李紅峰，沈星星，葛中原，方 晶，陳金龍，胡海紅

(江蘇金風科技有限公司，鹽城 224100)

0 引言

海上風電是可再生能源發(fā)展的重要領域，也是近年來全球風電發(fā)展的重要方向之一。隨著海上風電的迅速發(fā)展，海上風電機組的單機容量越來越大。據(jù)歐洲風能協(xié)會官方網(wǎng)站W(wǎng)ind Europe發(fā)布的統(tǒng)計顯示，2019年，歐洲新安裝的海上風電機組的平均單機容量達到7.8 MW，而2018年這一數(shù)字還僅為6.8 MW，足足提高了1 MW[1]。預計到2040年，中國的累計海上風電裝機容量將從2019年的4 GW增加到110 GW，屆時將超過英國成為全球海上風電裝機容量最大的國家[2]。在此背景下，海上風電機組的安裝技術和裝備水平成為海上風電場建設的瓶頸[3]。

本文結合國內(nèi)首臺完全自主開發(fā)的8 MW直驅(qū)式海上風電機組在福建省福清興化灣海上風電場二期項目中安裝時的實際施工情況，從安裝工程概況、風電機組參數(shù)、安裝船情況、安裝船施工能力、整體施工工藝幾方面對大容量海上風電機組的安裝技術和安裝步驟進行了詳細介紹。

1 安裝工程綜述

本文以福建省福清興化灣海上風電場二期項目中22號機位安裝的金風科技8 MW直驅(qū)式海上風電機組為例進行介紹，該風電機組為國內(nèi)首臺完全自主開發(fā)的大兆瓦海上風電機組。

1.1 安裝工程概況

該風電場中，22號機位的中心經(jīng)緯度坐標為 25.397531°N、119.366804°E。該機位采用高樁承臺基礎形式，基礎頂高程為+11 m，設計高潮位為+3.69 m，泥面標高為-10.61 m。本文中所有高度均為“1985國家高程基準”(下文簡稱“85高程系”)。

1.2 風電機組參數(shù)概況

金風科技8 MW直驅(qū)式海上風電機組的機頭布局采用E-TOP方案。機頭部分主要包括葉輪、發(fā)電機和機艙，機艙內(nèi)主要包括偏航系統(tǒng)、水冷環(huán)控系統(tǒng)、一體化變流器等，整機結構的機頭部分如圖1所示。該風電機組的葉輪直徑為175 m、葉片長度為85.6 m，整個風電機組的安裝參數(shù)如表1所示。

表1 金風科技8 MW直驅(qū)式海上風電機組的安裝參數(shù)Table 1 Installation parameters of 8 MW direct-driven offshore wind turbine of Goldwind

圖1 金風科技8 MW直驅(qū)式海上風電機組整機結構的機頭部分Fig. 1 Head part of overall structure of 8 MW direct-driven offshore wind turbine of Goldwind

1.3 安裝船的介紹

本安裝工程選用“風和”號1200 t自升式風電安裝船(下文簡稱“安裝船”)作為金風科技8 MW直驅(qū)式海上風電機組的安裝船舶。該安裝船的主要尺寸及主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 “風和”號安裝船的主要尺寸及主要性能參數(shù)Table 2 Main dimensions and performance parameters of “Feng He” installation vessel

2 “風和”號安裝船的施工能力分析

2.1 塔筒翻身工況分析

金風科技8 MW直驅(qū)式海上風電機組的塔筒共分為4段，底段塔筒采用豎立運輸方式，即從運輸至安裝過程中底段塔筒始終處于豎立狀態(tài)，由主吊的主鉤單獨完成安裝作業(yè)；而第2段、第3段及頂段塔筒均采用橫向放置的運輸方式，安裝時需要考慮塔筒翻身的工況。塔筒翻身過程示意圖如圖2所示，圖中，G為本段塔筒的重量；F1為輔吊荷載；F2為主吊荷載；La、Lb均為重心到吊點的力臂。

圖2 塔筒翻身過程的示意圖Fig. 2 Schematic diagram of tower turning over process

以該風電機組塔筒中重量最重的第2段塔筒為例進行塔筒翻身過程分析。該段塔筒的重量G為145 t，長L為25.2 m，直徑為6.5 m，塔筒的翻身由專門的吊具進行抬吊。在塔筒抬吊翻身的過程中，已知La=12.6 m，動載系數(shù)取1.1，不均衡系數(shù)取1.1，由力矩平衡原理計算可得，在塔筒為水平狀態(tài)時F1最大，此時F1=85.91 t；在塔筒為豎直狀態(tài)時F2最大，此時F2=171.82 t；考慮到吊具自重，修正后的F1=87 t，F(xiàn)2=184 t。在塔筒翻身過程中，1200 t主吊的吊重曲線圖如圖3所示。

