大容量海上風電機組單葉片快速吊裝技術研究

摘 要：在“雙碳”目標的不斷推進下，我國的風電行業處于快速發展和技術革新階段，海上風電機組的單機容量在不斷增加，而大容量的海上風電機組的單葉片相對較大，在施工過程中極易受到海上風浪的影響，其吊裝難度較高，因此，為降低施工風險，本研究提出一種大功率海上風電機的葉片吊裝施工方法，以福建平潭外海海上風電場風電機組單葉片吊裝工作為例，重點闡述了海上風電機單葉片快速吊裝技術及準備工作，例如吊重分析以及單葉片吊裝施工工藝等。整理單葉片吊裝的施工技術和施工工藝，為我國海上風電大容量風電機組吊裝施工技術理論研究提供參考。

關鍵詞：海上風電機；大容量風電機組；單葉片吊裝；風機安裝

中圖分類號：TM 31" " 文獻標志碼：A

在眾多可再生清潔能源形式中，風力發電具有建設周期短、發電效率高的優勢，而海上風電更具有穩定性高的特點。目前，我國大容量海上風電機組安裝工程主要是以分體式安裝技術為主，將風機塔筒、機艙、輪轂以及葉片等零部件進行預組裝后，對其進行吊裝對接工作[1]。風電機的葉片作為風電機運行的關鍵組件，整體體積龐大、質量大、極易受風力影響等，導致吊裝工程實施難度較大[2]。因此，常采用將葉輪拆分為單葉片吊裝的方式進行施工，為了提高單葉片吊裝工程的質量和安全性，本文以平潭海上風電場為例，闡述了海上風電機單葉片快速吊裝技術。對吊裝技術的準備工作（包括吊重分析、繞裝吊重分析等技術細節）進行確定，為后續安裝技術提供詳細的數據參考。

1 工程概況

平潭海上風電場離岸約35km，水深40m左右。風電場共建設了11臺海上風電機組，包括目前全球已投產單機容量最大的16MW海上風電機組，總裝機容量達111MW。其中，最大的16MW海上風電機組采用四樁導管架風機基礎，輪轂中心高度為152m，機艙、發電機組合體質量達385t，葉片長123m，單只葉片質量為54t，葉輪掃風面積約5萬m2[3]。該項目全面投產后，年上網電量約3.6億kW?h，每年可替代10.38萬t標準煤，減少二氧化碳排放量約28.38萬t。該項目風電機組的安裝技術主要采用了第四代海上風電安裝平臺“白鶴灘號”，平臺可應用于10MW級機上的海上風電機組安裝。該安裝平臺擁有4條120m的三角形桁架式樁腿，出海作業時可以牢牢站立在海上，并配有2000t級繞樁式起動機，可有效提高海上風電機組的安裝施工能力，提升機組的安裝速度[4]。

2 風電機組原裝技術準備

目前，海上風電機組安裝有多種方法，主要有整機安裝以及分體安裝等，其中，分體安裝技術對施工過程中的設備和技術等要求較低，小型起吊設備可以作為分體安裝的起吊設備。該方法可以有效應對目前海上風電場機組安裝過程中海面風力過大問題，而整機安裝會增加機組的受力面積，增加施工難度[5]。基于此，采用分體安裝法進行海面機組安裝時需要注意起吊設備的質量要求。

2.1 吊重分析

海上風電機組須依次按照塔筒組裝、機艙及輪轂組裝、機艙及輪轂吊裝、葉片吊裝等工序。而起吊機機艙在作業過程中對主吊機的要求最高，起吊機的主吊吊重的結構如圖1所示[6]。

利用公式（1）計算其主吊質量要求。

Wm=（Wγ+Wδ）k （1）

式中：Wm為主吊質量要求；Wγ為機艙吊裝時質量；Wδ為專用吊具質量；k為施工時的安全系數。根據平潭風電場實際情況，主吊機艙吊裝時質量為231t，專用吊重為13.8t，靜施工取1.3安全系數，則該主吊所需吊重：（231+13.8）×1.3=318.24（t）。由圖1可知，當回轉半徑為38m時，主鉤主吊質量為400t＞318.24t，滿足要求[7]。

2.2 繞樁吊重分析

當進行中塔溜尾時，繞樁吊需要的吊重最大，因此需要分析其中塔、頂塔的受力，有效控制繞樁吊重。該項目中塔和頂塔的受力分析如圖2所示。

其中，中塔起吊翻身時，輔助溜尾的吊重要求為57.59t，吊重機吊具質量為1.35t，取1.3倍安全系數，可以計算中塔的吊重要求：（57.59+1.35）×1.3=76.622（t）。當頂塔起吊翻身時，輔助溜尾的吊重為45.83t時，在吊重機安全系數不變的情況下，頂塔所需吊重：（45.83+1.35）×1.3=61.334（t）。當繞樁吊機主鉤吊回轉半徑為35m時，吊機的質量為80t＞76.622t，說明中塔溜尾吊重滿足要求。當繞樁吊機主鉤吊至回轉半徑為38m時，吊機質量為70t＞61.334t，說明頂塔溜尾滿足要求[8]。基于此，繞樁吊機質量基本滿足要求。

