陳建平 米智楠 陳 杰 李鮮明 張倫偉

1 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 200092 2 上海同力建設(shè)機(jī)器人有限公司 上海 200436 3 同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院 上海 200092

0 引言

某風(fēng)電場170 m 鋼混塔筒風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用自提升液壓技術(shù)安裝，其葉輪直徑為155 m，輪轂高度為170 m，總高度為247.5 m，是當(dāng)前國內(nèi)最高的陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。目前我國陸上風(fēng)電高風(fēng)速資源日趨稀缺，在低風(fēng)速區(qū)域大幅提升風(fēng)機(jī)塔筒的高度能夠充分捕獲高空風(fēng)能資源，對提高風(fēng)電單機(jī)容量輸出及降本增效非常有利[1，2]。高塔筒技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，可充分發(fā)掘低風(fēng)速區(qū)域，極大拓展風(fēng)電發(fā)展空間，使以往經(jīng)濟(jì)開發(fā)價值不理想的低風(fēng)速區(qū)域變得具有經(jīng)濟(jì)性[3，4]，成為我國低風(fēng)速資源區(qū)域風(fēng)電開發(fā)的一個主要技術(shù)途徑。

傳統(tǒng)的風(fēng)電塔筒安裝方式一般為采用大噸位起重機(jī)進(jìn)行分段吊裝。對高度超過120 m 的風(fēng)電塔筒需要使用800 t 及以上的大噸位履帶起重機(jī)[5]，傳統(tǒng)安裝方式不僅施工工序繁瑣，且受到履帶起重機(jī)吊裝能力的制約，同時運輸難度大、運輸費用高；特別是在山區(qū)風(fēng)電場建設(shè)中，還需花費大量額外資金建設(shè)上山道路，大大增加了風(fēng)電場建設(shè)的成本[6]。為了降低施工成本，縮短施工周期，各安裝單位不斷更新工藝、優(yōu)化施工。液壓同步提升技術(shù)對超重、超高、超大型結(jié)構(gòu)吊裝具有較強的適應(yīng)性，并能在狹小及復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用，設(shè)備自身質(zhì)量小，單體能量密度高。自20 世紀(jì)90 年代初上海某電廠超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組的鋼內(nèi)筒煙筒的液壓同步頂升工程以來，液壓同步提升獲得了廣泛應(yīng)用[7-9]。液壓提升的柔性承重索具是高強度鋼絲構(gòu)成的鋼絞線，提升高度不受限，還可以采用多個位置點作為提升點，大大拓展了同步提升質(zhì)量和作業(yè)面積，且可長期懸吊（防風(fēng)措施到位），以便于后期施工。文中所述示例風(fēng)電場170 m 鋼混塔筒風(fēng)電機(jī)組的安裝，是液壓提升技術(shù)第一次應(yīng)用在國內(nèi)風(fēng)電混凝土塔筒的吊裝施工，作為一種新穎的超高塔筒吊裝補充手段，本文著重對超高塔筒吊裝的自提升液壓技術(shù)做有益的探索。

1 鋼-混風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)

作為我國最高陸上風(fēng)電機(jī)組，示例風(fēng)電場170 m 鋼混塔筒采用裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式，與風(fēng)電機(jī)組相連的頂節(jié)塔段采用小直徑鋼塔筒，下部的3 節(jié)均為大直徑混凝土塔筒。3 節(jié)混凝土塔筒為現(xiàn)澆多邊形混凝土結(jié)構(gòu)，由外向內(nèi)3 節(jié)層層嵌套組成，依次是混凝土外塔筒、中塔筒和內(nèi)塔筒。葉輪吊裝時中心高度為84 m，無需額外大型起重機(jī)械，降低了作業(yè)難度和風(fēng)險。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式既可有效防止超高塔筒低頻共振，穩(wěn)定性好，還可實現(xiàn)塔筒工廠化、預(yù)制化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，兼具混凝土塔筒及鋼塔筒的優(yōu)勢。

2 自提升工藝流程

在傳統(tǒng)的采用大噸位起重機(jī)的安裝流程中，首先安裝底段塔筒，然后依次為中段塔筒、中上段塔筒、頂段塔筒、機(jī)艙、發(fā)電機(jī)、葉輪組合、葉輪等的吊裝。文中所述與傳統(tǒng)安裝流程不同，在安裝機(jī)艙、發(fā)電機(jī)、葉輪組合、葉輪等之后，再進(jìn)行混凝土內(nèi)塔筒和中塔筒的自提升施工流程。在自提升工程中，除了混凝土內(nèi)塔筒段和中塔筒段本身的質(zhì)量外，還要考慮風(fēng)電機(jī)組的重力、葉輪引起的偏心載荷，以及作用在塔筒上的風(fēng)荷載。