圖3 1200 t主吊的吊重曲線圖Fig. 3 Lifting curve of 1200 t main crane

由圖3可知，主吊、輔吊按40 m吊臂幅度同時作業(yè)時，起吊狀態(tài)下，主吊的最大吊重為650 t，大于F2的184 t；輔吊的最大吊重為200 t，大于F1的87 t。二者的負荷率均小于80%，塔筒翻身抬吊滿足要求。

2.2 起重能力分析

根據(jù)金風科技8 MW直驅(qū)式海上風電機組的參數(shù)信息，參照圖3主吊的吊重曲線圖，對“風和”號安裝船1200 t主吊的吊裝基本參數(shù)進行分析。

1)吊重最大的為機艙-發(fā)電機-輪轂組合體。過駁甲板重量為475 t，吊裝重量為452.5 t，安全系數(shù)取1.3，則機艙-發(fā)電機-輪轂組合體的過駁吊重要求為475×1.3=617.5 t，吊裝吊重要求為 452.5×1.3=588.25 t。

2)塔筒的吊高為120 m，機艙-發(fā)電機-輪轂組合體的吊高為121 m，葉片的吊高為123 m，拆卸機艙-發(fā)電機-輪轂組合體(使用葫蘆把吊帶從機艙里抽出來)時的吊高為122 m，拆卸盤車時的吊高為124 m。以上參數(shù)中，拆卸盤車時的吊高要求最高，若再考慮2.5 m的富裕高度，即最大吊高為124+2.5=126.5 m。

3)“風和”號安裝船船體與承臺機位的凈距離不能小于10 m(樁腿位置與承臺機位間距大于等于22 m時，樁腿位置可避開斜樁)，承臺的半徑為9 m，主吊機中心距離安裝船船艉邊沿的長度為14.4 m，則主吊機中心距離機位中心的最小距離為14.4+10+9=33.4 m，若再考慮留出富裕距離，那么主吊機中心與機位中心之間的距離不得少于35 m。

對1200 t主吊的吊裝基本參數(shù)進行分析后，對風電機組整體安裝進行分析，結果如下：

1)機艙-發(fā)電機-輪轂組合體卸貨時，在1200 t主吊的回轉(zhuǎn)半徑R為40 m的工況下，主吊的最大吊重為650 t，大于組合體的過駁吊重要求的617.5 t，則運輸船靠泊在主吊回轉(zhuǎn)半徑R為20～40 m的范圍內(nèi)時，機艙-發(fā)電機-輪轂組合體均可滿足過駁甲板條件。

2)當船體靠近機位時，1200 t主吊的回轉(zhuǎn)半徑R取35 m。在R=35 m的工況下，1200 t主吊的主鉤的最大吊重為800 t，大于組合體的吊裝吊重要求的588.25 t，則吊重滿足要求；1200 t主吊的主鉤的最大吊高為甲板面以上116 m，按甲板面高出承臺基準面5 m計算，則最大吊高為116+5+11=132 m，大于拆卸盤車時的最大吊高的126.5 m，吊高滿足要求。

3)當機艙-發(fā)電機-輪轂組合體吊裝到頂段塔筒時，吊重為588.25 t，盤車拆除的吊高要求為126.5 m。查詢圖3可知，此時R不能超過42 m，1200 t主吊的主鉤的最大吊重為600 t，大于588.25 t，吊重滿足要求；1200 t主吊的主鉤的最大吊高為114+5+11=130 m，大于126.5 m，吊高滿足要求。

綜上所述，“風和”號安裝船的主吊機中心與機位中心之間的距離在35～42 m為宜。根據(jù)《金風GW175-8.0機組整機安裝手冊(175單葉式)》[4](下文簡稱“機組安裝手冊”)，在安裝完葉輪后，朝下的葉尖與機位中心之間的距離約為25 m，承臺半徑為9 m，即葉尖與機位中心之間的距離約為16 m?？紤]風電機組與安裝船的安全間距，安裝船的船艉邊沿與承臺邊沿的距離應不小于16 m，主吊機中心與安裝船船艉邊沿之間的距離為14.4 m，則本方案中安裝船的回轉(zhuǎn)半徑R的安全距離為14.4+16+9=39.4 m?，F(xiàn)場布局選擇回轉(zhuǎn)半徑R為40 m、甲板面頂升高程16 m作為本機位安裝船的進點站位值。安裝船站點位置的俯視圖和側(cè)視圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 安裝船站點位置的俯視圖(單位：mm)Fig. 4 Top view of site location of installation vessel (unit: mm)

