余 峰， 史亞軍

（浙江華東工程咨詢有限公司，杭州 311122）

0 引言

截至2020年，全球海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)量超過35 GW，中國累計(jì)超過7GW，根據(jù)“十四五”可再生能源規(guī)劃，我國海上風(fēng)電的規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。預(yù)計(jì)至2040年，中國累計(jì)海上風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)到110 GW［1-3］。然而，海上風(fēng)電機(jī)組面臨安裝機(jī)位、組件多，海洋氣候環(huán)境復(fù)雜多變，吊裝精度要求高，作業(yè)窗口期較短等一些列難題［4-6］，因此研究風(fēng)電機(jī)組的快速吊裝技術(shù)可為快速發(fā)展海上風(fēng)電提供有力支撐。

目前，國內(nèi)眾多學(xué)者對海上風(fēng)機(jī)的安裝技術(shù)做了相關(guān)研究和總結(jié)。劉志杰等［7］根據(jù)海上風(fēng)電安裝的特點(diǎn)及問題，對國內(nèi)外現(xiàn)有關(guān)鍵安裝技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行了總結(jié)。曾慶儀等［8］提出一種利用風(fēng)電設(shè)備自身的塔筒結(jié)構(gòu)對風(fēng)機(jī)組件進(jìn)行吊裝維護(hù)的技術(shù)方案。鐘遠(yuǎn)峰［9］改進(jìn)了傳統(tǒng)海上風(fēng)機(jī)整體吊裝技術(shù)中工裝塔筒的設(shè)置，減少吊裝轉(zhuǎn)移工序。韓寧寧［10］詳細(xì)闡述了在海上復(fù)雜施工環(huán)境中風(fēng)機(jī)吊裝的施工流程和技術(shù)要點(diǎn)。李紅峰等［11］采取水平單葉式吊裝技術(shù)克服了傳統(tǒng)三葉式吊裝存在的葉輪拼裝占地大和吊裝時間長等問題。李紅峰等［12］以福建某海上風(fēng)電為例，對大容量海上風(fēng)電機(jī)組的安裝技術(shù)進(jìn)行了介紹。

在海上進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組安裝作業(yè)，要時刻考慮氣候、風(fēng)浪等制約因素，選擇運(yùn)輸方便、工期短的作業(yè)方式可充分利用窗口期施工。其中，海上風(fēng)機(jī)分體運(yùn)輸安裝法對運(yùn)輸、起重設(shè)備的要求較低［13］。海上風(fēng)機(jī)水平單葉式吊裝受海洋氣象因素影響較小，對平均風(fēng)速的要求不超過12 m/s，作業(yè)窗口期長，可以保障不利天氣情況下的施工進(jìn)度［14-15］。

本文以江蘇如東某海上風(fēng)電場項(xiàng)目為背景，考慮工程海域的潮位及潮流特征，選取合適的吊裝設(shè)備和施工工藝。從施工船機(jī)移船定位、底段塔筒預(yù)組裝、塔筒吊裝、機(jī)艙-輪轂組合體吊裝、風(fēng)機(jī)葉片吊裝5個方面介紹了海上風(fēng)電機(jī)組快速吊裝的關(guān)鍵技術(shù)，對類似海上風(fēng)電項(xiàng)目具有一定的參考價值。

1 工程概況

江蘇如東某海上風(fēng)電場工程位于黃海海域，場區(qū)中心離岸距離48 km，水深在10～18 m之間，海底地形有一定起伏。風(fēng)電場形狀呈矩形，東西方向長約為12 km，南北方向?qū)捈s為4.4 km，規(guī)劃海域面積48 km2，規(guī)劃總裝機(jī)容量300 MW，擬安裝75臺單機(jī)容量4 MW的風(fēng)電機(jī)組。

