1、2023 年第 3 期2023 Number 3水电与新能源HYDOPOWE AND NEW ENEGY第 37 卷Vol37DOI:10 13622/j cnki cn42 1800/tv 1671 3354 2023 03 013收稿日期:2022 04 19作者简介:王太锋，男，工程师，从事国内外陆上风电、国内海上风电安装调试工作。浅析海上大容量风电机组安装工程技术王太锋(东方电气风电股份有限公司，四川 德阳618000)摘要:2021 年国务院印发 2030 年前碳达峰行动方案 的通知，海上风电的开发与利用将大幅增加。2022 年迎来了海上风电平价时代，机组“大容量化”是必然的趋势。主
2、要通过近年来国内大容量海上机组的安装技术进行分析，推选成本、工期等最优的解决方案，可为大容量海上风电机组的安装提供参考和借鉴。关键词:海上风电;风力发电机组;安装技术中图分类号:TM315文献标志码:A文章编号:1671 3354(2023)03 0049 04Installation Engineering Technology of Large Capacity Offshore Wind Turbine UnitsWANG Taifeng(Dongfang Electric Wind Power Co，Ltd，Deyang 618000，China)Abstract:As the Sta
3、te Council of China issued the“Action Plan for Carbon Peaking before 2030”in 2021，the devel-opment and utilization of offshore wind power will increase significantly Also，wind turbine units with larger capacitybecame an inevitable trend as the offshore wind power entered the era of fair price The in
4、stallation technology of largecapacity offshore wind turbine units in China in recent years is summarized，and the optimal solution in cost and con-struction duration is recommended It provides useful reference for the installation of large capacity offshore wind turbineunitsKey words:offshore wind p
5、ower;wind turbine unit;installation technology中国拥有发展海上风电的天然优势，海岸线长达1 8 万 km，可利用海域面积 300 多万 km2，海上风能资源丰富、开发潜力巨大。受海上风电平价影响，2022年海上风机价格不断下探，单机容量增大、技术自主创新国产化是未来海上风电的发展趋势。风电机组容量日趋增加，对海上风电安装工程带来严峻的考验，尤其是受到远海水深、有限的施工窗口期等多重因数影响。本文主要分析、研究了 10 MW 海上机组及国内主流风机厂家海上大容量机组安装技术，从成本、工期等方面综合分析，探索最优的安装方案，预测发展方向。1海上风电机组
6、安装方式选择海上施工环境恶劣，起重船起伏不定，风电机组的各部套件重量较大，最大重量约 300 t，选择安装方式是一项重要的技术难题。从既往国内外风机安装方式看，主要分两种方式:海上整体安装与海上分体安装。11海上整体式安装海上整体式安装，是在安装海域附近的陆地码头上拼装，将塔筒、机舱、发电机、叶轮(轮毂与叶片组装部件)全部拼接完成，然后使用大型的起重船与托轮船将风机整体运输、吊装至海上指定的机位。2010 年，中国第一个海上风电场上海东海大桥100 MW 海上风电项目，共计 34 台 3 MW 海上风电机组采用了此种整体安装方式。在当时的风电吊装技术条件下，该项目选用整体式吊装，主要考虑以下几