3 單葉片快速吊裝施工工藝

3.1 水平式單葉片吊裝與非水平式單葉片吊裝工藝對比

不同的吊裝工藝和吊裝施工技術有不同的優點和特征，其中，水平式單葉片吊裝技術及其施工工藝的要求更高，對操作人員對起吊機的操作工藝和操作技術精度要求較低，具有良好的適用性，但是在安裝過程中，對纜風系統的穩定系數要求較高。另外，非水平式的安裝工藝則相對簡單，不需要復雜的裝卸工程，作業時間相對較短，具有一定的優勢。具體的工藝對比見表1。

平潭海上風電機組安裝選用的是第四代海上風電安裝平臺，利用非水平式安裝工藝可以有效提高安裝效率。施工順序：按照塔筒吊裝→機艙吊裝→輪轂吊裝→葉片吊裝[9]。

3.2 塔筒吊裝

將風電機組的部件運輸至風電場后，通過船上的GPS及DP動力定位系統對其進行精準進點，對風機主體進行吊裝。在安裝塔筒前，需要在安裝平臺上預先放置安裝工藝所需的高強度螺栓及相關工具，例如用地工具、密封膠等。在結束安裝后，需要對其進行密封，保證其穩定性。另外，將運輸至底塔的工裝螺栓清除后，進行緩慢起吊。在上法蘭面兩側，按照3點、9點位置安裝兩個吊具，下法蘭按12點位置安裝一個吊具，螺栓力矩值為580N?m，安裝好塔筒吊耳后，通過檢查排水孔、電纜孔等保證塔基法蘭、塔筒連接技術符合安全標準。確定其安裝位置后，緩慢下落塔筒，保證安裝孔位置在撬棍的輔助下對正。在吊裝過程中，對“塔筒吊裝檢查項目表”進行驗收，經過工作人員檢查簽字后完成吊裝。另外，在安裝過程中，注意天氣條件，禁止在雷電天氣作業，同時，注意塔筒內避雨。在作業過程中，必須做好安全防護，穿戴勞保用品和安全帶。

3.3 機艙吊裝

要做好機艙安裝的預準備工作，保證主軸與輪轂連接的法蘭面、止口等位置清潔，檢查每根雙頭螺桿的螺紋標記，并且將雙頭螺柱標記尺寸一端從主軸端的通孔插入機艙內。完成機艙安裝的預準備工作后，挑起機艙檢查其是否為水平狀態，若不是水平狀態，則放下機艙調整吊具。保證塔筒之間的連接處按照額定力矩50%扣緊，每個連接處力矩均達到要求，確認機艙每個連接位置無誤后，將起吊機艙至塔筒上方，保證機艙穩定、落孔對正以及安裝面和法蘭面完全接觸后，每個安裝孔對齊后進行交叉打緊，在額定力矩下將其緊固后，吊車才能完全撤出。

3.4 輪轂吊裝

在安裝前，需要對輪轂和安裝部位進行清潔，去除灰塵、油污和銹跡等雜物，保證安裝面平整光滑?。并且檢查輪轂和輪胎尺寸，保證輪轂的直徑、寬度、孔距與輪胎的規格匹配，避免安裝過程中出現偏斜或不均勻的情況?。需要通過主吊機及繞樁吊機輔助完成輪轂吊裝，利用主吊機將單葉片起吊至吊裝吊點一側，繞樁吊吊輪轂翻身至工裝吊點后完成葉輪的翻身起吊工作。輪轂吊裝工作是實現單葉片吊裝安裝工藝的重要流程，首先，從導流罩內部查出主吊點，將其固定在相應的輪轂位置，其次，在輪轂的頂蓋位置安裝單葉片吊座，通過轉動機艙位置，保證輪轂位置和主軸連接，對螺栓、螺桿進行額定力矩完成打緊后，緩慢示范主吊機，最后，拆除輪轂道具，將卸扣和吊帶連在翻身吊具上后，移除主吊機。

3.5 單葉片安裝

在安裝工作前，根據主吊機以及繞樁吊機的中塔和頂塔的重力要求，保證葉片重力滿足吊具要求。在平臺船上組裝葉片吊具，將機艙偏航至葉片的安裝位置后，利用繞裝吊機將其葉片夾緊，并采用纜風繩進行加固，起到穩定葉片的作用。利用電子控制將葉片軸承和葉片安裝位置對準后，扣緊實現精準扣合。將葉片螺栓插入軸承中，使其與法蘭面完全貼合，使葉片的防雨環與導流罩等位置相互錯開，有效保證葉片的防雨功能。

4 結語

我國海上風電技術在不斷創新和進步，在國內用電需求量與日俱增的情況下，海上風電是更加穩定的可再生能源，海上風電機的單機容量也在不斷增加，在遠海安裝風電機組對目前的安裝技術來說是一個巨大的挑戰。基于此，本研究在分析平潭外海的大容量海上風電機吊裝技術的基礎上，將水平式單葉片吊裝與非水平式單葉片吊裝工藝進行對比，明確分析塔筒吊裝、機艙吊裝、輪轂吊裝等安裝技術，并對螺栓的安裝等進行詳細闡述，以期為我國大容量海上風電機組安裝工藝提供參考。

參考文獻

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