自升式海上風機安裝平臺樁腿升降系統設計

唐蔚平 裘繼承 薛雷剛

摘 要：本文主要介紹自升式平臺樁腿升降系統形式，分析海上風機安裝平臺的特點，優先選擇和設計一種適用風電安裝平臺使用的升降系統。

關鍵詞：海上風機安裝；自升式；升降系統

中圖分類號：TK89 文獻標識碼：A

1 前言

海上風電在上世紀90年代初率先從歐洲起步，我國的海上風電發展則相對較晚，直到2007年，我國海上風電示范項目才建成發電，隨后發展速度也十分緩慢。但隨著海上風電上網電價的明確，特別是國家能源局最新規劃的出臺：到2020年，海上風電裝機容量將達到 30 MW。海上風電工程將迎來新的發展機遇，開展關鍵技術研究和開發顯得非常必要和迫切。

2 自升式平臺樁腿升降系統形式

自升式平臺樁腿升降系統，用于樁腿插入海底并支撐起平臺離開海平面一定高度，進行各種作業。其主要形式有液壓頂升式和齒輪齒條式。

2.1 液壓頂升式

液壓頂升式樁腿升降裝置，由液壓驅動系統提供動力，確保樁腿能夠克服泥土、砂石等帶來的阻力和升降平臺自身的重力，將樁腿插入（拔離）海床以及升降整個平臺。平臺樁腿在工作過程中需運行平穩，無卡死現象；插樁（拔樁）過程中，液壓執行機構需滿足一定節距的行程要求；系統設計為自鎖式樁腿液壓升降系統，在各種工作及非工作狀態下，系統可實現自鎖；通過操作計算機或中央控制臺，完成平臺的升降作業。

2.2 齒輪齒條式

齒輪齒條式樁腿升降裝置，由動力驅動系統、動力傳遞系統（主要包括齒輪齒條及相應的減速機構）和平臺升降控制系統三大部分組成。該系統是在平臺適當位置的樁腿上設置一定數量的齒條，并對應在每根齒條上安裝幾個小齒輪，齒條及其對應的小齒輪數量根據所要求的舉升能力和平臺總體要求加以確定。動力通過樁邊馬達驅動齒輪減速箱，然后傳遞給與齒條嚙合的小齒輪，從而帶動平臺的升降。齒輪齒條式升降系統的最大優點是具有升降速度快、操作簡單和易對井位。

3 國外自升式平臺樁腿升降系統簡介

3.1 英國 “Resolution”安裝船

由英國五月花能源公司設計、我國山海關造船廠承建的“果敢”號安裝船，是第一艘專為海上風電場基礎施工及風力發電機安裝而建造的海洋工程船。該船長130.5 m、寬 38 m、型深 8 m，航速 10.5 kn，最大載重量9 240 t，船舶總噸位 14 000 GT。該船6個液壓升降腿分布于全船兩側，提升系統由樁腿及電力液壓升降系統組成。每個樁腿（含樁靴）高71.6 m，截面為4 m×4 m ，重450 t，所用鋼板最厚達150 mm，80%為超高強度鋼。樁腿提升速度最大為1 m/min，單樁提升能力3 750 t，支承能力5 000 t。6條樁腿由中央進行集中控制，既可聯動又可以單動，可在3.25～35 m 水深及大風浪海況下滿負載工作。樁腿升降系統由 4 臺主液壓缸及 4 臺從液壓缸聯合工作（圖1），每個樁腿由一個主環梁和次環梁構成，每個環梁由四個起升油缸驅動，每個環梁由四個抓取油缸帶動兩個抓取橫梁實現抓緊動作，起升油缸支撐基座固定在船體甲板上。升降系統還包括上、下導向結構緊固裝置，以保證樁腿運動時的垂直度。整個液壓系統中壓力達300 kg/cm?。為適應海底土壤狀況，設計了箱型樁靴，樁靴位于樁腿底部，臥在船底凹槽內，長 9 m、寬 7 m、高 6.305 m，重 132 t。

3.2 NG-2500X安裝船

NG-2500X安裝船可用于海洋油氣基礎結構建設及風電場安裝。其樁腿為三角形桁架式結構，長85 m、工作水深41m。升降裝置為齒輪齒條系統，電氣驅動，升降速度為0.8 m/min。設計參數為：波高13.1m，風速38.8m/s，表面潮流1.64m/s，樁腿插入土壤深度3～5 m。總舉升重量5 500 t，單腿升降能力1494 t，可變載荷約9000 kn，18套齒輪齒條驅動裝置。圖2為其結構與升降系統圖。

