深海風機安裝平臺自動組裝設備方案設計

(泰州職業技術學院， 江蘇 泰州 225300)

0 引 言

目前，海上風力發電安裝平臺一般采用自升式平臺，這種平臺的優點是可以采用樁腿使得船體抬出水面，樁腿底部采用樁靴支撐于海床上，但其安裝的工作水深很難超過100 m[1]。同時，其只能適用于淺海，雖然采用自升式平臺設計可以克服波浪帶來的船體運動，但無法減輕風載荷對風電設備吊裝安全性的影響。

與陸地風電設備的安裝過程相比，海上環境條件更為復雜，隨之帶來的設備安裝成本也急劇增加。現有的風電設備安裝平臺可以滿足近海風電設備的安裝需求，隨著潮間帶及近海區域風電資源的開發強度逐漸飽和以及沿海地區環境保護呼聲的日趨強烈，海上風力發電從潮間帶和近海走向深海遠岸將是必然趨勢[2-3]。

深海風電場遠離陸地碼頭，風電設備的運輸和時間成本也成倍地增加，必須使安裝平臺能夠一次運輸盡量多的風機組件。如果采用碼頭組裝完成再運輸的方法，風機體積過大，導致風機設備裝載效率不高；采用分體運輸則可使風機裝載布置緊湊，極大地降低運輸成本。

現有的風力發電安裝平臺基本都是為淺海風電安裝設計的，與漂浮式船體相比，固定式平臺能夠更好地提高風機安裝的精度并滿足安全性要求，但這種風電設備安裝受到水深的限制，如果在深海，風電安裝還必須采用漂浮式船體，文獻[4-5]已經對深海半潛式風電安裝平臺進行初步設計。采用漂浮式船體，運動響應將不可避免地受到海上波浪載荷和風載荷等環境載荷的影響，對風電設備安裝的精度和安全性提出了更高的要求[6-7]。現有的采用重吊分體安裝的方法將很難滿足深海風力發電安裝的要求[8]。

鑒于上述考慮，設計一種風力發電組裝設備，采用分體運輸的方式，能夠在海上進行風力發電部件的組裝，組裝完成后再整體吊裝。這種組裝設備要求在海洋環境條件下運動的平臺上也能正常工作，滿足風機部件組裝的精度和安全性要求，同時采用全自動安裝，提高風機安裝效率，減小深海風電安裝成本。

1 深海風機安裝平臺自動組裝總體設計

1.1 設計思路

風車機組整體尺寸巨大，且隨著單機功率增大，尺寸還有可能繼續增大。一般陸地安裝風機都是按照由下到上的垂向安裝順序，先安裝風機地基，再依次安裝塔筒、電機，最后安裝葉片[9-10]。由于風車輪轂離地面高度很高，必須采用較高的吊臂，此種吊臂很多是分段組裝的。此外，空中組裝風機組件屬于高空作業，作業危險性大，且較易受到風載荷以及其他天氣條件的影響，使得陸地安裝風機效率不高。

近海風機安裝順序與在陸地上的安裝順序差不多，一般吊機安裝在自升式平臺上，平臺可以采用樁腿使得船體提升出海面，吊機運動不受波浪的影響。風機組裝在海上也采用高空作業的方法，與陸地安裝相比，工作效率并沒有提高多少。

現有自升式安裝平臺的缺點在于不能適用于深海風機的安裝，一旦到了深海一般都采用浮式平臺，這時平臺的運動就會極大地影響風機安裝的安全性。如采用普通的風機組裝方式，必須限制海況，但一般遠洋環境條件都比近海惡劣，作業窗口更為狹窄。

考慮到上述因素，以提高風機安裝效率、安全性和精度為目標，提出以下設計思路。

(1) 風機部件組裝采用液壓車組裝，不采用傳統吊裝組裝的方式。平臺漂浮在海面上將不可避免地產生運動，這種運動對于吊裝是非常不利的，吊繩會在這種運動下不停擺動，無法滿足組裝要求，同時由于吊裝高度一般都較高，在組裝風車時，風機組件的運動幅度會很大。因此，風機部件組裝采用液壓車對接的方式。液壓車固定于平臺的導軌上，不會發生相對滑移，同時液壓設備能在垂直方向調節高度，滿足設備對接精度要求。液壓車與風車部件之間采用橡膠墊緊密接觸，不會發生相對滑移，滿足安全性要求。

