大容量海上風電機組葉片吊裝工藝分析
——基于福清興化灣海上風電樣機試驗風場

周 通

(福清海峽發電有限公司，福建 福州 350000)

21世紀以來，全球經濟發展對能源的需求越來越大，同時，隨著人們生活水平提高，對環保的要求也越來越高。風能是一種清潔可再生的、最成熟的、最具備大規模商業開發價值的新型清潔能源[1]。通過多年大規模陸上風電的開發，對風電技術已經有了比較全面的掌握，但陸上風電也暴露出了一些問題，如：陸上風電場的建設區域距用電區域遠、電力消納能力不足、棄風嚴重、電能浪費等，而海上風電場具有風切變影響小，風速穩定、平均風速高、不占用土地資源、距海岸經濟帶近、電力消納充足、抗沖擊性強等優點，發展海上風電已成為我國新能源的替代戰略[2]。

我國海岸線18 000多km，近海海域面積遼闊，風能資源預計可達7.5億kW，是陸上風能資源的3倍，海上風電場已經成為未來清潔能源發展的重點[3]。在我國《可再生能源十二五規劃》中，海上風電發展目標為2015年達到5 GW，2020年達到30 GW，成為世界第一海上風電大國。并且，預計到2050年，全球的海上風電裝機總量將達到774 GW，占全部風電容量的18.4%，占到全球電力消費的6.4%[4]。

目前，海上風電機組安裝分為整機安裝法和分體安裝法兩種[5]。其中，海上風機分體運輸安裝法由于其對海上運輸設備和安裝設備的要求相對較低，可以利用起吊重量較小的起重設備進行風機吊裝作業，因此，海上風機分體運輸安裝法是目前較為成熟且得到了廣泛應用的安裝方法。

目前，國內外海上風電場風機分體運輸安裝法主要包括：單葉片吊裝(一次性吊裝完預拼裝的機艙+發電機+輪轂之后，再獨立吊裝葉片)、風輪整體吊裝(輪轂與葉片預先拼裝，完成后進行葉輪的整體吊裝)以及兔耳式吊裝(先吊裝2片葉片+輪轂，再吊裝第3支葉片)等三種。

海上風機葉片吊裝是海上風電施工作業中的一個重要環節。風輪整體吊裝方式是源于陸上小容量風電機組吊裝的常規的吊裝工藝，需要有較大的地面拼裝空間，而且作業時間較大，受環境因素制約嚴重。目前，國內已建海上風電項目中除僅少數采用水平單葉片吊裝和兔耳式吊裝方法外，大部分均采用風輪整體吊裝方式。然而，隨著國產化風電機組大型化及向海況條件較差的深遠海域發展，海上進行風輪整體吊裝方式受到制約的因素逐漸顯現，與此同時，目前國外海上風電機組大多采用單葉片及兔耳式吊裝方法。

如表1所示為不同葉片吊裝型式國內外應用情況。

表1 不同葉片吊裝型式國內外應用情況

海上風電場往往選址在海上風浪較大的區域，而海上風電設備的運輸安裝與吊裝工藝的優化和選取則顯得極其重要，合理的選擇風機葉片的吊裝工藝，可以達到最大限度的減少海上作業時間，高效安全地完成風電機組的安裝任務。

本文研究了福清興化灣大型海上風電場機組葉片的吊裝工藝，并對比分析了不同的葉片吊裝工藝的特點，本文研究對我國大容量海上風電吊裝工藝的改進以及未來海上風電的開發建設具有一定的參考價值與指導意義。

1 福清興化灣樣機試驗風場概況

福清興化灣樣機試驗風場位于福建省福清市，福建省是全國海上風電資源中的“極品”區域，受臺灣海峽的“狹管效應”影響，風場項目區域90 m高度風向主要集中在NNE、NE，年平均風速約8.2 m/s，風資源優越，開發潛力巨大。另外，項目風電場處臺風活躍區域，臺風強度大、持續時間長，每年9-12月為季風期，吊裝窗口期較短，僅約150 d。