工程風(fēng)場區(qū)離岸線較遠(yuǎn)，場區(qū)中心離岸距離約48 km，所有施工、運(yùn)輸船舶在外海敞開海域作業(yè)，受大風(fēng)、霧等自然環(huán)境影響大，臺風(fēng)和冬季季風(fēng)期異常氣象條件的影響非常大。

根據(jù)工程海域各潮位測站的實(shí)測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到本工程場區(qū)潮位特征值與不同時間各保證率的乘潮水位，如表1所示。

表1 風(fēng)電工程場區(qū)潮位實(shí)測資料（1985國家高程基準(zhǔn)，單位：m）

風(fēng)電工程場區(qū)波況以輕浪為主，且主要分布于NNE-E-SSE方向，大浪主要出現(xiàn)在秋季和冬季，且主要分布于N-NE方向。波浪測站全年最大波高均值為1.21 m，最大值為5.29 m。

測區(qū)潮流類型為非正規(guī)淺海半日潮，運(yùn)動形式主要為往復(fù)流。根據(jù)潮流和潮位資料可判斷該工程區(qū)海域潮波性質(zhì)為駐波。如表2所示，測區(qū)最大流速基本出現(xiàn)在高低平潮前后，而轉(zhuǎn)流時刻則大致在半潮面附近，此時流速最小。

表2 風(fēng)電工程場區(qū)最大漲、落潮流速 m/s

2 風(fēng)機(jī)吊裝設(shè)備

本工程采用的4 MW級風(fēng)電機(jī)組設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表3所示，尺寸及重量較大，具有一定的吊裝難度。

表3 風(fēng)電機(jī)組及吊裝作業(yè)面設(shè)備技術(shù)參數(shù)

同時，考慮到場區(qū)海域的潮位及潮流特征，為保證在臺風(fēng)、大霧等不利氣象條件下風(fēng)機(jī)吊裝作業(yè)過程的安全與穩(wěn)定，經(jīng)計(jì)算分析，作業(yè)面1、2均采用配置相同的自升式平臺船“中天7”和“中天8”可以滿足不利自然條件下的吊裝作業(yè)要求，如圖1所示，最大回轉(zhuǎn)半徑28 m，主鉤最大吊高108 m，最大作業(yè)水深50 m。

圖1 “中天”自升式平臺船

3 風(fēng)機(jī)吊裝作業(yè)

3.1 總工藝流程

結(jié)合工程場區(qū)內(nèi)的潮流、氣象等不利自然條件，對單葉片式風(fēng)機(jī)吊裝施工順序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要為：支腿式風(fēng)機(jī)安裝船拖航至待安裝機(jī)位200 m處拋錨（場區(qū)內(nèi)自航）→根據(jù)潮流方向調(diào)整船位，通過鉸錨移船方式將船舶移至設(shè)定位置→支腿式風(fēng)機(jī)安裝船進(jìn)行樁腿支撐、預(yù)壓→定位駁船拋錨就位→塔筒、機(jī)艙運(yùn)輸船靠泊→風(fēng)機(jī)塔筒吊安裝→風(fēng)機(jī)機(jī)艙、輪轂甲板面組裝→機(jī)艙輪轂整體吊裝→葉片船運(yùn)輸船靠泊→葉片吊裝→葉片船撤離→支腿船拔樁腿、移船下一機(jī)位→機(jī)組調(diào)試。風(fēng)機(jī)吊裝總工藝流程如圖2所示。

圖2 吊裝作業(yè)總工藝流程

3.2 施工船機(jī)移船定位

移船前，需分析天氣趨勢和海況，確保漲落潮方向、流速、水位以及風(fēng)力等滿足拖航要求。同時，進(jìn)行平臺重量重心計(jì)算，校核重心高度及吃水是否在允許范圍內(nèi)。若超出規(guī)定的范圍，對平臺可變載荷進(jìn)行調(diào)整，確保平臺吃水和重量重心在允許范圍內(nèi)。

