遠海自升式風電一體化運輸與安裝探討

黃艷紅，王俊杰

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

引言

隨著海上風電建設逐漸走向遠海，一方面大容量風機部組件的運輸對運輸提出了更高的要求，另一方面現有的施工工藝對更為惡劣的風浪流條件適應性降低，整體式安裝的浮態起重船受風浪的影響更大，而分體安裝的自升式風電安裝船雖然通過抬升實現靜對靜的作業環境，但為其運輸風機部件的運輸駁卻受涌浪的影響較大，成為安裝施工中的薄弱環節，影響了工效。因此，自升式風電安裝船采用一體化運輸與安裝對推進遠海風電場建設具有重要意義。本文基于施工工藝技術層面開展了研究，對于非自航自升式風電安裝船的拖航穩定性和多套風機部件堆疊運輸的防傾覆措施等尚需進一步深入研究。

1 國內外風機安裝技術現狀

1.1 國外風機部件運輸方式

1）塔筒垂直運輸

國外海上風力發電機所有塔筒均采用垂直運輸方式，海上風電場風機塔筒垂直運輸如圖1 所示。塔筒垂直運輸底座工裝焊接在自升式風電安裝船甲板面上，塔筒與垂直運輸底座工裝通過若干螺栓連接。底塔筒有塔筒門，螺栓連接、拆卸操作進出底塔筒較為方便；而中塔筒和頂塔筒沒有門，塔筒垂直運輸底座工裝考慮一定的設計高度，并在工裝側面預留一定大小的開口，方便進出中塔筒和頂塔筒，進行螺栓連接和拆卸工作。

圖1 塔筒垂直運輸

2）多層葉片或葉輪堆疊運輸

國外自升式風電安裝船運輸葉片，一般采用多層葉片堆疊運輸方式，如圖2 所示。

圖2 葉片多層堆疊運輸

1.2 國外風機安裝技術現狀

國外采用自升式風電安裝船進行風機安裝的施工工藝流程主要為：風機部件運輸至施工現場后，底塔、中塔、頂塔采用垂直吊裝方式；葉片安裝采用單葉片安裝方式或者葉輪整體吊裝方式，施工工藝流程如圖3 所示。

圖3 國外自升式風電安裝船風機安裝工藝流程

1.3 國內風機安裝技術現狀

由于國內自升式風電安裝船資源有限，近海海域一般采用運輸駁運輸風機部件，自升式風電安裝船只在風場內移動進行風機部件的吊裝。目前國內自升式風電安裝風機安裝施工工藝流程主要為：首先底塔筒在碼頭進行預拼裝；然后采用三艘駁船將風機部件運輸至海上：第一艘駁船運輸底塔、中塔、頂塔，底塔垂直運輸，中塔、頂塔水平運輸，第二艘駁船運輸機艙、輪轂，第三艘駁船運輸葉片；然后自升式風電安裝船在海上進行風機部件吊裝，底塔垂直吊裝，中塔、頂塔抬吊翻身后安裝，葉片采用單葉片吊裝方式或在海上將葉輪拼裝后進行葉輪整體吊裝。施工工藝流程如圖4 所示。

圖4 國內自升式風電安裝船風機安裝工藝流程

2 一體化風機運輸與安裝方案

2.1 技術研究參數

以1 200 t 自升式風電安裝船“三航風和號”、西門子SWT-4MW 風機為研究對象，進行自升式風電安裝船多套風機運輸和安裝技術研究。

“三航風和”號可以在水深50 m 范圍內泥砂質海底海域或相類似海域按自升式平臺型式進行作業，也能夠在浮態時降載吊重作業，主要技術參數見表1 所示[1]，船舶實景照片如圖5 所示。

表1 1 200 t 自升式平臺船主要技術參數

圖5 1 200 T 自升式平臺船“三航風和”號

選擇西門子SWT-4.0 MW 機型進行“三航風和”號海上風機分體安裝施工可行性研究，風機參數如表2 所示。

表2 西門子4 MW 風機參數表

2.2 總體施工工藝流程

采用1 200 t自升式平臺船“三航風和”號進行西門子4 MW 風機分體安裝的主要施工工藝為：自升式平臺船將兩套風機部件運輸至海上相應施工機位，底塔、中塔、頂塔采用垂直運輸方式，葉片采用兩層錯位堆疊運輸方式；底塔垂直吊裝；中塔垂直吊裝；頂塔垂直吊裝；機艙+輪轂吊裝；單葉片吊裝；流程如圖6 所示。