目前，興化灣海上試驗風電場項目A區面積約23.6 km2，平均水深5.5 m，規劃裝機容量77.4 MW。綜合考慮風場場址風能資源特征、發電效益等因素，風電場樣機選定太原重工、海裝風電、金風科技、明陽智能、東方電氣、上海電氣(西門子)、湘電風能、GE等國內外8家風機廠風機，共14臺。興化灣樣機試驗風場14臺風機均采用福船三峽號海上風電一體化作業移動平臺進行海上分體安裝方案。各樣機葉片部分主要技術參數如表2。

2 福清興化灣樣機試驗風場葉片吊裝型式

本文福清興化灣風力機吊裝型式有：5個風機廠家(太原重工、海裝風電、明陽風電各2臺，東方電氣、湘電風能各1臺，共8臺)采用葉輪組拼型整體安裝工藝，3個風機廠家(GE 3臺、西門子1臺、金風科技2臺，共6臺)采用單葉片吊裝安裝工藝。

2.1 葉輪組拼型整體安裝

葉輪組拼型是指在吊裝完塔筒與機艙之后，在安裝船上組拼輪轂與3只葉片，將組拼好的葉輪整體起吊安裝在機艙上的方案。

葉輪組拼型整體安裝的葉輪起吊方式也分為兩類：吊機掛雙吊帶分別掛至2只葉片根部抬吊(太原重工、湘電風能)，與吊機掛單吊帶掛至輪轂吊點起吊(海裝風電、東方電氣、明陽風電)。

如圖1(a)和圖1(b)所示為兩種葉輪起吊方式：

表2 樣機葉片部分技術參數

圖1 葉輪組拼型整體安裝的葉輪起吊方式

其中，葉輪組拼型整體安裝的具體工藝流程如下。

1)按各廠家具體組裝方法和規定，在風輪固定組拼工裝上吊裝葉片組裝風輪，如圖2。

圖2 風輪組裝布置平面圖

2)掛設纜風繩，主吊機大鉤主吊風輪，輔吊機小鉤輔助起吊，雙機原位抬吊至距甲板面35 m左右，如圖3。

其中，太原重工、湘電風能使用1 000 t主勾掛雙吊帶分別掛至2只葉片根部(如圖1(b))；海裝風電、東方電氣、明陽風電使用1 000 t主勾掛單吊帶掛至輪轂吊點(如圖1(a))。

圖3 風輪吊裝平移狀態立面圖

3)主、輔吊機把桿協同轉動，將風輪平移吊至平臺船左舷外9.4 m左右，準備豎轉。

4)主吊機起鉤，輔吊機逐步松鉤，穩貨小車協同逐步收緊上纜風，調整控制風輪葉片方位，將風輪逐步豎轉，如圖4。

圖4 風輪吊裝起吊狀態立面圖

5)輔吊機摘鉤，主吊機起鉤至風輪安裝高度，擺動把桿，人工在甲板面配合下纜風，控制風輪仰角，將風輪與機艙法蘭逐步對接，并緊固連接螺栓，如圖5。

圖5 風輪吊裝最終狀態立面圖

6)吊機松鉤，穩貨小車松鉤，拆除吊具，起升把桿，吊機把桿離開風輪平面范圍。風輪盤車，將葉片逐根轉至豎直向下狀態，人工拉溜繩將纜風逐根脫離。

2.2 單葉片吊裝安裝

單葉片安裝型是指在一次性吊裝完預拼裝的機艙、發電機與輪轂之后，再使用獨立的葉片夾具來夾持機組葉片，并利用吊機把3支葉片分別安裝到機組輪轂上的方案。

根據葉輪轉動方式的不同，單葉片吊裝可分水平式單葉片吊裝(西門子、金風科技)與非水平式單葉片吊裝(GE)，水平式吊裝需要在葉片吊裝前提前安裝盤車裝置，利用盤車旋轉輪轂，每只葉片水平安裝，在葉片安裝完畢后再拆除盤車裝置。非水平式吊裝無盤車裝置，配備可傾斜角度較高的葉片夾具，斜向插入輪轂安裝，帶動葉片及輪轂旋轉至下只葉片的安裝位置。

