山地風力發電設備安全安裝技術要點分析

張瀚文

（蘭州有色冶金設計研究院有限公司）

0 引言

風力發電作為綠色、可再生能源，其對于減少傳統能源使用帶來的環境污染實現可持續性發展以及調整現有能源結構具有重要意義［1］。現階段，隨著土地資源的日益消耗，擁有較高土地使用面積的風電機組逐漸向著偏僻地帶如山區、海上等地進行建設。并且為了降低風電的成本，機組發電量在不斷提高，隨之而來的是高塔筒、長葉片的大兆瓦風電機組逐漸成為風電行業的主流。

風電設備在安裝過程中技術要求較高，需要綜合考慮各方面因素，包括但不限于場地空間、主導風向、吊裝方式、氣候條件和起吊設備等。而在山地進行風力發電設備安裝時，由于山地環境的制約，對于風力發電設備的安全安裝提出了更高的要求。因此，充分掌握風力發電設備的安全安裝技術要點，實現發電設備高效、低成本的安裝尤為重要。

1 山地風力發電設備安全安裝難點分析

1.1 工程案例概況

中節能天水秦州50MW 風電項目位于天水市秦州區西南部境內，場區屬低中山梁卯區，境內溝谷縱橫，嶺梁交錯，地形條件較復雜。場址區有X442縣道可通至藉口鎮，由藉口鎮至天水市，G30連霍高速經過天水市，風電場所需設備、物資均可通過公路運輸至工程區，對外交通條件尚可。工程區距天水市公路里程約50km，距蘭州市公路里程約314km。工程規劃裝機容量50MW，施工工期一年，風電場本期工程擬推薦方案為安裝單機容量為5.0MW 風電機組10臺。

1.2 安裝難點分析

風力發電設備安裝難點主要體現在兩方面：一是風力發電機組的安裝技術難度大。風力發電機組作為“風－電”能量轉化設備，是風電場建立的核心。以工程選擇的WTGS3型5.0MW 的風電機組為例，單臺風電機組（不含塔筒）主機綜合造價為2000元／kW，10臺機組總投資占整個風電場投資的60%以上，一套5.0MW 的風電機組的單套價值在13000萬元以上。風力發電機組的安裝難度大主要體現為單件重量大、單件尺寸大以及安裝高度高。其中，以工程選擇的WTGS3型5.0MW 的風電機組為例，標況下單套機組的總重在800t以上，其中塔筒總重為276.25t、機艙（包含發電機）約130t，單件重量大；由輪轂葉片組合的風輪直徑為193m，單件尺寸大；塔架的高度為110m，風輪安裝高度在110m以上，安裝高度較高。二是山地施工條件惡劣。風電場場址的海拔在1900～2600m，工程區位于秦嶺緯向構造帶與隴西旋卷構造帶的復合部位，屬西秦嶺北緣剝蝕中山區，呈現溝谷縱橫，嶺梁交錯的復雜地形條件，供施工作業使用的場地較為狹小。此外，對于山頂氣候的預測有一定的難度，雨、霧和大風氣象條件會為設備的吊裝造成一定的困難［2］。

2 山地風力發電設備安全安裝技術要點

2.1 施工工序的安排

對于風機的安裝應遵循“先下后上”的原則進行，其施工工序安排如下：首先將設備轉移至完成地基施工的施工區域內，然后將預制的塔筒部分以及機艙內部的發電機、齒輪箱等部件進行組裝，使用專業工具將葉片逐個安裝到風力發電機組葉輪上，隨后，使用起重設備將塔筒安裝到地基上，將機艙吊裝至塔筒之上，安裝緊固后，對葉輪進行吊裝，完成葉輪輪轂與電機主軸之間的固定，最后，將發電機組的電纜與電網進行連接，確保發電機組能夠正常輸出電能。并對已安裝好的風力發電機組進行系統調試和性能測試，確保其運行正常且達到設計要求。

2.2 吊裝平臺處理及吊車選擇

為滿足風機吊裝時的施工要求以及作為設備的臨時堆放場地，應根據實際需要（例如需保證吊車吊臂在起吊過程中不碰到塔架、物件可臨時堆放等），確定平臺的面積，本工程共10個風機位，確定平臺總面積為24000㎡。由于山地地形的復雜性，對于吊裝平臺可依據山形地勢布置，坡度應控制在5%以下，對于未滿足受力荷載要求的平臺，需要對部分山體進行開挖、碾壓以及平整。此外，由于吊裝位置位于山頂，存在人員臨邊作業等危險因素，需要做好邊坡、鄰邊的防護措施［3］。