圖6 1 200 t 自升式平臺船風機分體安裝施工工藝流程

2.3 風機部件運輸方案

平面布置需要考慮的因素如平臺荷載平衡、吊機作業半徑、安裝順序是否沖突、安裝一臺后平臺荷載的平衡、減少迎風面積、頂塔與臂架是否沖突等方面。

在“三航風和”號甲板面上布置裝載方案，“三航風和”號可運輸兩套完整的風機部件，兩套風機塔筒均采用垂直運輸方式。機艙、輪轂預拼裝后再裝載運輸，運輸底座由廠家提供。葉片運輸考慮到拖航過程中的安全性和吊裝的易操作性，可以采用上下兩層錯位堆放的方式，廠家運輸過來的葉片連同單葉片運輸工裝一起起吊，裝載在“臺階式”葉片運輸支架上，單葉片運輸工裝與“臺階式”葉片運輸支架采用焊接或花籃螺絲連接，“臺階式”葉片運輸支架與“三航風和”號甲板面焊接固定。運輸方案如圖7 所示。

圖7 “三航風和”運輸兩套風機部件示意圖

2.4 風機部件安裝方案

與傳統自升式風電安裝船風機分體安裝技術的主要不同是：所有塔筒垂直運輸到海上相應安裝機位后，無需抬吊翻身豎立，可直接安裝專用吊具進行塔筒垂直吊裝，塔筒垂直吊裝示意圖如圖8 所示。

圖8 塔筒垂直吊裝示意圖

3 優點及工效分析

工效從兩個方面考慮，一個是運輸駁進點以及可能的涌浪限制導致的施工有效日減少，二是翻身等動作的減少帶來的工效提高。

根據外海施工條件和施工經驗，傳統自升式風電安裝船風機分體安裝施工工藝安裝1 臺風機需要3 個有效工作日，工效分析如圖9 所示。自升式風電安裝船多套風機運輸安裝施工工藝，中塔、頂塔無需抬吊翻身，每臺風機安裝可節約0.5 個有效工作日，平均安裝1 臺風機需要2.5 個有效工作日，工效分析如圖10 所示。

圖9 傳統自升式風電安裝船分體安裝施工工效分析

圖10 自升式風電安裝船多套風機運輸安裝施工工效分析

自升式風電安裝船多套風機運輸安裝施工工藝，單船可運輸兩套完整風機部件，所需船機設備少，比傳統自升式風電安裝船風機分體安裝施工工藝少租用2 艘3 000 t 自航運輸駁和1 艘定位船。自升式風電安裝船多套風機運輸安裝施工工藝，所有塔筒采用垂直運輸、垂直吊裝的方式，不需主、輔起重機抬吊翻身，簡化了施工流程。且主吊機在進行塔筒、機艙+輪轂的吊裝過程中，輔吊機可以同時進行葉片吊裝的準備工作，可使整個風機安裝過程更緊湊，平均每臺風機分體安裝可節約0.5 個有效工作日，施工工效高，經濟效益好。

4 結語

海上風電施工作業窗口期短，受風浪流等環境因素影響大，隨著海上風電建設逐漸走向深遠海，傳統采用駁船運輸風機部件，自升式風電安裝船只在風電場內進行風機分體安裝的施工工藝，運輸成本較高，施工工效較低。自升式風電安裝船多套風機運輸和安裝技術，可以充分發揮自升式風電安裝船抬升后穩定不受風浪影響的優點；可以節約大型運輸駁租賃費用；所有塔筒均采用垂直運輸、垂直安裝方式，優化了傳統施工工藝，可提高施工工效；葉片采用兩層錯位堆疊方式，兼顧運輸穩定性、施工方便性和經濟性；適用于深遠海風電場的建設。本文僅基于施工工藝技術層面開展了研究，對于非自航自升式風電安裝船的拖航穩性和多套風機部件堆疊運輸的防傾覆措施等尚需進一步深入研究。