如圖6(a)和圖6(b)所示為兩種單葉片吊裝安裝方式的葉片夾具。

圖6 兩種單葉片吊裝安裝方式

2.2.1 水平式單葉片吊裝安裝工藝流程

1)在平臺船上組裝葉片吊具支架和吊具；在主吊機把桿上安裝纜風系統。

2)葉片運輸船錨泊平臺船右舷側，雙機抬吊葉片(連同運輸工裝)存放在甲板面的葉片支承梁上；主吊機掛設葉片專用吊具、系掛纜風，吊裝葉片。

葉片安裝流程：葉片安裝前準備-盤車裝置操作-單葉片吊裝-安裝葉根螺栓-安裝第一根葉片(葉片均水平安裝)-機組盤車準備安裝第二根葉片-安裝第二根葉片-機組盤車準備安裝第三根葉片-安裝第三根葉片-葉根螺栓最后緊固，如圖7。

圖7 水平式單葉片吊裝布置立面圖

2.2.2 非水平式吊裝安裝工藝流程

1)在平臺船上組裝葉片吊具，測試福船三峽自有纜風系統。

2)機艙偏航至葉片1安裝位置，平臺船安裝葉片支承梁，葉片運輸船移近平臺船，主、輔吊機雙機抬吊葉片1存放在支承梁上-主吊機掛鉤葉片專用吊具，利用穩貨小車系掛纜風-專用吊具夾吊+30°安裝葉片1，如圖8。

圖8 非水平式單葉片1吊裝立面圖

3)葉片下轉-60°，葉片吊具脫開連接，如圖9。

圖9 非水平式單葉片1下轉-60°立面圖

4)機艙偏航200°，0°安裝葉片2，如圖10。

圖10 非水平式單葉片2吊裝立面圖

5)將葉片2起吊+30°，葉片吊具脫開連接。

6)機艙偏航至葉片1安裝位，+30°安裝葉片3，安裝完成后葉片吊具脫開連接，如圖11。

圖11 非水平式單葉片3吊裝立面圖

3 福清興化灣樣機試驗風場葉片安裝工藝分析總結

3.1 安裝工效分析

葉輪組拼型整體安裝工藝單臺有效作業時間長，約為36 h，受吊裝風速限制，作業窗口相對較少。

單葉片水平式吊裝安裝工藝需要安裝、拆卸盤車，作業時間較長，有效作業時間約為30 h，非水平式吊裝安裝工藝無裝卸盤車步驟，有效作業時間約為20 h。

總體而言，單葉片吊裝較葉輪組拼型整體安裝作業時間短，工作效率高。

3.2 安裝工藝特點對比

葉輪組拼型整體安裝工藝與單葉片吊裝安裝工藝對比如表3。

3.3 單葉片安裝工藝特點對比

水平式與非水平式單葉片吊裝安裝工藝對比如表4。

表3 葉輪組拼型整體安裝工藝與單葉片吊裝安裝工藝對比

表4 水平式與非水平式單葉片吊裝安裝工藝對比

水平式與非水平式單葉片吊裝安裝工藝各有其優點，水平式單葉片吊裝對吊機操作精度要求相對較低，纜風系統穩定性較高；非水平式單葉片吊裝無需裝、卸盤車裝置，步驟簡單，作業時間短。

4 結 語

福建區域海上風資源極為豐富，開發潛力巨大，具有得天獨厚的地理優勢。福清興化灣試驗風場作為三峽集團在福建省的首個海上風電場，具有優良的經濟價值與巨大的戰略意義。

結合本文對福清興化灣樣機試驗風場大容量海上風機葉片的吊裝工藝的介紹與分析，大容量海上風機單葉片吊裝方法將是國內未來深遠海域大型化海上風機的吊裝發展方向。另外，在具有良好的預拼裝碼頭及出運能力的近海項目兔耳式吊裝也是推薦可選的葉片吊裝工藝方案之一。

本文試驗風場葉片吊裝工藝的總結與分析對我國海上風電吊裝工藝的施工優化以及未來海上風電的開發與建設具有一定的參考價值。