大型海上風電機組水平單葉式吊裝技術分析

文 | 李紅峰，沈星星，張竹，王九華，程偉

海上風電場開發是一個復雜的系統工程，在海上進行機組吊裝，不僅技術要求高，同時還受氣候、天氣、波浪等因素的制約，海上施工方案的設計和作業中任何的失誤都可能造成工期的延誤。此外，隨著陸上風電平價時代的到來，海上風電也面臨降本的壓力，因此，選擇能夠減少海上作業時間、縮短工期的吊裝方法對于海上風電場建設至關重要。

傳統大兆瓦機組葉輪的三葉式吊裝，主要存在兩個問題：（1）葉輪自身拼裝問題。隨著機組的大型化、單機容量的提升，機組風輪直徑也越來越大，從2.5MW、3MW的109m、121m，再到6MW的154m、171m、184m及以上，若采用傳統的吊裝方法，市場上很難找到甲板空間能夠滿足大兆瓦機組葉輪拼裝要求的安裝船舶。（2）作業時間窗口問題。葉輪的平均吊裝時間為8個小時，大兆瓦機組葉輪的三葉式吊裝，對風速的要求較高，在高于8m/s平均風速條件下，難以進行吊裝。而在廣東、福建海域很難有平均風速低于8m/s且連續時間為8小時的作業時間窗口，這在很大程度上影響整個機組的吊裝進度，帶來的是風電場建設竣工時間的延遲和吊裝成本的增加。

因此，開發新型海上風電機組吊裝技術成為海上風電技術發展的迫切需求。本文主要分析水平單葉式吊裝技術的優勢，介紹水平單葉式技術方案和相關技術設備，并簡要分享其應用情況。

水平單葉式吊裝的優勢

水平單葉式吊裝技術是一項綜合考慮海上環境、裝備條件、機組特點、風電場開發成本及施工安全性等各方面因素的先進吊裝技術。使用該吊裝技術可以打破以往8～10m/s海上機組吊裝作業條件的限制，配合先進的攬風設備，可使海上尤其是高風速海域風電場的建設窗口期至少延長15%，實現16～18m/s陣風條件下機組的穩定吊裝，極大幅度提升項目施工效率，也可提前實現風電場并網發電，獲取可觀的發電收益。同時，水平單葉式吊裝技術把直徑達154m甚至184m的超大風輪化整為零，通過單支葉片的依次吊裝可使對施工船舶甲板的需求面積至少降低40%，降低超大葉輪對吊車運動幅度的需求，降低葉輪在翻身及回轉過程中的碰撞風險，為海上風電場安全施工提供有力保障。

水平單葉式吊裝采用單葉式吊具從船舶甲板上將葉片夾持到空中并與變槳軸承對接，實現葉片的吊裝。該方式對吊裝船舶的甲板空間要求較小，只要滿足單支葉片的存儲即可。

另外，水平單葉式吊裝受天氣因素影響較小。如圖1－圖3所示，以福建某項目為例，考慮每月降雨、雷電、大霧天氣占比為20%，7－9月還存在熱帶氣旋天氣，其占比為10%，單葉式吊裝可以在平均風速不超過12m/s的條件下進行葉片安裝。與三葉式吊裝相比，水平單葉式作業窗口期長，可以保證施工進度，在有限的時間內最大限度利用吊裝船舶資源。水平單葉式吊裝方法以及吊具開發對于機組葉片的維護和更換也有著重要作用，如海上風電場機組葉片損壞需要更換時，不必像傳統吊裝方法那樣將整個葉輪吊下來，而只需要租用相對較小的吊裝船，這樣在很大程度上可以降低運維成本。

水平單葉式吊裝技術方案

圖1 全年可作業窗口分析

圖2 兩種吊裝方式的各月有效作業天數對比

采用水平單葉式吊裝技術時，機艙、發電機、輪轂以及底段塔筒電氣柜體在工廠內完成預拼裝、預接線和調試，變海上作業為陸上作業，變現場作業為工廠作業，最大程度減少海上施工需求，在海上可直接實現分節塔筒、“機艙+發電機+輪轂”組合體的一體化吊裝，既保證了海上高效作業，又保障了吊裝質量。在葉片吊裝過程中，單葉式吊具起吊葉片至輪轂高度，攬風系統與單葉式吊具連接控制葉片在空中的穩定性，實現葉片與變槳軸承的水平對接。吊裝好一支葉片后，盤車工裝將下一個變槳軸承轉至同一水平位置，以同樣的方式吊裝第二支、第三支葉片。通過這種方式，一方面，可以減少葉片在空中所受的迎風面積大小，保證葉片吊裝更穩定；另一方面，對單葉式吊具的性能要求低，減少單葉式工裝的開發成本，降低葉片吊裝風險。