7、项关键因素:1)2010 年国内的海上风电刚起步，欧洲的海上风电项目普遍采用整体式安装方式，有成熟的安装工艺可以借鉴;2)机组单机容量小，机组总吨位较轻，所需要使用吊装船、托轮船等辅助的船机设施要求不高;3)东海大桥项目离岸距离不足 10 km，海域水较94水 电 与 新 能 源2023 年第 3 期浅，平均约 10 m，良好的海况，更有利海上运输与吊装。由此可见，海上整体安装只能适用于机组容量小、离岸距离近、海况好的风电场。随着风电整机技术、吊装配套船舶技术的进步，当今海上风电机组单机容量已经达到了 7 10 MW 左右，整机重量也成倍数增长，场址海域离岸距离逐步增大，海水深度约 15 40
8、 m，浪涌等海况条件越来越恶劣，整体式安装从吊装船、托轮运输船选择及施工成本综合考虑，已不再具有优势，取而代之的为海上分体安装，更适合于当前单机容量大、深远海区域、风机度电成本下降的新能源市场环境。12海上分体式安装海上分体安装，则是采用类似于陆地风机的安装方式，在机组基础平台(平台主要可分为高桩承台、导管架、单桩、吸立桶等)附近，布置一个平稳的吊装作业平台，当今市场主流吊装平台为自升式平台船，完成风机各部套件的吊装。自升式平台船用于海上大容量风电机组安装的优势，主要有以下几点:1)结构简单、起重能力强、吊装效率高，可以在天气恶劣的海况与较深的海域工作;2)海上作业时，桩腿插到海底，可根据不同
9、的海水深度，将船体升高在海平面以上，吊装稳定性高，更有利于大部件法兰面螺栓连接孔精准对接;3)甲板的作业面积大，适合用于体积较大的大容量风电机组吊装。经典的案例:2020 年，“三航风和”号自升式平台船，在福建兴化湾海域完成了国内首台 10 MW 海上机组吊装;2021 年，“海电运维 801”自升式平台船，在福建长乐深远海域，完成了长乐 A 项目批量10 MW 机组吊装。下文主要研究、分析分体式安装技术。2大容量海上风电机组安装技术21吊装平台船选择及方案评审吊装前，建设单位需组织项目参建单位召开吊装专项施工方案评审会，评估所选用的吊装平台船是否满足机型的吊装要求，关键的技术参数主要有以下几
10、个方面1:1)风电机组各部套件的重量与外形尺寸，所使用的吊索具的吊高。正常工况下，满载载荷系数 k 值一般取 1 1 1 2，吊高富余高度一般取 2 5 5 0 m;2)吊装平台船站位后，吊车至塔筒中心的作业半径对吊高与吊重的影响。正常工况下，在叶轮吊装时，需考虑吊车主吊臂与叶轮朝下的叶片之间的安全距离不低于 3 m;3)吊装平台船的作业水深、甲板载货面积是否满足吊装要求;4)吊装机位的地质情况，平台船桩体满载压载后的插桩深度，甲板面可上升的高度，以及轮机水塔距离所在海域低潮位时最低海平面的高度2。不同型号的风电机组吊装前，都需要执行吊装平台船机能力评估，制定吊装专项施工方案，组织参建单位及专
11、家组实施评审后，才能进行下一步的吊装作业。以国内首台 10 MW 机组吊装为例，三航风和号吊装平台船，配置 1 台 27 m 半径 1 200 t 吊重 360全回转的主吊车，1 台 30 m 360 t 吊重 360全回转的辅吊车，吊装能力属国内一流，基本可以覆盖海上单机容量10 MW 及以下所有机组的吊装需求。10 MW 机组主要大部件重量尺寸等相关参数，见表 1。表 110 MW 机组主要大部件重量尺寸序号名称长 宽 高重量/t1轮毂 7 3 m 6 m(H)1202叶片90 m343风轮 185 m 6 m(H)2254发电机 8 7 m 2 1 m(H)2505机舱13 5 m 7