根據(jù)NB/T 10908—2021《風(fēng)電機(jī)組混凝土—鋼混合塔筒施工規(guī)范》中的預(yù)制混凝土塔筒安裝就位應(yīng)滿足的規(guī)定：1）每段混凝土塔筒應(yīng)進(jìn)行垂直度測量，誤差應(yīng)符合設(shè)計要求；2）每吊裝一段混凝土塔筒應(yīng)對其進(jìn)行調(diào)平，誤差應(yīng)符合設(shè)計要求。因此，從提升質(zhì)量、精度、姿態(tài)、偏心載荷和風(fēng)荷載引起的彎矩等作業(yè)工況以及相關(guān)規(guī)定等，均對自提升液壓技術(shù)提出了較高的施工要求。

發(fā)電機(jī)組吊裝完成后可實施自提升施工流程，即采用先細(xì)后粗的自提升液壓技術(shù)，類似于抽拔天線，依次將混凝土內(nèi)塔筒和混凝土中塔筒提升到位。施工工藝流程分為混凝土內(nèi)塔筒和中塔筒自提升2 個階段，即先用混凝土中塔筒頂部作反力支撐平臺來提升混凝土內(nèi)塔筒（含頂節(jié)鋼塔筒及風(fēng)電機(jī)組葉輪），再用混凝土外塔筒頂部作反力支撐平臺來提升混凝土中塔筒及以上結(jié)構(gòu)，歷經(jīng)2 次累積提升，直至將超高風(fēng)電塔筒成功安裝就位。

在混凝土內(nèi)塔筒自提升階段，將長行程液壓提升器集群均勻分布于混凝土中塔筒頂部的凸緣圓周處，先將液壓提升器內(nèi)的鋼絞線向下穿過混凝土中塔筒頂部凸緣的提升孔，再從混凝土內(nèi)塔筒底部凸緣的地錨孔穿出后，與地錨相連，如圖1 所示。鋼絞線均勻張緊后，即可對混凝土內(nèi)塔筒進(jìn)行自提升作業(yè)。混凝土內(nèi)塔筒提升到位后，將內(nèi)塔筒與中塔筒的凸緣用預(yù)應(yīng)力錨桿連接牢固。

圖1 液壓提升器與混凝土塔筒連接示意圖

混凝土內(nèi)塔筒提升完成之后，接著進(jìn)行混凝土中塔筒的自提升階段。先將長行程液壓提升器集群外移到混凝土外塔筒的頂部，并均勻布置于混凝土外塔筒頂部的凸緣圓周處，將液壓提升器內(nèi)的鋼絞線向下穿過混凝土外塔筒頂部凸緣的提升孔，再從混凝土中塔筒底部凸緣的地錨孔穿出后與地錨相連，鋼絞線均勻張緊后即可對混凝土中塔筒進(jìn)行自提升作業(yè)。

經(jīng)過2 次提升階段，依次將混凝土內(nèi)塔筒和中塔筒拔出，完成風(fēng)電塔筒的安裝作業(yè)，如圖2 所示。

圖2 超高塔筒自提升施工工藝流程

3 液壓系統(tǒng)

自提升液壓系統(tǒng)可分為提升主系統(tǒng)和錨具輔助系統(tǒng)等2 部分，如圖3 所示。提升主系統(tǒng)由提升液壓泵源、電磁換向閥、溢流閥、平衡閥、液壓提升器等組成。液壓油箱1 用于儲存液壓油、散熱、沉淀污物和分離油液中滲入的空氣，并可作為液壓泵和液壓集成塊的安裝平臺，其上部開有通氣孔，使油面與大氣相通。濾油器2為提升液壓泵源4 的吸油過濾器，確保進(jìn)入提升主系統(tǒng)的油液的清潔度。提升液壓泵源4 包括提升液壓泵、驅(qū)動電動機(jī)和變頻器等，通過微控制器調(diào)節(jié)變頻器的頻率，以改變驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，可控制提升液壓泵的輸出流量，為提升液壓缸提供液壓動力。提升液壓泵源采用了模塊化結(jié)構(gòu)，以提高液壓提升設(shè)備的通用性和可靠性。根據(jù)提升塔筒吊點的布置以及液壓提升器數(shù)量和泵源流量，可進(jìn)行多個模塊的組合，每一套模塊以1 套泵源系統(tǒng)為核心，可獨立控制1 組液壓提升器。

圖3 自提升液壓系統(tǒng)原理圖

圖3 中，壓力表6 顯示液壓泵的出口工作壓力。溢流閥7 限制系統(tǒng)的最高工作壓力。三位四通電磁換向閥10 的中位機(jī)能為H 形，控制提升液壓缸的伸、縮缸動作。H 形中位機(jī)能還可使電磁換向閥10 在處于中位時，液壓油直接回油箱，降低能耗，減少系統(tǒng)發(fā)熱。平衡閥13 在液壓油正向流動時，通過單向閥快速進(jìn)入提升液壓缸，實現(xiàn)活塞桿伸出；液壓油反向流動時，單向閥起截止作用，液壓油通過平衡閥反向流出，帶載下降時可避免負(fù)載急速下墜。液壓提升器14 和15 由提升液壓缸及上下錨具液壓缸組成，為穿芯式結(jié)構(gòu)，鋼絞線從上錨具、提升液壓缸中部、下錨具依次穿過。上下錨具由于楔形錨片的作用具有單向自鎖性，提升液壓缸通過伸縮動作和上下錨具的夾緊或松開的協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)重物的上升、下降。液壓提升器的升降過程為：當(dāng)下錨具液壓缸鎖緊鋼絞線時，上錨具液壓缸松開，提升液壓缸的活塞空載伸出或縮回，混凝土塔筒在空中處于不動的狀態(tài)；當(dāng)上錨具液壓缸鎖緊鋼絞線時，下錨具液壓缸松開，提升液壓缸的活塞帶載上升或下降。如此交替循環(huán)，混凝土塔筒便上升或下降至預(yù)定的高度。