圖3 兩種吊裝方式的各月可吊裝臺數對比

圖4 福建某海上項目

水平單葉式吊裝技術設備

水平單葉式吊裝技術要實現機艙、發電機和輪轂的可組合拼裝，海上運輸及吊裝，塔筒內所有電纜完成出廠吊裝，需開發對應的設備，可見表1。其中的關鍵設備為盤車工裝、單葉式吊具和攬風系統。

一、盤車工裝

盤車工裝主要由多個驅動單元以及氣隙保護系統構成。每個驅動單元主要包括主驅動油缸和輔助動作油缸。主驅動油缸一端固定在固定基座上（基座與機組底座連接），另一端使用盤車銷插入發電機端蓋中實現發電機及葉輪受控轉動。為了避免液壓缸盤車驅動過程中由于發電機端蓋受力而導致發電機轉子變形過大，盤車工裝中需要集成一套發電機氣隙保護結構。在盤車動作執行過程中，每次油缸運動驅動發電機旋轉一定角度，通過油缸往復運動實現葉片安裝過程中的機組盤車動作。根據功能需要，盤車工裝可實現發電機順時針以及逆時針轉動。

表1 開發設備概覽

二、單葉式吊具

單葉式吊具夾塊能夠夾持葉片且保證葉片不被損壞，夾塊上具有壓力傳感器，可以實時觀察夾持壓力，保證夾塊所施加的最大夾持壓力在葉片表面的承載能力之內。吊具具有一定的傾斜角調節余量，可以使被安裝的葉片在高空中始終保持水平。該工裝具備緊急釋放系統功能，當單葉式吊具出現故障時，通過操作該緊急釋放系統機構，可實現葉片的隨時脫離，保護葉片和單葉式吊具本體不被損壞。吊具上夾塊和下底托能夠適用于不同類型的葉片，可以與不同葉片翼型表面完全貼合。

三、攬風系統

攬風系統的攬風繩絞盤是整個攬風系統的動力源，給整個系統提供攬風拉力。每個攬風繩上的張緊力能夠在設計工況下控制單葉式吊具在水平方向上的位置。攬風系統具有力傳感器，可以主動補償風載，自動調節單葉式吊具在空中的位置，保持單葉式吊具和葉片水平。該設備既可以使用無線遙控，也可以使用有線連接進行操作。無線遙控面板上有不同的控制模式，可根據現場實際工況進行選擇。

應用案例

水平單葉式吊裝技術已經在中國沿海海域多個海上風電場進行了應用，圖4所示為其在福建海域的應用案例。在樣機安裝時，福建某風電場風能資源豐富，平均風速達到10m/s，雖然是建設風電場的優質選擇地，但從不停歇的風也給工程師帶來巨大挑戰—海上作業平臺空間小、不確定因素多、吊裝窗口期緊張。為此，工程師采用海上機組一體化運輸及水平單葉式吊裝技術方案。除葉片外，其他部件都在陸地完成拼裝、接線和調試，運抵海上作業平臺后進行一體化吊裝。吊裝時，通過攬風系統的自動控制調整，順利完成葉片對接。經過連續十幾個小時的海上作業，即便吊裝期間平均風速達13.7m/s，陣風風速一度強達17m/s，吊裝過程仍然平穩可控，最終完成三支葉片的精準安裝，對接精度控制在1cm內。

總結

水平單葉式吊裝技術的開發，可以進一步完善海上機組的吊裝形式，使海上機組具備吊裝多樣性。該吊裝技術順應了海上大兆瓦機組的發展趨勢，避免葉輪三葉式吊裝中的制約因素，減少海上作業時間，降低海上風電場建設成本。