12、1 m 7 8 m1356塔筒 8 24 m(5 43 m)100 m7塔筒底段 8 24 m(7 8 m)12 m1668塔筒中一段 7 8 m(7 m)28 2 m1609塔筒中二段 7 m(6 15 m)29 9 m13310塔筒顶段 6 15 m(5 43 m)29 9 m121三航风和号自升式平台船的主吊车的吊重曲线图见图 1。22塔筒安装2 2 1底段塔筒安装底段塔筒内部安装有配电、变流、风机控制等电气柜体，因海上吊装窗口期有限，为了提升风机吊装效率，底段塔筒内部的柜体安装及电气接线工作，一般都在塔筒厂内装配完成，采用立运方式运抵现场。到达现场后，通过吊带吊座直接从运输船上平吊塔筒
13、，完成与基础锚栓对接。吊装前准备:清理基础环法兰表面和法兰孔;检查基础环法兰平面度不大于 2 mm;检查基础上与塔筒门零位标记线。05王太锋:浅析海上大容量风电机组安装工程技术2023 年 3 月图 11 200 t 主吊吊重曲线图力矩紧固:塔筒法兰面与基础环对接，使用液压拉伸器或力矩扳手，分三次对称紧固螺栓力矩至设计力矩值，完成底段塔筒安装3。2 2 2第二、三、四段塔筒安装第二、三、四段塔筒因高度较高，且内部仅安装机组上下电缆、爬梯及平台，塔筒采用卧运方式至现场。通过在塔筒上下法兰面安装吊座，主吊车、辅吊车配合实现塔筒翻身直立，完成与上一段塔筒的对接，使用液压拉伸器或力矩扳手，分三次对称紧
14、固螺栓力矩至设计力矩值3。虽然海上风电机组机型不同、容量大小不一，但塔筒的安装模式大同小异，建设单位与主机厂家，都选择了底塔立运、其余段塔筒卧运至现场后翻身吊装的方式，安装快捷高效，成本较低，预判未来海上大容量机组塔筒的安装，会沿袭当前的运输与吊装方式。23机舱安装2 3 1吊装前准备检测机舱罩口圆度尺寸在设计偏差范围内;安装航空灯、风速风向仪、避雷针等外部气象架安装附件;检查机舱、机舱吊具及吊装过程中的其他工具，确认各部件完好。2 3 2机舱起吊按照设计图纸安装机舱吊具;主吊车缓慢试吊机舱;检查机舱前后水平度;检查机舱与塔筒对接法兰面完整性;一切正常后起吊机舱至塔筒高度，通过定位销完成螺栓孔
15、位对接，安装连接螺栓;分三次在圆周方向均匀对称预紧螺栓力矩至设计值3。虽海上风电机组机型不同，国内当前主流包含永磁直驱机型、双馈机型、半直驱机型，除了受机舱重量因素外(双馈机型机舱最重，含齿轮箱与发电机)，机舱吊装所设计与选用安装方式，基本没有较大区别。24发电机安装发电机现场安装是永磁直驱机型特有的方式，市场上主流以外转子安装永磁体、定子铁芯固定的方式设计永磁发电机，因含有永磁体、铜绕组铁芯以及铸件本体，发电机是直驱机组成本最高、重量最重的部套件，也导致了吊装难度相对较高。2 4 1吊装前准备发电机从运输船过驳至甲板面;检查发电机外观是否存在刮擦(发电机内部定转子间气隙小，若外转子受撞击产生
16、凹槽则在吊装前需重点评估检查);测量发电机绕组绝缘电阻。2 4 2发电机起吊按照设计图纸安装发电机吊具;主吊车与辅吊车同时起吊挂点试吊发电机;起吊至距离甲板面约 4 m高度;主吊与辅吊配合完成发电机翻身，通过吊具液压装置或电动装置调整发电机的仰角，与机舱对接法兰面的倾角保持一致(一般仰角角度约 5);提升发电机至机舱高度;通过缆风绳、机舱法兰面定位销完成与发电机螺栓孔位对接;安装连接螺栓，分三次在圆周方向均匀对称预紧螺栓力矩至设计值3。发电机吊具的设计与正确规范使用，是大容量海上直驱机组吊装的重点与难点，受发电机本体结构的差异，吊具的设计与使用区别较大。以 10 MW 机组为例，发电机吊具采用了驱动端朝下、落地空翻的方式，安全系数高，但操作性繁琐。25叶轮安装叶轮安装是风力发电机组吊装难度系数最大的工作，它主要分为两大步骤，第一，在甲板面上完成叶轮的组装;第二，吊装叶轮，完成与发电机的对接。15水 电 与 新 能 源2023 年第 3 期2 5 1叶轮组装首先将叶轮组装支架，焊接固定在甲板面测算的安装位置;将轮毂平吊放在叶轮组装支架上，通过工装连接螺栓固定轮毂;使用专用的叶片平吊吊索具