根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的所需的船舶定位坐標(biāo)，使用測距儀配合進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝船移船定位。通過鉸錨的方式對風(fēng)機(jī)安裝船進(jìn)行船位微調(diào)整，安裝船定位應(yīng)遵循水流走向（漲落潮方向），直至安裝船精確定位。中天7吊機(jī)與安裝機(jī)位之間的距離根據(jù)主吊工作負(fù)荷半徑確定，采用手持式紅外線測距儀確定中天7與安裝機(jī)位之間距離。

在風(fēng)機(jī)安裝船撐腿前探測清楚并清除作業(yè)區(qū)內(nèi)海底不利于作業(yè)的有關(guān)設(shè)施和障礙物。海域內(nèi)潮位、流速以及風(fēng)力等不斷變化會影響吊裝作業(yè)的穩(wěn)定性，因此需借助傾斜儀調(diào)整平臺姿態(tài)，確保平臺的縱傾和橫傾角度均小于0.5°。如圖3所示，待樁腿穩(wěn)定后，遵循對角線壓樁原則進(jìn)行預(yù)壓載，待1#、3#樁腿預(yù)壓穩(wěn)定后，開始2#、4#樁腿的預(yù)壓。

圖3 安裝船樁腿預(yù)壓示意圖

3.3 底段塔筒預(yù)組裝

底段塔筒需在碼頭進(jìn)行預(yù)組裝，完成塔筒翻身及電氣變壓單元組合。

如圖4所示，在安裝好底段塔筒上部與下部吊索具后，通過兩個履帶吊抬吊完成塔筒翻轉(zhuǎn)，主吊機(jī)吊塔筒頂緩慢抬升，輔吊機(jī)吊塔筒底在下放的同時逐漸向主吊機(jī)靠攏，確保底部不與地面發(fā)生剮蹭，使塔筒呈自由豎直狀態(tài)。輔吊機(jī)解除吊索具約束后，需在底端法蘭上系上纜風(fēng)繩，調(diào)整塔筒空間姿態(tài)并減少晃動。最后，將塔筒吊至電氣變壓裝置上方，通過牽引拉拽線轉(zhuǎn)動塔筒，完成底段塔筒與電氣變壓單元組合。

圖4 底段塔筒預(yù)組裝過程

3.4 塔筒吊裝

塔筒底段吊裝見圖5，主要程序如下：

圖5 塔筒底段吊裝示意圖

（1）塔筒底段安裝吊具，使用600 t吊機(jī)將塔筒底段吊至鋼管樁頂部，根據(jù)管樁與塔筒的對齊標(biāo)示將塔筒安裝至鋼管樁上；

（2）平臺船起吊塔筒，至離開甲板一定安全距離時停止，觀察各吊索具受力狀態(tài)正常后，在底法蘭處系兩根纜風(fēng)繩，將塔筒底段吊至基礎(chǔ)上方，期間通過纜風(fēng)繩控制塔筒的擺動量；

（3）調(diào)整并確定塔筒的安裝方位，位置對齊后，迅速將螺栓穿過下段塔筒節(jié)的法蘭，以固定塔筒；

（4）拆除塔筒頂部吊具，將鋼管樁與塔筒底段連接處用硅膠內(nèi)外涂抹，將縫隙填平。使用600 t吊機(jī)吊起外部走梯，安裝外部走梯到平臺。

如圖6所示，塔筒中段與頂段吊裝需先利用自升式平臺上600 t海工吊與280 t/380 t履帶吊配合進(jìn)行翻身豎立后進(jìn)行對接安裝。頂段與中段吊裝方式相同，以中段為例，主要程序如下：