4 自升式平臺樁腿升降系統對比分析與發展方向

4.1 樁腿升降系統對比分析

液壓頂升式樁腿升降系統與齒輪齒條式樁腿升降系統相對比，液壓頂升式升降系統的升降動作完全通過液壓系統驅動和控制，這種驅動方式具有能吸收振動、工作平穩、安全可靠等優點；同時采用銷子和銷孔配合，升降時銷子和銷孔之間不存在相對運動和摩擦力的問題，所以對樁腿的制造工藝要求較低；但液壓頂升式升降系統由于工作時是通過間斷步進式升降的方式來實現的，所以升降速度慢、操作繁瑣、工作效率較低。

齒輪齒條式樁腿升降系統可采用液壓馬達或電機方式驅動齒輪：

液壓馬達驅動的優點是傳動簡單，受載均勻，升降運動連續，同比電機體積小，齒輪受載柔和，運動平穩；缺點是升降系統剎車時受到沖擊力，需單獨油源供給。

電機驅動的優點是速度快、操作靈活，并有平穩地連續運動的能力；其缺點是為緩沖樁腿站立時齒條受的沖擊力，需在樁架上下加上緩沖裝置或采取其他措施補償沖擊力；傳動機構體積大，占用甲板面積大；平臺升起后采用剎車進行固定，升降機構一直處于受力狀態。

4.2 樁腿升降系統的發展方向

（1）安全可靠性更高。由于升降系統的工況非常復雜，而且升降系統直接關系到整個平臺的安全，所以在制造及檢驗過程中，對升降系統各機構的安全可靠性提出更高的要求；

（2）配備自動化程度更高、更先進的控制系統。控制系統按照程序要求對各執行機構進行控制，實時檢測系統的工作狀態，并對系統的故障進行診斷、報警、處理；

（3）采用高強度鋼和超高強度鋼，以降低平臺自重；

（4）增大可變載荷和自持能力。

5 自升式平臺樁腿升降系統的選擇

某海上風機安裝平臺具有較強的海上作業能力，最多可同時運輸3臺6 MW整體式海上風機，最大載重量約為6 500 t。風機安裝裝置最大起重能力1 200 t，可滿足目前國內最大的6 MW海上風機整體安裝要求。

本平臺要求升降作業的頻率較高，并且處在海況頻變的風電場區域，要求系統的工作更加可靠。另外，適合風機安裝作業的時間窗口并不多，因此對平臺的升降速度也提出了較高的要求。

根據國外著名液壓系統設備商Rexroth的資料顯示，液壓頂升式樁腿升降系統升降速度可以達到1m/min，與齒輪齒條式升降系統的升降速度相差不大，并且通過操作計算機或中央控制臺完成平臺的升降作業，自動化程度較高。

另外，MPI公司旗下的“May flower resolution”作為目前世界上風電安裝平臺的標桿，平臺配置的是液壓頂升式樁腿升降系統。

結合本平臺的特點，優先選擇液壓頂升式樁腿升降系統。

本樁腿為圓形殼體式，分別布置于首部、尾部，其長度、強度滿足平臺作業條件要求。樁腿的基本參數如下：

本平臺液壓頂升式樁腿升降系統分成兩個子系統：樁機系統和液壓系統。

樁機系統由24個主升降油缸、24個副升降油缸、24個插銷油缸組成，每6個一組布置在4個樁腿。主/副升降油缸每缸最大承受拉力850 t。

液壓系統有2套，分別服務于兩兩對角處的2個樁腿，每套液壓系統由1個主油箱、7組升降油缸電機泵（其中1組備用）、2組循環冷卻電機泵、1套主升降油缸控制閥組、1套副升降油缸控制閥組、1套插銷油缸控制閥組、1套蓄能器組成。

6 結束語

自升式平臺樁腿升降系統作為海上自升式平臺中的最關鍵部分，其性能的優劣直接影響平臺的安全和作業能力。結合海上風機安裝平臺的特點，應通過對液壓頂升式、齒輪齒條式這兩種形式升降系統的工作原理、平衡控制和操控方式進行分析對比，選擇適合海上風機安裝平臺使用的升降系統。

參考文獻

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[3] 自升式鉆井平臺液壓升降系統簡介.中國船舶與海洋工程網信息中心