圖5 安裝船站點位置的側(cè)視圖(單位：mm)Fig. 5 Side view of site location of installation vessel (unit: mm)

3 整體施工工藝

金風科技8 MW直驅(qū)式海上風電機組的整體安裝步驟為：先安裝塔筒，然后進行機艙-發(fā)電機-輪轂組合體的整體安裝，最后進行單葉片的安裝。

3.1 塔筒安裝

塔外吊機、柴油發(fā)電機及運維艙需要在底段塔筒安裝前完成安裝；然后塔筒的4段按照底段塔筒、第2段塔筒、第3段塔筒、頂段塔筒的順序分別進行安裝。

3.1.1 底段塔筒的安裝

底段塔筒是在生產(chǎn)基地內(nèi)完成內(nèi)部電氣設備的預組裝，然后直立放在運輸船甲板上，因此，運輸船將底段塔筒運至施工現(xiàn)場后可直接將其從運輸船起吊，采用“風和”號安裝船的1200 t主吊進行安裝，如圖6所示。

圖6 底段塔筒的安裝Fig. 6 Installation of first section of tower

底段塔筒的具體安裝步驟為：

1)步驟1：塔筒的運輸支架安裝前才能拆卸，拆卸防雨蓋時，從防雨蓋頂部孔安裝吊帶；

2)步驟2：對底段塔筒兩端的法蘭面進行檢查；

3)步驟3：檢查塔筒附件；

4)步驟4：安裝塔筒上的吊具，拆除底段塔筒運輸工裝，并開始起吊；

5)步驟5：底段塔筒與基礎錨栓固定；

6)步驟6：錨栓螺栓進行液壓拉伸；

7)步驟7：現(xiàn)場安裝底段塔筒的豎直梯子；

8)步驟8：安裝塔筒外側(cè)爬梯。

3.1.2 第2段塔筒的安裝

第2段塔筒的安裝步驟具體為：

1)步驟1：安裝塔筒上、下部吊具。

2)步驟2：對第2段塔筒進行翻身。將“風和”號的1200 t主吊與塔筒上法蘭吊具的2根吊帶連接，360 t輔吊與塔筒下法蘭吊具的吊帶連接；當主吊、輔吊的提升高度超過底段塔筒高度后，輔吊開始緩慢下放，而主吊的主鉤則繼續(xù)緩慢上升并向輔吊方向移動，直至第2段塔筒呈豎直狀態(tài)，此時完成塔筒翻身。

3)步驟3：第2段塔筒起吊與底段塔筒上法蘭螺栓相連接，如圖7所示。

圖7 第2段塔筒的安裝Fig. 7 Installation of second section of tower

4)步驟4：緊固螺栓。

5)步驟5：吊具松鉤。

3.1.3 第3段塔筒的安裝

第3段塔筒的安裝步驟與第2段塔筒的安裝步驟相同。

3.1.4 頂段塔筒的安裝

頂段塔筒在安裝前需要先在塔筒外表面安裝繞流塊，然后再進行安裝，安裝步驟與第2段塔筒相同。頂段塔筒的安裝如圖8所示。

圖8 頂段塔筒的安裝Fig. 8 Installation of fourth section of tower

3.2 機艙-發(fā)電機-輪轂組合體的整體安裝

機艙-發(fā)電機-輪轂組合體的整體安裝步驟為：盤車工裝安裝和定位后，安裝臨時防雨棚，并安裝盤車集裝箱；隨后安裝機艙-發(fā)電機-輪轂組合體的吊具，并對機艙-發(fā)電機-輪轂組合體進行安裝；最后在緊固螺栓后，拆除吊具。

具體步驟為：

1)盤車工裝的安裝和定位。

2)臨時防雨棚的安裝。

3)盤車集裝箱的安裝。利用專用絲杠逐個推動盤車工裝滑塊直到其到達工作位置，逐個調(diào)整滑塊上部導向燕尾槽，安裝并調(diào)整氣隙保護銅塊，檢查確認盤車工裝的氣隙保護位置，然后連接盤車工裝控制電纜及油管，最后進行盤車工裝自檢。

4)機艙-發(fā)電機-輪轂組合體的吊具安裝。在機艙-發(fā)電機-輪轂組合體安裝前，必須先仔細檢查，確保所有部件牢固無松動；安裝輪轂吊耳側(cè)吊具時，安裝人員需要穿安全衣，掛安全帶掛點，以防止跌落。