(2) 風機部件組裝采用水平組裝。如果把風機垂直固定在底部，一旦平臺稍有運動，風機重心又較高，必須設計很強的固定結構，這樣的結構質量和成本相當巨大。因此，與垂向組裝相比，風車部件的高度適當降低可以減小作業風險，同時高度的降低也可以減少風機在平臺上的運動。

1.2 總布置設計

根據上述設計思路，對風機組裝場地進行總布置設計，分別采用塔筒組裝液壓車和風車葉片安裝液壓車進行塔筒和葉片的水平安裝，采用全回轉吊機安裝電機和輪轂，風機安裝完成后，采用整體安裝吊機將風機安裝到指定的海域位置。塔筒堆場和葉片堆場的門型吊機以及液壓小車都配有導軌。場地布置緊湊，此堆場一次能容納14臺6 MW風機的組裝。總布置圖如圖1所示。

圖1 風機組裝場地總布置

1.3 設備清單

根據總布置圖，風機組裝場地主要設備有3個堆場、3臺門型吊機、2臺全回轉吊機和液壓車等，主要設備清單如表1所示。

表1 主要設備清單

2 關鍵設備

2.1 風車部件儲存支架

風車部件主要包括塔筒、葉片、主機和輪轂，其中輪轂和主機事先已組裝完畢，這樣一共有3種部件，其中塔筒和葉片的部件數量較多，塔筒分成多段，1臺風機包括3個葉片，這些部件的占地面積比較大，運輸和儲存也較為麻煩。因此，設計風車部件通用儲存支架，主要有以下幾種原因：

(1) 由于風電設備構件尺寸巨大，考慮到從建造出廠至安裝場地的運輸安裝，必須采用分段組裝的方式。

(2) 由于風電設備功率、制造廠家以及地基形式等差別，其尺寸多樣，各個部件形狀也不相同。因此，考慮設計通用的儲存支架，可堆放儲存，使風機部件儲存更為集中，減小儲存場地占用面積。

圖2 通用儲存支架滿負荷裝載示例

(3) 為提高風電設備在運輸過程中的安全性，減小運輸過程中的碰撞損壞，儲存支架安裝彈性橡膠墊，起到抗震和保護的作用。

(4) 在儲存支架上設置運輸的接口，不必在風機設備上安裝額外的固定構件。根據風車部件尺寸，風車部件通用儲存支架設置若干矩形分隔：每個分隔內設置橡膠塊，用于緩沖風車部件與分隔的接觸碰撞，起到固定部件作用；每個矩形分隔上部采用旋轉支架結構與豎向支架鉸接，在儲存過程中，旋轉支架水平放置，擱置在下方豎向支架的矩形擋塊上。這樣的設置既可保證風車部件布置緊湊，又能使部件固定牢固。風車部件通用儲存支架滿負荷裝載如圖2所示。

在工作過程中，旋轉支架旋轉90°，吊機起吊部件至組裝區域進行組裝，風車部件通用儲存支架工作過程如圖3所示，通用儲存支架儲存和工作過程B-B剖面如圖4所示。

圖3 通用儲存支架工作過程示例 圖4 通用儲存儲存和工作過程B-B剖面圖

2.2 風車儲存場地龍門吊機

為了將儲存場地的風機設備組件運輸到安裝位置，采用龍門吊機運輸風機設備組件，龍門吊采用電磁吊，優點是吊運比較迅速。由于風機部件是多層堆放的，空置的儲存支架必須先移走才能繼續運輸下一層風機設備，因此一共設置2臺龍門吊機，1臺吊機專門運輸風機部件，另1臺吊機負責把空置的儲存支架移出儲存場地，2臺吊機同時協作可提高運輸效率。

2.3 風車塔架組裝液壓車

為了提高液壓車組裝的精度，必須考慮水平和垂直2個方向的對接精度。水平方向的精度控制采用固定導軌的方法，使得多臺液壓小車的中線在一條直線上。垂直方向的高度采用液壓調節，可以滿足不同部件的高度要求，對于同一種型號風機，只需設定一次高度。

