山地風力發(fā)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(fā)電作為綠色、可再生能源，其對于減少傳統(tǒng)能源使用帶來的環(huán)境污染實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展以及調(diào)整現(xiàn)有能源結構具有重要意義［1］?，F(xiàn)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(qū)、海上等地進行建設。并且為了降低風電的成本，機組發(fā)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(yè)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(fā)電設備安裝時，由于山地環(huán)境的制約，對于風力發(fā)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(fā)電設備的安全安裝技術要點，實現(xiàn)發(fā)電設備高效、低成本的安裝尤為重要。

1 山地風力發(fā)電設備安全安裝難點分析

1.1 工程案例概況

中節(jié)能天水秦州50MW 風電項目位于天水市秦州區(qū)西南部境內(nèi)，場區(qū)屬低中山梁卯區(qū)，境內(nèi)溝谷縱橫，嶺梁交錯，地形條件較復雜。場址區(qū)有X442縣道可通至藉口鎮(zhèn)，由藉口鎮(zhèn)至天水市，G30連霍高速經(jīng)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(qū)，對外交通條件尚可。工程區(qū)距天水市公路里程約50km，距蘭州市公路里程約314km。工程規(guī)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(fā)電設備安裝難點主要體現(xiàn)在兩方面：一是風力發(fā)電機組的安裝技術難度大。風力發(fā)電機組作為“風－電”能量轉(zhuǎn)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(fā)電機組的安裝難度大主要體現(xiàn)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(fā)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(qū)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(qū)，呈現(xiàn)溝谷縱橫，嶺梁交錯的復雜地形條件，供施工作業(yè)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(fā)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(zhuǎn)移至完成地基施工的施工區(qū)域內(nèi)，然后將預制的塔筒部分以及機艙內(nèi)部的發(fā)電機、齒輪箱等部件進行組裝，使用專業(yè)工具將葉片逐個安裝到風力發(fā)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(fā)電機組的電纜與電網(wǎng)進行連接，確保發(fā)電機組能夠正常輸出電能。并對已安裝好的風力發(fā)電機組進行系統(tǒng)調(diào)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(jù)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(jù)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(yè)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(zhì)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(fā)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(jù)機艙進行計算。工程機艙（包含發(fā)電機）約130t，最長風機設備葉片長約94.8m，經(jīng)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(fā)電機組，發(fā)電機位于機艙內(nèi)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(fā)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(fā)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(jié)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?shù)?，需在現(xiàn)場將筒內(nèi)的配件安裝好后，再進行吊裝。在現(xiàn)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(xiàn)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(huán)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(huán)水平及沉降進行測量保證其在允許范圍之內(nèi)，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(yè)影響較大，因此在吊裝時應按照有關規(guī)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(yè)，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(zhuǎn)，使其處于垂直狀態(tài)，放開300t胎式輔助汽車吊。由主吊提起塔筒，進行旋轉(zhuǎn)調(diào)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(huán)連接的兩法蘭處的接地螺栓柱對齊后，對塔筒進行微調(diào)，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(diào)整吊車高度，使塔筒緩慢下落，當塔筒的法蘭面與基礎環(huán)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(yè)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(fā)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(fā)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(diào)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(diào)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(nèi)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(zhuǎn)子葉片安裝在輪轂上。當轉(zhuǎn)子葉片由載重汽車運輸?shù)桨惭b現(xiàn)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(tài)，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(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪睜顟B(tài)，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(huán)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(fā)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(diào)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(diào)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(zhuǎn)子是否能帶動葉輪緩慢轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動高速聯(lián)軸器的方式使葉輪進行轉(zhuǎn)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(fā)電設備安裝后，機組運行平穩(wěn)，年均上網(wǎng)電量1.317×108kW·h，具有良好的經(jīng)濟效益以及社會效益，利用廉價的土地資源，大力發(fā)展風電具有顯著的社會效益。不僅提高了新能源在電網(wǎng)中的份額，同時能緩解當?shù)仉娏o張的狀況，對發(fā)展當?shù)亟?jīng)濟具有深遠的意義。

3 結束語

由于山地風力發(fā)電場的地理條件較為惡劣，導致設備安裝時的施工環(huán)境并不理想，因此充分掌握山地風力發(fā)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(huán)節(jié)緊密配合，可有效保證風力發(fā)電機組的安全、穩(wěn)定運行，進而推動山地風力發(fā)電行業(yè)的進一步發(fā)展。