5)機艙-發(fā)電機-輪轂組合體的安裝。調(diào)整機艙-發(fā)電機-輪轂組合體的吊梁刻度至該組合體重心+盤車工裝水平位置標識處后，拆除全部運輸支架的連接螺栓，然后120°均布安裝3根導正棒；指揮吊機緩慢移動機艙-發(fā)電機-輪轂組合體的位置，利用導正棒引導機艙移動到塔架頂法蘭孔的正確位置，隨后緩慢下降，直至導正棒穿過塔架頂法蘭孔。機艙沿著塔筒下降直至導正棒穿過塔架頂?shù)姆ㄌm孔，機艙偏航法蘭孔與塔架頂?shù)姆ㄌm孔對齊，此時主鉤下鉤，使2個法蘭面完全貼合。機艙-發(fā)電機-輪轂組合體的安裝現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 機艙-發(fā)電機-輪轂組合體的安裝現(xiàn)場Fig. 9 Installation site of nacelle -generator-hub assembly

6)螺栓緊固。待所有螺栓手工穿入后，用電動扳手按十字對角線方向預緊螺栓，螺栓的終擰力矩為3600 N·m。螺栓共分3次進行緊固：第1次緊固時，電動扳手的力矩不超過終擰力矩的50%，然后拆除導正棒；第2次緊固時，液壓扳手的力矩為終擰力矩的50%(約1800 N·m)；第3次緊固時，液壓扳手為100%的終擰力矩(3600 N·m)。

螺栓全部完成預緊后，對螺栓進行二次防腐。防腐干燥后，每個螺栓必須做防松標記線。

7)拆除吊具。

3.3 葉片的安裝

單支葉片的安裝步驟為：搭設葉片過駁貝雷平臺，準備葉片，并利用夾具夾持葉片，然后進行葉片安裝；安裝后將葉片與變槳軸承對接，安裝葉根螺栓，隨后葉片夾具松鉤；啟動盤車裝置進行葉輪盤車，然后以同樣的方式安裝第2支和第3支葉片；拆除盤車工裝，進行前片體和軟連接的安裝；拆除盤車集裝箱，進行工藝孔封堵；最后解鎖發(fā)電機的鎖定銷。

具體的步驟為：

1)葉片過駁貝雷平臺的搭設。采用單葉片安裝工藝，利用葉片夾具夾持葉片時需使葉片保持絕對靜止狀態(tài)，才可滿足葉片夾具的夾持條件；由于葉片在運輸船上受涌浪影響無法達到葉片夾具的直接夾持條件，所以需要將葉片過駁至平臺船上后再進行葉片夾持動作。

金風科技8 MW直驅(qū)式海上風電機組的葉片長度為85.6 m，運輸支架間距為52 m，受安裝船甲板面積的限制，葉片無法直接過駁放置至甲板面上，需要在船舷兩側(cè)搭設平臺以便放置葉片支撐工裝，該平臺采用貝雷全懸臂桁架結構。葉片過駁貝雷平臺的布置如圖10所示。

圖10 葉片過駁貝雷平臺的布置圖Fig. 10 Layout of blade barge Bailey platform

2)葉片準備。檢查偏航控制柜的線纜連接是否可靠，是否具備安裝條件。使用偏航手柄，將輪轂移動至與吊車臂正對的位置。

3)夾持葉片。檢查葉片角度、葉片凈空高度、葉片擋雨環(huán)到葉根的距離、葉片表面清潔度，以及吊具夾塊表面清潔度是否滿足機組安裝手冊中的工藝要求。夾持葉片時，如果運輸船的穩(wěn)定性不能滿足葉片直接夾持的要求，或吊具夾持需求高度不滿足直接夾持的要求，則需使用雙車抬吊的方式將葉片連同運輸支架卸貨到安裝船上的指定位置。安裝船上使用貝雷架或類似的墊高結構，以保證葉片放置在安裝船上后的凈空要求。

葉片夾持好后，主吊主鉤的吊裝重量提升約70 t，拆除葉片根部下半截的支架，然后完成葉片根部剩余螺栓的安裝。在雙頭螺柱螺紋處涂抹固體潤滑膏，螺栓孔間隙處涂抹密封膠，并對零刻度線上、下的2個螺栓作記號進行標識，同時在該風電機組輪轂內(nèi)對每個變槳軸承內(nèi)側(cè)零刻度線上、下的2個螺栓孔也進行記號標識。