圖6 塔筒中段吊裝示意圖

（1）在中段塔筒上下法蘭安裝起吊吊耳；

（2）主吊與輔助吊車同步緩速提升中段塔筒，使中段塔筒水平脫離運(yùn)輸船甲板面；

（3）主吊緩速提升塔筒上法蘭的高度，輔吊配合主吊，使塔筒呈豎立狀；

（4）在輔吊不受力的情況下，松掉下法蘭吊耳的螺栓，取吊耳；

（5）在塔筒底段上層法蘭上安裝丁基橡膠條或硅膠密封。通過纜風(fēng)繩調(diào)整塔筒位置，對準(zhǔn)使底段塔筒上法蘭的螺栓孔，并進(jìn)行緊固。

3.5 機(jī)艙-輪轂組合體吊裝

起重機(jī)將輪轂移向機(jī)艙，引導(dǎo)輪轂至主軸的凹陷處，保持引導(dǎo)繩緊繃從而讓輪轂固定。將主軸法蘭上的孔和輪轂法蘭上的孔對齊，根據(jù)螺栓編號按順序交叉擰緊，完成機(jī)艙與輪轂的組合。

主吊機(jī)將機(jī)艙輪轂組合體水平起吊。系上風(fēng)繩后，將卸扣固定到機(jī)艙吊點(diǎn)的T型起吊支架以及輪轂上預(yù)安裝起吊支架上，機(jī)艙輪轂組合體安裝見圖7。

圖7 機(jī)艙輪轂組合體吊裝示意圖

3.6 風(fēng)機(jī)葉片吊裝

在單葉片吊裝前，將機(jī)艙偏航到葉片安裝的位置，并進(jìn)行機(jī)艙微調(diào)。結(jié)合作業(yè)時氣象條件，吊具與主吊機(jī)進(jìn)行纜風(fēng)繩連接，并根據(jù)單葉片吊點(diǎn)位置進(jìn)行抓取葉片，確保葉片重心和支架重心在同一豎直平面內(nèi)。

完成單葉片吊裝準(zhǔn)備和夾取之后，可按如下程序進(jìn)行吊裝作業(yè)：

（1）將機(jī)艙偏航到葉片安裝位置，將葉片緩緩吊起直到離開甲板面，拆除葉片運(yùn)輸支架，安裝剩余雙頭螺柱。

（2）用風(fēng)輪盤車齒裝置轉(zhuǎn)動轂，直至葉片軸承與根法蘭成約1～2°角度，鎖住風(fēng)輪鎖。將葉片吊至輪轂指定位置對接葉片和輪轂，安裝螺母、墊片，拉伸葉片螺柱后脫鉤。

（3）釋放起吊裝置前，緊固72個雙頭螺栓。

第一支葉片安裝完成后，采用盤車工裝操作，調(diào)整輪轂姿態(tài)，可繼續(xù)安裝第二、第三支葉片（見圖8）。

圖8 風(fēng)機(jī)葉片吊裝示意圖

4 結(jié) 論

本文結(jié)合江蘇如東某海上風(fēng)電機(jī)項(xiàng)目，對4 MW風(fēng)電機(jī)組吊裝技術(shù)和施工工藝進(jìn)行了詳細(xì)介紹。敞開海域作業(yè)受海洋氣象環(huán)境影響大，采用自升式平臺船保證吊裝作業(yè)在海域內(nèi)潮位、流速以及風(fēng)力等不斷變化影響下的穩(wěn)定性。對海上風(fēng)機(jī)分體運(yùn)輸?shù)跹b的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，縮短作業(yè)耗時，充分利用窗口期，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組快速吊裝。

該快速吊裝技術(shù)可適應(yīng)如東海域風(fēng)速、潮流等不利自然條件，配合先進(jìn)的起吊設(shè)備和攬風(fēng)裝置，可在保證高風(fēng)速海域風(fēng)電機(jī)組吊裝穩(wěn)定性的前提下，延長作業(yè)窗口期，提高施工效率。隨著我國海上風(fēng)電規(guī)模地不斷擴(kuò)大，本文所述技術(shù)可風(fēng)機(jī)吊裝工程提供參考。