錨具輔助系統(tǒng)由錨具液壓泵源5、吸油過濾器3、錨具溢流閥8、錨具壓力表9、錨具電磁換向閥11 和12等組成。吸油過濾器3 保證進(jìn)入錨具輔助系統(tǒng)的液壓油的清潔度。錨具液壓泵源5 包括錨具驅(qū)動電動機(jī)和錨具定量液壓泵。錨具電磁換向閥11 和12 為三位四通電磁換向閥，其中位機(jī)能均為H 形，分別控制上錨液壓缸與下錨液壓缸的松開和鎖緊動作。H 形中位機(jī)能可使錨具電磁換向閥11 和12 處于中位時，上、下錨具液壓缸能夠處于浮動狀態(tài)，有利于重物自鎖。錨具溢流閥8 用來調(diào)定錨具系統(tǒng)壓力。

4 控制策略

在混凝土內(nèi)塔筒和中塔筒的提升中，需要采用液壓提升器集群作業(yè)，將液壓提升器均勻布置在多個提升點位，各點的同步控制是自提升液壓技術(shù)的關(guān)鍵。通過同步控制，實現(xiàn)混凝土內(nèi)塔筒和中塔筒的提升姿態(tài)（包含垂直度和調(diào)平）的調(diào)控，保證高精度的安裝就位。自提升液壓系統(tǒng)采用變頻控制技術(shù)實現(xiàn)同步調(diào)節(jié)，即采用變頻器、驅(qū)動電動機(jī)和定量泵組合的方式，構(gòu)成變頻提升液壓泵源。變頻提升液壓泵源沒有選用帶有斜盤變排量機(jī)構(gòu)的變量泵，降低了提升系統(tǒng)的成本，同時拓寬了調(diào)速范圍，具有更好節(jié)能效果。作為一種新型的容積控制的調(diào)速系統(tǒng)，通過變頻器調(diào)節(jié)液壓泵驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變液壓泵的輸出流量，有效控制液壓提升器的上升或下降速度，實現(xiàn)混凝土塔筒同步提升的目的。

同步提升過程中，當(dāng)某個液壓提升器的提升距離比平均值大時，微控制器將減少相應(yīng)的液壓泵源的變頻器頻率，減緩其提升速度，反之則加大頻率，確保所有液壓提升器的最大同步高差不大于5 mm。每一組液壓提升器的系統(tǒng)壓力獨立設(shè)定，提升過程中的壓力值僅作為提升輔助參考量，提升過程中壓力會有變化，最大值不超過設(shè)計給定荷載；每臺泵站含2 個提升泵源及1 個錨具泵源，2 組液壓提升器共用1 個錨具泵源，錨具電磁換向閥11 和12 分別控制上下錨具液壓缸，完成松開和鎖緊錨具的工作。如果一個泵源出現(xiàn)故障，則可通過手動開關(guān)切換，保障繼續(xù)工作?；炷羶?nèi)塔筒和中塔筒提升時，根據(jù)激光（或傾角）傳感器檢測的數(shù)據(jù)、導(dǎo)向反饋系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)共同判斷塔筒姿態(tài)，由微控制器根據(jù)一定的控制策略和算法實現(xiàn)對風(fēng)電混凝土塔筒結(jié)構(gòu)的整體提升的姿態(tài)控制和荷載控制。

5 結(jié)語

本文對自提升液壓技術(shù)在大型、超高風(fēng)電塔筒的安裝作了初步探討和應(yīng)用嘗試，通過對控制方式分析和比較，創(chuàng)新研制了超高風(fēng)電塔筒自提升液壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集機(jī)、電、液、傳感、檢測、網(wǎng)絡(luò)通信、計算機(jī)控制于一體，將傳統(tǒng)施工技術(shù)和計算機(jī)控制相結(jié)合。液壓提升器集群分布作為起重機(jī)械，同時以鋼絞線作承重索具，以混凝土中塔筒作提升平臺提升混凝土內(nèi)塔筒、以混凝土外塔筒作提升平臺提升混凝土中塔筒，在高重心、大風(fēng)載、大偏心等復(fù)雜工況條件下，創(chuàng)新設(shè)計的控制策略與控制算法應(yīng)用于液壓同步提升控制系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場實時監(jiān)控體系，精細(xì)操作，共同對塔筒提升姿態(tài)全程實時調(diào)節(jié)，確保在復(fù)雜環(huán)境下超高、超重的混凝土塔筒、機(jī)艙及葉輪等平穩(wěn)、精準(zhǔn)安裝到位。