海上光伏施工一體化智能裝備研究

高雄杰,周成龍,張 偉,宋政昌,康智明

(1. 中電建(西安)港航船舶科技有限公司,西安 710065;2. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

海上光伏不僅可以解決土地問題,還具有天然的環境優勢[1],在碳達峰、碳中和的背景下,以海上光伏為代表的新能源產業在未來將具有戰略意義,海上光伏產業鏈將迎來重大發展機遇[2-3]。國家相關部委、能源主管部門進一步明確以“大基地、大項目集群”為主,自上而下規劃布局新能源項目的工作思路,沿海負荷中心以海上風光為基礎布局“海上三峽”[4]。中國大陸海岸線長1.8萬km,可安裝海上光伏裝機規模超過70 GW[5]。

海上光伏電站有固定式和漂浮式兩大類[6],根據山東省能源局出臺的《2022年全省能源工作指山東省能源局指導意見》,文件指出加快樁基固定式海上光伏項目開發[7-8]。樁基礎施工是樁基固定式海上光伏項目建設中成本高、安全風險大、施工周期長的關鍵工序。由于沒有專用施工裝備,大部分施工單位擬采用海上風電安裝、傳統打樁船或平板駁船改裝成打樁船施工,在潮差較大的近海區域功能受到限制;大型海工裝備的運行成本高,用來施工小直徑(直徑小于1 m)的光伏管樁經濟效益差,項目投資收益率達不到預期[4]。調研結果顯示:現有打樁船在海況良好的狀態下施工效率能達到20根樁/天,但海上光伏項目的樁基礎動輒數萬根,該施工效率仍然難以滿足工期需求。

本文在分析樁基固定式海上光伏電站設計及施工概況的基礎上,結合作業環境和功效需求,對比現有可借鑒裝備,提出一種新型海上光伏施工一體化智能裝備及其施工方法,以期攻克上述難題,為海上光伏項目建設提供裝備保障。

1 海上光伏樁基設計及施工概況

海上光伏樁基設計考慮的因素主要有海洋地質、水文、氣象等因素,設計的重點在于抗冰、抗浪、抗風、防撞、運維方案等方面,設計院在陸地光伏、漁光互補項目的基礎上,提出了超大跨度設計方案,采用超大跨度桁架式支架+鋼樁或PHC樁[7],管樁規格在PHC400-PHC800之間,樁頂考慮能夠使組件避開浪濺區,一般比海面高出7～8 m,樁長根據場址不同,一般在20～35 m。采用超大跨度方案可以節省樁基數量,但海上光伏樁基的特點仍然具有大規模高密度群樁特性。

受限于現有海工裝備的主尺度和施工效率,在海況和地質情況復雜的環境下,無法滿足樁基精準定位和高效施工的需求,且海上作業、起重吊裝、高處作業等危險性較高的工序疊加,相對陸地施工危險性成倍增長[10],樁基工程需要依靠更加專業化的施工設備提供保障。

2 海上光伏樁基施工裝備技術需求分析

2.1 基本作業環境分析

由于海洋環境的復雜性和光伏項目集中在東部海域的特點,本項目選取山東半島某海上光伏規劃場址作為參考,場址離岸距離在15 km內,海底泥面標高-3.5～0.7 m,潮汐為規則半日潮,低潮位平均水深2～4 m,高潮位平均水深5.9～11.1 m,洋流最大流速約為46 cm/s,年平均風速3.1 m/s,常風向為西西南向、南西向,次常風向為南西南、東向。60 m勘探深度范圍內的地基土自上而下依次是厚4.50～6.30 m層流泥層,厚12.70～17.30 m淤泥層1,厚12.70～17.30 m淤泥層2,最大厚度15.8 m淤泥質黏土1和厚15.80～17.10 m的黏土層2,場地穩定性差,對樁基設計與施工有很高要求。

2.2 工作效率要求

針對海上光伏樁基數量大、周期短、搶窗口期及控造價施工費低的特點,提高工作效率是項目降本增效、按期履約的關鍵。傳統打樁船的臺班效率大概是15～20根樁/日[11],移船定位用時0.8～1 h,每個船位可施工2～4根樁,以400 MW海上光伏電站約2萬根樁基規模為例計算,全部施工完成需要1 000臺班,假設同時開工4個工作面,需要8個月以上,考慮風浪、降雨、資源配置等因素影響,實際會超過10個月,增開工作面將會增大船機設備的投入,相互干擾上升,反而不利于提高效率,因此需要在船機設備投入量、工作面開設量和施工效率上找到平衡點。

2.3 海上光伏樁基施工裝備技術指標

根據海上光伏項目的設計趨勢、使用環境等條件,要求新型施工裝備滿足PHC800規格的樁基施工,適應樁長達到35 m,起重能力不低于25 t;每個船位可完成一個組串內的8根樁施工,樁基跨度長度方向不低于50 m,寬度方向不低于20 m;滿足工程船設計規范,可在沿海海域拖帶航行;具備打樁、上部組件吊裝一體化作業;抗風浪等級不低于6級;離岸15 km作業水深3～15 m;施工效率不低于40根樁/日;樁位偏差、樁體垂直度、樁頂標高等參數須控制在設計要求的范圍內。

