海上风力机安装技术

海上风力机安装技术

白勇1,2，王玮1，张金接3，莫为泽3

（1.哈尔滨工程大学深海工程研究中心，哈尔滨150001）

(2.白勇海洋工程公司北京100027)

（3.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

摘要：由于海洋上广阔的风能资源的利用潜力以及目前可以利用的先进技术手段，相对于陆上风能资源，海上风能资源将为迅速发展的风电市场提供更大的发展空间。对于海上风力机组的设计到安装使用成为国内外关注的焦点。本文主要通过对国内外一些海上风电场的施工经验的研究，得出风力机基础形式的选择方案，并分别对海上风机的分体和整体安装进行阐述，最终得出对于安装少数风电机和大量风电机的安装建议，通过本文对风电机的安装技术的研究，为今后风电机的更广泛应用提供经验和技术支持。

关键词：风力机；基础形式；分体安装；整体安装

引言

世界能源市场结构近年来发生了很大变化，风能作为一种极具竞争力的可再生能源，经过几十年的研究与发展，已完成了由应用示范向实用化的转变，并得到厂规模化的应用[1]。在陆地风电场建设快速发展的同时，人们已经注意到陆地风能利用所受到的一些限制，如占地面积大、噪声污染等问题。由于海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，海洋将成为一个迅速发展的风电市场[2]。在海上修建风电场,海洋水文、气候条件和海底地质条件都非常复杂,给风电机组地基基础设计和建造带来了困难。风机地基基础设计和建造,是海上风电场建设的难题之一,对其经济性和适用性将产生重要影响[3]。风力机无论在陆上还是在海上都需要在一定条件下进行设计[4]。

由于海洋环境的恶劣性，风机的吊装作为海上风电场建设的重要一环，必须加以特别重视。通过常用的几种风电机组基础形式的特点，选择合适的风机基础。研究了国内外一些海上风电场的施工经验，分别对海上风机的分体和整体安装进行研究。其中海上风机分体安装主要研究了英国Scroby Sands以及丹麦Nysted海上风电场安装经验，海上风机整体安装则研究了英国Beatrice风电场。 1．海上风力发电机的基础形式

海上风力发电机组的基础有单桩基础(Monopile)、三脚架基础(Tripod)、导管架式基础(Jacket)、重力基础(Gravity based)、负压桶基(Suction Bucket)和浮动平台结构(Floating type)等几种[5]，如下图所示。

图1 海上风机基础（a）重力基础（b）单桩基础（c）负压桶基（d）三脚架基础（e）三脚架负压桶基

图2 导管架基础海上风机 图3 浮式平台基础海上风机

影响海上风机基础类型的因素包括水深、土壤和海床条件、环境载荷、建设方法、成本。通常海上风电机基础的选择遵从下表所示：

表1 海上风力发电机基础的选择

海水深度(m) 基础结构类型

0-10 重力基础

0-30 单桩基础

>20 三脚架/导管架式基础

>50 浮式平台基础

2．海上风力机的安装

海上风电场所处环境较为恶劣，施工困难，且施工费用较高，从安全性和经济性等方面考虑，必须做好海上风电场的建设规划。本调研着重于海上风电机组的安装，即风机基础放置和风机机组吊装。

海上风电场依安装方式的不同主要分两种：海上分体安装和海上整体安装。

2.1海上分体安装

海上分体安装采用与陆上安装类似的安装流程，首先将风机的机舱、轮毂和两片叶片组装到一起，使两片叶片成“兔子耳朵”型安装在机舱的轮毂上，使它们成为一个吊装体，然后由陆上吊装到专门的风机安装船上，其他部件如塔筒和另一片叶片也依次吊装到船上。海上安装顺序为：下部塔架、上部塔筒、吊装体（机舱含2个叶片）和最后一个叶片。分体安装是目前最为常见的海上风机安装方式，为确保海上安装的安全可靠，要求安装平台必须稳定，国外通常采用装备了自升支腿系统的安装船。

国际著名的海上风机安装公司A2SEA公司拥有全球领先的海上风机安装船：“五月花决议号”（Mayflower Reaolution）“海能号”（M/V Sea Energy）、“海力号”（M/V Sea Power）和“跳爆竹号”(Jumping Jack) ，这些专用船只由集装箱船改造而成，并在船的左右侧装备了液压自升支腿系统，

当到达安装地点后，先抛锚稳住船身，再通过液压系统放下支腿至海床面，依靠液压支腿承受整个船身和所载设备的载荷，这样海上的风浪就不会造成船体晃动，可以保证安装的稳定。

下面详细介绍英国Scroby Sands以及丹麦Nysted海上风电场的安装经验。

2.1.1 英国Scroby Sands海上风电场安装经验

图4 英国Scroby Sands海上风电场风电机组吊装

Scroby Sands海上风电场属英国第一批已建海上风电场，于2004年投入运行，由英国E.ON UK Renewables Offshore Wind Ltd （EROWL）公司所有。基本安装流程：

(1)基座建造： Scroby Sands风电场采用单桩式基座。码头采用J型接驳平台，并在设计时考虑该位置的波浪和水流情况。码头设有两个接驳梯子来容纳不同方向的船只进出。桩体在其接近顶部的位置设有工作平台。桩体直径为4.2米，通过法兰的焊接将桩基与塔架连接。安装桩基采用纯打桩方法，码头和接驳平台在打桩后直接安装，这种高效设计是第一次在Scroby Sands上应用。自升式驳船把200吨桩体和钢结构运输到建造地点，也减少了海上操作的工序。整个基座建造时间约为24小时。

(2)冲刷保护：Scroby Sands风力发电场位于受大型潮汐影响而成的多沙地带，潮差有3米，潮汐速度可达1.5m/s。30年来，海床深度改变了8米（该数据由英国海军部在过去50年测得）。巨大海床沉淀和可达6到8米深的冲刷坑使得冲刷保护显得非常必要，尤其是它对电缆的保护。冲刷保护材料由石头组成，利用侧卸式驳船倾倒石头，组成冲刷保护层。为了在桩体周围均匀分布石料，驳船从离桩基大约2米的六个不同方向倾倒，之后一边倾倒一边离开桩基。

(3)打桩工序：Mammoet Van Oord公司采用“JUMPING JACK”号自升式驳船完成基座安装工程。工程包括了30个单桩式基座安装，直径4米的桩基采用纯打桩工艺来安装，IHC S1200型液压打桩锤直接放置在桩体顶部焊接的法兰上。

(4)塔架、涡轮机、风轮叶片安装：A2SEA公司和Seacore公司使用“MV OCEAN ADY”号和“Excalibur”号自升式驳船安装了30个机组。“MV OCEAN ADY”号采用了自带一个450吨的，可在海上平稳操作的起重机，并可实现海上快速运输的独特设计。Seacore公司设计和建造的“Excalibur”号自升式驳船，可同时运载二个完整的风力发电机，毂高为60m。A2SEA A/S公司在深水区安装了24台涡轮机（2004年3月26日到2004年5月14日），Seacore公司在浅水区安装了6台涡轮机（为期12天，最后一台完成于2004年7月1日）。