組
3)更快、更安全的安裝裝置
a)運(yùn)輸支援船舶的設(shè)計(jì)制造;
b)更快、更安全的甲板操作裝置。
4)由淺海向深海發(fā)展以及未來(lái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的形式
漂浮的風(fēng)電機(jī)組:新的安裝程序和專(zhuān)用船舶。
由于能源日益緊缺,海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)海上風(fēng)電,而海上風(fēng)機(jī)吊裝運(yùn)輸船是建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)的關(guān)鍵設(shè)備。我國(guó)還沒(méi)有專(zhuān)用于海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的船舶,因此研究、設(shè)計(jì)和建造海上風(fēng)機(jī)吊裝運(yùn)輸船是可行和必要的。作為一種新型船,對(duì)于船廠的技術(shù)進(jìn)步和利潤(rùn)的增長(zhǎng)也具有重大意義。
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On off shorew ind turbine lifting transport vessel and its lifting modes
Yao Zhen-qiu Han Qiang
offshore wind power generation;offshore wind turbine lifting transport vessel;requirement;wind turbine installation
At present,the offshore wind power generation develops rapidly.This paper introduces the development and prospect of offshore wind power in China and abroad,and discusses the requirement of wind turbine lifting transport vessel during the construction of wind power station.Then,it describes categorization of the vessels and the development of wind turbine installation modes.
U674.1
A
1001-9855(2011)02-0054-08
2010-12-31
江蘇省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(編號(hào):BE2009118)。
姚震球(1964-),男,漢族,副教授,主要從事船舶研究設(shè)計(jì)工作。
韓強(qiáng)(1980-),男,漢族,碩士研究生,主要從事船舶研究設(shè)計(jì)工作。