由于該工程單套機組的總質量在800t以上，安裝高度在110m，安裝的設備重量大、安裝高度高，因此對于吊車的選擇，既要滿足吊裝要求，又要避免性能浪費。在吊裝設備時，由于機艙設備安裝高度高，重量重，是風力發電設備安裝工程中最重且安裝位置最高的部件，所以，吊車的選擇應根據機艙進行計算。工程機艙（包含發電機）約130t，最長風機設備葉片長約94.8m，經綜合考慮，選用1200t的履帶式主吊和300t胎式輔助汽車吊相互配合、輔助。

2.3 關鍵組件的吊裝要點

風電機組關鍵組件為塔筒（架）、機艙、葉片以及輪轂等，本工程使用的機組為SI-093520雙饋型風力發電機組，發電機位于機艙內部，其關鍵組件組成如圖1所示。本文以工程使用的SI-093520雙饋型風力發電機組的分段塔筒和風輪整體吊裝方案為例，簡述風電機組關鍵組件的吊裝要點。

圖1 雙饋型風力發電機組關鍵組件

2.3.1 風電機組塔架安裝要點

首先，需做好安裝前的清潔、查驗、存放工作。風電機組的塔筒多為錐形鋼筒，由多節組成，每兩部分之間用法蘭盤連接。這些錐形鋼筒是分段運輸的，需在現場將筒內的配件安裝好后，再進行吊裝。在現場保存時應注意將塔筒放置于硬木上并防止其滾動，存放場地應盡可能平整無斜坡。必須在現場檢查塔架及其配件在運輸中損壞與否，為防止銹蝕，任何外表的損傷都應立即修補，所有污物包含但不限于筒體污物、基礎環法蘭上的塵土及澆筑混凝土的剩余物也需清洗干凈，必要時可采用砂紙打磨拋光處理。在正式吊裝前，需要對相關的基礎環水平及沉降進行測量保證其在允許范圍之內，沒有嚴重的損傷和變形。同時，由于天氣等因素對于山地風電設備吊裝作業影響較大，因此在吊裝時應按照有關規范、標準，在大霧天氣、大雪天氣、風速＞10m／s等時不進行塔架的吊裝作業，此外需做好吊車各零部件的檢查工作，選用正確的吊具，并進行試吊。

其次，在起吊時利用1200t的履帶式主吊和300t胎式輔助汽車吊相互配合，將塔筒進行翻轉，使其處于垂直狀態，放開300t胎式輔助汽車吊。由主吊提起塔筒，進行旋轉調整，保證塔筒的橫截面與基礎相對應，以便于后期的固定。當塔筒門與塔筒和基礎環連接的兩法蘭處的接地螺栓柱對齊后，對塔筒進行微調，使其孔位相對齊，當對齊后需將緊固所用的螺栓、平墊及螺母套入連接兩個法蘭。

最后，調整吊車高度，使塔筒緩慢下落，當塔筒的法蘭面與基礎環相互接觸后，進行螺栓預緊固，注意此時需降低起重吊機的負荷，但不可完全移開吊車。利用專業的液壓扳手等工具，分兩次進行塔筒螺栓的最終緊固工作，第一次緊固螺栓力矩到額定力矩的50%，第二次緊固螺栓力矩到額定力矩的100%。當緊固完成后即可松開吊具、吊車。做好螺栓擰緊力矩的抽查，保證其符合要求，此外測量塔身垂直度，確保其滿足標準。

2.3.2 風電機組機艙吊裝要點

對于風力發電機組采用分部件吊裝的方式，在機艙吊裝時，應選擇除雷雨、大雨、大霧等天氣，并且機艙安裝需在風速＜8m／s時進行。

首先，需做好機艙的驗收以及地面組合等工作，當機艙部件（含發電機）在地面組裝完成后，固定吊具與機艙吊鏈后，進行機艙的起吊。

其次，需將機艙高度提升至超過上塔筒的上法蘭高度，當達到指定高度后，需按照塔筒上安裝人員的指揮，由吊車操作人員調整吊車的扒桿，使機艙處于塔筒的正上方，控制吊車使機艙緩慢下降，當機艙與塔筒的上法蘭的間距為1cm時，即可停止吊機。為了便于后期葉輪的吊裝，需利用引導繩，對機艙角度、位置進行調整，保證機艙縱軸線處于偏離當前風向90°的位置。

