風電場吊裝模擬系統在采乃風電場中的應用

柴 亮，許海楠，王雅雯，廖心言

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

隨著碳達峰碳中和目標的提出，構建清潔、低碳、安全、高效能源體系任務的實施，我國新能源行業得到了加速發展。得益于風電資源的大規模開發和科技創新，風電機組價格逐年降低，建設條件困難的山地地區風資源也有了較大的開發價值。

近年來國家對環境保護要求越來越高，風電場開發建設難度也越來越大。山地地區除了地形復雜之外，生態紅線、林地、基本農田、基本草原、建設管制區等一系列限制因素都是風電場建設的阻礙，很多資源較好的機位往往因為無法布置吊裝場地而被迫移機甚至取消。如何在極端地形、用地限制區域選擇合適的吊裝方式，優化吊裝平臺布置方案，對于風電場的建設至關重要。

隨著電力工程BIM技術的快速發展，利用三維技術和數字技術，以三維設計模型為依據，使設計結果能夠在整個生命周期中得到廣泛應用[1]。基于BIM技術的吊裝施工動畫仿真模擬平臺[2]也越來越多的應用在電力建設領域。本文結合采乃風電場實際地形地貌等環境情況，采用研發的風電場吊裝模擬系統，復核吊裝平臺二維設計成果，優化吊裝方案，實現了土地科學綜合利用、提高了工程設計與建設質量，降低了工程成本，提高了項目建設和運行效益。

1 工程概況

采乃風電場規模為99.2 MW，共安裝31臺單機容量為3 200 kW的風力發電機組，葉輪直徑為155 m，輪轂高度為93.5 m。場址區為溶蝕作用形成的中低山地貌，海拔高度3 000～3 150 m，山脊脊線較為連續，起伏不大，頂部較寬，局部較為陡峭，整體山勢平緩，地形坡度5～20°，土地主要為荒草地及矮小灌木。風電場機位布置主要涉及生態紅線、縣界、喬木林地、基本農田等用地限制因素。

2 吊裝平臺的設計優化

2.1 基本參數的收集及輸入

風電場每個機位區域有測繪精度為1∶500的地形圖，前期也已經收集到縣界、林地、基本農田等限制區域的矢量數據，剩余基本參數的收集主要包括機位風電機組主要設備的重量及外形尺寸、吊車的參數等。本項目風電場采用的主吊為800 t履帶吊，風電機組主要設備參數見表1。

表1 大件設備參考重量和外形尺寸

地形圖的輸入需要使用Civil3D將原始地形圖處理后導入3DMAX轉換成HoistSystem系統可識別的FBX格式文件。吊車、機艙、輪轂、葉片、塔筒等設備可提前用3DMAX建成模型導入HoistSystem系統模型庫中，見圖1和圖2。

圖1 模型庫

圖2 三維地形的建立

2.2 吊裝方案的選擇

常見的吊裝組織方式有：所有設備堆放在平臺完成吊裝、部分設備堆放在平臺完成吊裝、所有設備隨到隨吊、分臺階式吊裝、預埋風輪組對基座[3]、輔助工裝[4]等方式。本研究項目地形陡峭、用地限制較多，場址區已設置有堆場，風電機組不支持單葉片組裝，因此主要考慮采用部分設備堆放在平臺完成吊裝，部分位置受限的困難機位則采用所有設備隨到隨吊的方式布置。

由于部分設備堆放在平臺完成吊裝的吊裝平臺上只堆放塔筒、機艙和輪轂等設備，葉片則通過揚舉車運輸至該平臺附近，待塔筒和機艙安裝完畢后再入場進行葉輪組裝、吊裝。在確定平臺最小面積時，需結合風電機組參數初步布置，這時就用之前建立的模型庫，初略的布置風電機組安裝位置、吊車及各個設備存放位置，確定一個能滿足現場布置和吊裝需求的最小平臺方案。根據采乃風電場設備參數尺寸，按照部分堆放設備方案布置如圖3，得到最小平臺面積為2 000 m2。

圖3 初步吊裝布置方案

2.3 吊裝平臺設計布置

在考慮縣界、林地等限制因素的情況下，按之前方案中確定的布置方式，在地形圖中布置吊裝平臺，確保吊裝平臺的最小面積在2 000 m2左右。為確保風電機組基礎結構的穩定性，平臺設計高程確定過程中除了需考慮葉輪組裝過程中葉片區域無障礙之外，還需考慮基礎能布置于開挖區域內。圖4為7號機位的吊裝平臺布置圖，北側坡口線未侵占喬木林地，西側坡腳線未越過縣界，場地內堆放有機艙和5節塔筒，主吊占位于基礎西南側的開挖區內，場地南側空地為主吊拼裝區域，由于場地受限，輔吊則位于場內道路上，7號機位的布置十分緊湊。項目剩余機位吊裝平臺也按照以上方式一一進行布置。