3 智能裝備及施工方法

3.1 智能裝備

施工裝備體現技術先進性、設備安全可靠性、經濟合理性,滿足海上光伏打樁、組件安裝施工的實際需要,樁基海上施工設備主尺度的選取須符合主流樁基間距布置和設備功能要求,使海工裝備具有良好的穩性、耐波性[12],并與作業海域海況條件相適應;選擇合理的船型、結構形式和設備配置,以提高移船、定位、打樁及吊裝作業效率;選用安全 可靠、技術先進、性能優良和節能環保的系統和設備;滿足相關的最新規范、規則、公約和標準要求。

在綜合考慮各種因素的基礎上,裝備研制項目組設計了海上光伏施工一體化智能裝備,具體設計方案如圖1所示。

圖1 海上光伏施工一體化智能裝備總布置

本裝備型長50 m,型寬20 m,型深3.5 m,設計吃水2 m,打樁系統配置兩臺全回轉海工起重機,吊重約30 t,一臺吊機可在一個船位上打4根樁,兩臺吊機通過一次下樁定位作業,可以完成8根樁的施工;錨泊定位系統配置6臺20 t級定位絞車,用于移船和漂浮狀態的定位;定位樁系統配置4根直徑900 mm鋼質定位樁,長度25 m;配置壓載系統用于平臺壓載水的加載和排放,可實現實船體姿態實時調平;船舶電站由兩臺350 kW的發電機組供電,滿足平臺定位絞車、泵、輔助設備以及生活用電需求,電站布置于主甲板下的艙內機器處所;全船主要設備采用液壓系統電磁集中控制;居住艙室布置于上甲板尾端區域。

3.2 施工方法

在施工大規模樁群時,本裝備具備橫移和縱移兩種作業模式,施工流水作業步驟如圖2所示。

圖2 施工流水作業

圖3 臺車微調船位

圖4 雙鉤海工吊機喂樁

以橫向移動為例,需要經過移船→拋錨→找正→下樁→喂樁→打樁→脫扣→移船等8個主要流程,過程中還有補樁、換向等輔助流程。

(1) 移船:通過船舶導航定位系統,移船到預定位置。

(2) 拋錨:采用拋錨艇,把舷側工藝錨拋入與施工側反向的海域,拋錨距離滿足多次移船的需要,避免頻繁移錨。

(3) 找正:依靠收錨拉力、拖輪的頂推力,使裝備定位在指定位置上,然后利用臺車實現微調,使偏差符合設計要求。

(4) 下樁:船舶移動到指定位置之后,插入定位樁,使打樁船固定穩妥。

(5) 喂樁:打樁機起吊管樁,逐根插入打樁船上的抱樁器,插入過程通過機械自動控制完成。

(6) 打樁:在樁頭上卸下吊具,套入打樁錘,開始打樁。

(7) 脫樁:通過操控液壓油缸,使抱樁器實現鉸鏈式開合。打樁完成后,回收液壓油缸頂桿,即可打開抱樁器,抱樁器通過PLC控制單元,打樁完成并脫開抱樁器后,回收安裝在舷側的整體頂推抱樁器支架油缸,使已經打好的樁基與抱樁器完全脫離。

(8) 移船:拔出定位樁,使船舶恢復到自由浮動狀態,通過錨機收攬,使船舶移動到下一個施工位置,移動過程可以通過拖輪輔助頂推,打樁船移動到下一個施工點位后,再次插入定位樁固定船位,展開抱樁器,進入下一個施工循環。

3.3 關鍵設備有限元分析

如圖5所示,抱樁器外伸臂定位工裝是打樁作業時的關鍵部件,外伸臂的強度是否合理,其決定了打樁的定位精度和打樁作業的安全性和可靠性。對外伸臂及與其配合的船體連接耳板做靜力學有限元分析,如圖6所示,外伸臂和鏈接耳板的應力最大值分別為38.25 MPa和11.37 MPa,安全系數分別為5.75和19.35,均在材料的使用安全范圍內。

圖5 抱樁器外伸臂定位工裝脫樁

圖6 外伸臂和連接耳板有限元分析

4 裝備技術經濟參數對比

與傳統打樁船相比,海上光伏施工一體化智能裝備在設備性能和造價上有明顯的優勢,綜合性價比明顯超越了普通打樁船,主要表現在:單次下錨可多次移船,移船定位速度快;配置了多孔位抱樁器,起到導向、定位作用,平面位置更準確;對工人熟練程度的依耐性降低,個體差異對施工精度不產生影響;單次移船可施工一個光伏組串內全部樁基和上部組件吊裝,能大幅提高施工效率;采用液壓抱樁器,通過PLC集中控制抱樁和脫樁動作,實現全自動抱樁、脫樁;抱樁器可根據工程需要拆解,以便適應特殊樁位施工;能兼做起重船使用,船舶主尺度小,設備性價比高。

表1 裝備技術經濟參數對比表

5 結 語

海上光伏是應對能源短缺、實現雙碳目標、開發海洋資源行之有效的途徑,但由于缺少實踐經驗和專用機械,本文提出的海上光伏施工一體化智能裝備,通過船舶粗定位和定位工裝相結合方式,解決傳統打樁船定位時間長,定位精度差的問題,同時提高組串間樁基的相對精度和垂直度控制難題,降低對工人個體技術的依賴程度.通過裝備總體布局優化及功能選型分析采用增加打樁機數量、用海工吊懸打替代傳統導桿打樁架的方案,拓展打樁機單船位施工范圍,減少移船次數,可大幅提高施工效率;通過錨定系統、定位樁系統相結合的方案,提升抗風浪等級,實現海上穩船,提高施工精度。上述技術方案的引入對海上光伏固定樁基礎施工降本增效提供支撐,為后繼施工裝備研制和工藝設計提供了思路。