最后，利用導向棒對準安裝螺孔，利用螺栓連接機艙與塔筒，此時螺栓僅進行手動緊固即可，預緊固后，降低起重機載荷，控制在原載荷的一半即可，分兩次進行機艙底部、塔頂頂部法蘭螺栓的最終緊固工作，第一次緊固螺栓力矩到額定力矩的50%，第二次緊固螺栓力矩到額定力矩的100%。當緊固完成后即可松開吊具、吊車，拆除機艙內的引導繩，并做好螺栓擰緊力矩的抽查，保證其符合要求。

2.3.3 風電機組葉輪吊裝要求

葉輪由輪轂與葉片在地面組裝而成。在進行葉輪吊裝前，需將轉子葉片安裝在輪轂上。當轉子葉片由載重汽車運輸到安裝現場后，需要注意避免葉片與地面的接觸，可采用運輸支架等對其進行固定，并在葉片安裝前，對其進行全面檢查，查明是否存在損壞等問題。

在葉片安裝前，需利用支架對葉片進行支撐，使其處于水平狀態，并利用清洗設備對葉片的法蘭以及輪轂法蘭進行清洗，涂抹防銹油，緊固葉片與輪轂的連接。

葉輪組裝完畢后，采用專用夾具夾緊輪轂，同時用繩索系在其中的兩片葉片上，剩余的一片葉片尖端架在可移動式專用小車上，由主吊吊住兩片葉片的根部［4］，注意在吊具與葉片接觸位置需墊好專用的護墊，避免因吊裝對葉片造成損傷，葉輪吊裝示意圖如圖2所示。

圖2 葉輪吊裝示意圖

通過主吊與小車相互配合，緩慢將葉輪抬起，使葉輪由水平狀態轉變為垂直狀態，在葉輪垂直化過程中需注意防止葉片尖端著地。當下方的葉片完全脫離地面時，由主吊自身完成葉輪的高度提升。

在高度提升時，為了避免葉片在提升過程中擺動，用圓環繩索 （攬風繩）分別套在三片葉片上，每片葉片用3～6名裝配人員在地面上拉住。在提升過程中，禁止葉片與吊車、塔架、機艙發生碰撞，應確保繩索不相互纏繞，如圖3所示。

圖3 攬風繩布置示意圖

當葉輪吊裝至機艙高度時，利用導向索的牽引以及吊車的配合，調整葉輪的方向和位置使其靠近機艙中齒輪箱法蘭，此時，對齒輪箱法蘭面進行調整，通過定心螺栓和螺桿引導葉輪與齒輪箱的導入與連接。當葉輪導入后，啟動葉輪鎖和制動器，鎖定葉輪。

需要注意的是，當葉輪導入齒輪箱法蘭時，所用的固定方式為定心螺栓，需對其進行更換，當擰緊第一顆螺母后，需利用連接螺桿對定心螺栓進行替換，并依次安裝剩下的螺栓，進行預緊固。若操作空間較大，可采用液壓扳手，使螺栓力矩達到額定力矩的50%，若操作空間較為狹小，不具備液壓扳手等工具的使用條件，可采用人工扳手進行螺栓的緊固。

當完成葉輪輪轂與機艙主軸的固定后，即可卸掉吊車的荷載，拆除吊具后，打開主軸的制動器，驗證轉子是否能帶動葉輪緩慢轉動。將剩余的緊固位置按照要求裝上固定螺栓，當所有螺栓安裝完成后，分兩次進行緊固，第一次緊固螺栓力矩到額定力矩的50%，第二次緊固螺栓力矩到額定力矩的100%。緊固完成后，利用轉動高速聯軸器的方式使葉輪進行轉動，帶動葉片向下，取掉朝下方向葉片上的保護套、牽引繩等［5］。

在山地風力發電設備安裝后，機組運行平穩，年均上網電量1.317×108kW·h，具有良好的經濟效益以及社會效益，利用廉價的土地資源，大力發展風電具有顯著的社會效益。不僅提高了新能源在電網中的份額，同時能緩解當地電力供應緊張的狀況，對發展當地經濟具有深遠的意義。

3 結束語

由于山地風力發電場的地理條件較為惡劣，導致設備安裝時的施工環境并不理想，因此充分掌握山地風力發電設備安全安裝技術要點，對于風電機組的低成本、高效安裝具有重要意義。通過合理安排施工工序，正確選擇吊裝平臺、吊車，做好關鍵組件的正確吊裝，保證吊裝過程中各環節緊密配合，可有效保證風力發電機組的安全、穩定運行，進而推動山地風力發電行業的進一步發展。