圖4 7號機位吊裝平臺布置圖

2.4 吊裝過程的模擬及設計優化

2.4.1 吊裝過程模擬

按照實測機位處1∶500地形圖轉換為三維模型，將二維設計圖紙中的機位吊裝平臺拐點坐標及設計高程，通過坐標及高程輸入的方式導入吊裝模擬系統，系統自動生成三維吊裝平臺布置，按照二維圖紙中的設備布置方式將其放置在三維吊裝平臺上，四周根據實際情況布置好架空線路塔基和樹木、山體等障礙物，設定允許吊裝的最大環境風速為10 m/s[5]，開展吊裝模擬。

模擬過程中，吊裝模擬系統會自動按照安裝次序識別設備模擬吊裝，若發生碰撞，則需調整吊裝平臺設計布置方案，重新模擬，直至吊裝過程無碰撞發生，則證明吊裝平臺設計方案可行。在模擬吊裝時，通過動畫可以觀察到吊裝平臺哪些區域沒有利用，在此基礎上，再調整吊裝平臺拐點坐標，減少閑置區域，充分利用有效空間，從而不斷優化布置方案。

7號機位在吊裝模擬過程中，輪轂布置在場地東側，主吊后側配重與山體無碰撞，能順利的與輔吊共同完成塔筒、機艙、葉輪的安裝，南側區域為車輛卸貨區域，整個場地無多余空間，布置方案合理可行，見圖5和圖6。

圖5 7號機位塔筒安裝模擬

圖6 7號機位葉輪安裝模擬

2.4.2 吊裝平臺設計優化

經過吊裝過程的模擬，采乃風電場31個機位中，有以下6個機位布置不合適進行了優化，模擬前后的吊裝平臺設計指標見表2。

表2 模擬前后吊裝平臺設計優化工程量

2.5 結果與分析

模擬結果顯示，16、21號機位原吊裝平臺設計面積偏小，5、13、30、31號機位吊裝平臺存在多余空間，工程量整體變化不大。

工程實施過程中，模擬優化后的設計圖紙能很好的指導現場施工，按照優化后的吊裝布置和施工順序，能有效減少設計變更數量和現場施工組織時間。與同區域類似項目相比，采乃風電場單臺風電機組節省變更和施工組織時間約0.5 d，按31臺計算共節省吊裝工期約15.5 d。通常山地風電場單臺風電機組安裝時間約為6 d，按照履帶式起重機吊裝風機成本分析[6]顯示，單臺風電機組吊裝成本費用約為34.59萬元，而使用風電場吊裝模擬系統優化后，采乃風電場估算節省吊裝費用約89.3575萬元。

經分析，使用吊裝平臺模擬系統對工程量整體影響偏小，但能有效的優化設計空間，能直觀的顯示吊裝過程，驗證吊裝平臺布置的合理性。模擬還發現，傳統的布置過程很難兼顧吊裝，風電機組基礎位置的不合理在安裝塔筒后也很容易對吊裝造成干擾，結合風速后的模擬能提前識別山體等障礙物對吊裝安全影響。

3 結 語

傳統二維設計無法直觀的表達現場實際吊裝環境，容易導致現場施工變更，設計精度較差，工程量不易控制。隨著山地風電場的開發持續推進，“數字化”及“信息化”逐步引入山地風電場設計，推動風電場設計和規劃更加精準。風電場吊裝模擬系統利用三維數字化的模擬方式，使得風電場吊裝平臺設計由“粗放型”的二維設計逐步發展為“質量和效益”并重的二維+三維精細化設計，吊裝過程的模擬使設計方案更貼近現場施工實際。

風電場吊裝平臺模擬系統在山地風電場中的應用，帶來的不僅僅是投資成本的降低和工期的縮短，它將賦予地形條件受限區域的資源獲得重新開發的可能，將推動山地風電場轉向更高更遠的地方發展。同時，風電場吊裝模擬系統三維數字化的設計方式也勢必將帶動更多、更合理、更先進的設計方式進入風電項目，讓風電項目建設更加環保、科學。