4)葉片安裝。起吊葉片時攬風系統(tǒng)設置成自動狀態(tài)，當葉片到達變槳軸承高度后，安裝人員通過變槳軸承擋板人孔進行觀察，配合吊機、攬風系統(tǒng)將葉片移至變槳軸承的正前方。

5)葉片與變槳軸承對接。葉片調(diào)至變槳軸承正前方后，吊鉤將葉片緩慢向變槳軸承靠近，當葉片根部螺栓接近變槳軸承時，位于機艙頂部天窗下的安裝人員通過手拉繩子將吊具上的緊急釋放系統(tǒng)的線纜頭連接到天窗下的緊急釋放系統(tǒng)控制箱上。輪轂內(nèi)的指揮人員通過外部觀察引導葉根螺栓的對孔操作，保證0°刻度線上、下的2個同種顏色的螺栓與變槳軸承0°時的2個與之相同顏色的孔對齊。安裝螺栓的過程中，可通過微調(diào)小液壓站的手動閥對變槳軸承進行變槳。

6)葉根螺栓安裝。葉片到位后，將小液壓站換向閥切至中間位置，拆卸導正棒，安裝剩下的2個雙頭螺柱，以及在雙頭螺柱上安裝螺母和墊圈，墊圈有倒角的一面朝向螺母，螺母上有字的一面朝外。葉片與變槳軸承對接完成后，使用數(shù)顯電動扭矩扳手按照十字交叉規(guī)則對螺栓進行快速緊固。

7)葉片夾具松鉤。特定部位的螺栓快速緊固完成后，可松開單葉片吊具，同時進行盤車。根據(jù)風電機組上指揮人員的指揮，操作夾具釋放葉片，松開緊急系統(tǒng)的線纜連接。在攬風系統(tǒng)的配合下，吊車將吊具緩慢脫離葉片。脫離過程中，應密切觀察夾具操作終端上夾具與葉片的間隙，盡量保證下部底塔與葉片之間有足夠的空間。夾具操作人員可根據(jù)指揮人員的要求，配合進行夾具俯仰動作。在甲板上進行第2支葉片吊裝前的準備。

8)葉輪盤車。啟動盤車裝置，利用盤車工裝順時針(首選葉片朝下轉(zhuǎn)動)或逆時針轉(zhuǎn)動葉輪，將輪轂轉(zhuǎn)動到下一支葉片水平安裝的位置上。第1支葉片盤車如圖11所示。

圖11 第1支葉片盤車的圖片F(xiàn)ig. 11 Photo of first blade rotation

9)第2支葉片及第3支葉片的安裝。單支葉片盤車動作完成之后，工作人員進入輪轂為下一支葉片安裝時的變槳、螺栓對孔及螺栓緊固做準備。每支葉片安裝完后要在葉片側(cè)安裝爬梯。按照上述第1支葉片的安裝步驟安裝第2支葉片及第3支葉片。

3支葉片都安裝完成后，如圖12所示，轉(zhuǎn)動葉輪使單根葉片逐個豎直朝下(或使葉片呈水平狀態(tài))，對所有葉根螺栓用拉伸器進行十字交叉緊固。

圖12 3支葉片都安裝完成后的圖片F(xiàn)ig. 12 Photo of three blades installation finished

10)拆除盤車工裝。3支葉片安裝完成后，操作盤車工裝插入發(fā)電機鎖定銷，推出盤車工裝鎖定銷，并插入發(fā)電機鎖定止退銷。緩慢起吊盤車工裝，拆除其與底座的固定銷軸并放回到原處。將盤車工裝放回運輸支架并進行可靠固定。

11)前片體和軟連接的安裝。

12)拆除盤車集裝箱。拆除盤車集裝箱與機艙頂部連接底座，將起吊盤車集裝箱放回至甲板。

13)工藝孔封堵。

14)解鎖發(fā)電機鎖定銷。拆除安裝船與風電機組之間的臨時動力電纜，并放回安裝船。安裝人員離開風電機組時，需確認3支葉片均處于順槳狀態(tài)，且發(fā)電機鎖定銷已插入。隨后在3支葉片安裝完成后24 h內(nèi)，必須松開發(fā)電機鎖定銷。

4 結論

本文結合安裝于福建省福清興化灣海上風電場二期項目中的國內(nèi)首臺完全自主開發(fā)的8 MW直驅(qū)式海上風電機組的實際施工情況，對大容量海上風電機組的安裝技術和安裝步驟進行了詳細介紹。隨著今后海上風電機組的單機容量逐步增大，需要更加安全和經(jīng)濟的施工技術，以及更加高效的施工效率，期望本文的介紹可為類似工程提供參考。