采用液壓車組裝而不采用吊運組裝是考慮海上環境的影響，海上的風載荷和平臺運動載荷比陸地上要大很多，在吊運過程中吊繩不可避免地晃動，嚴重影響對接精度。風機部件組裝采用液壓車對接的方式，同時液壓車輪作用在導軌上，不會產生滑移，從而保證了組裝過程的精度和安全。

采用液壓小車也可以提高組裝的效率，對于同一種風車型號，安裝完第一臺風機后存儲液壓小車的移動位置信息，在安裝下一臺風機時，可以直接讀取位置信息，除了第一次人為調節控制外，后期可以無人控制或者微調。

2.4 主機和輪轂吊機

主機和輪轂通過葉片龍門吊機上的全回轉吊機吊運至主機擱置井內，設置擱置井的目的是減小水平安裝吊機的高度，進而降低作業的危險性和成本。擱置井有液壓基座可以調節垂向高度。

2.5 葉片龍門吊機和組裝液壓車

圖5 葉片組裝示例

葉片儲存場地龍門吊機的作用是將葉片從儲存場地運輸至葉片組裝液壓車上。由于風機葉片材質不是鋼質，因此不采用電磁吊，而采用繩圈吊運。葉片組裝液壓車的作用是把葉片組裝到輪轂上。水平方向的精度通過導軌控制，垂直方向的位置通過液壓裝置調劑。由于輪轂位置較高，液壓車的升降裝置比塔筒組裝液壓車的高度要高。葉片組裝示例如圖5所示。

2.6 風車塔架豎立裝置

風車塔架豎立裝置由1臺回轉半徑為122 m的200 t全回轉吊機、1臺緩沖基座車和3臺液壓小車組成。主要工作過程：風車塔架底部位于緩沖基座車處，緩沖塔架底部在翻身過程中承擔大部分垂向載荷；風機塔筒主體位于3個液壓小車上，液壓小車將風車的質量均勻傳遞到液壓小車下面的導軌上，分擔集中載荷；吊機將風車塔架從水平位置翻身到垂直位置。風車起吊初始位置和起吊過程如圖6和圖7所示。

圖6 風車起吊初始位置 圖7 風車起吊過程(30°)

風機吊運完成后，利用200 t全回轉吊機將完整風機安裝到指定海域，吊機還可將運輸船上的風機部件吊運至平臺堆場。

3 風機組裝方案

該風機自動組裝設備是深海風電安裝平臺的一部分，適用于深海大型風機的分體運輸和整體安裝方案。針對風機分體運輸設置3個堆場，包括塔筒、葉片、電機和輪轂堆場。首先，采用門型吊機運輸塔筒至塔筒安裝區域， 采用3臺液壓車進行塔筒的安裝；同時，采用吊機運輸葉片至葉片安裝區域，采用2臺液壓車進行葉片的安裝。由于合理地設計了2個區域位置，因此塔筒和葉片的安裝可同時進行。采用60 t全回轉吊機吊裝電機和輪轂，安裝到塔筒對應位置，通過葉片組裝液壓車把葉片組裝到輪轂上，至此完成了整個風機的安裝，最后采用200 t全回轉整體安裝吊機將裝配好的風機安裝到對應的海域。風機組裝流程如圖8所示。

圖8 風機組裝流程

4 結 論

為滿足海上風力開發的深海化、專業化、大型化需求，以提高深海風機安裝效率、安全性和精度為目標，設計一套應用于深海風電安裝平臺的風機自動組裝設備，并給出該設備的使用流程。該設計將風機組裝過程進行合理組織，采用水平組裝、液壓車對接、固定導軌等方法，解決安裝精度、運動因素等問題，實現風機分體運輸和整體安裝設計思想，在其他類型的風機安裝裝備中可以推廣。

風機自動組裝設備的開發使用對促進深海風能的開發和利用，加快海上風電項目的建設，調整能源結構和轉變經濟發展方式具有重要意義，同時縮小在海上風能源領域開發裝備方面與西方國家的差距。