海上风力发电项目建设及施工管理的研究

海上风力发电项目建设及施工管理的研究

摘要:我国海上风力发电行业进入“加速期”。文章介绍了不同类型的海上风机基础型式、海上风机安装方式。研究了两种施工方案所需要的施工周期,并对我国的海上施工能力(如:打桩、起吊设备及船舶)做出了分析。

关键词:海上风电基础结构施工能力

中国海上可开发风力资源储量约为750GW,在经济发达、电网结构较强且常规能源缺乏的东南沿海地区分布较为密集。而海上风电场的建立,不仅可以缓解其能源环境压力,还能对当地经济的可持续发展。但是海上风电的技术非常复杂,面临着很多挑战。因此,积极主动学习国内外海上风电场建设经验对于发展我国海上风力发电非常重要。

1 中国海上风力发电现状

近年来,陆地风电场由于建设用地、电网条件以及环保等因素的制约增速开始放缓。而海上风电场的建设开始进入商业化阶段:截止到2012年底,我国海上风电建设有了实质性的发展,全国共建成海上风电试验、示范项目5个[1]。2012年我国新增海上风电装机容量127 MW,其中潮间带装机容量113 MW,累计装机389.6 MW,位居世界第三。其中上海东海大桥风电场、江苏如东潮间带风电场已投入商业运行。

2 海上风电施工方案

潮间带和近海风电场一般距离海岸线的距离为1～20 km,水深一般小于30 m。但近海往往存在渔场、通信、军事禁区等用途,水域使用权复杂,风电场建设将不可避免地逐步向深海区域发展。2006年英国建造的Beatice风电场的水深达到了45 m[2]。根据国外的研究结果,全球风电场有向深海域发展的趋势。

2.1 海上风机的基础型式

由于海上风力发电机的建造位置高、重量大,所以上部分结构会受到较大风力负荷,这就对风机基础提出了不仅要能够承受竖直向下的压力,还要有巨大水平力和提拔力的成受力。现已投入使用的风电机基础中有单桩基础、重力基础以及导管架群桩基础。浅海区域多使用点桩基础和重力基础;导管架基础仅在45 m水深的Beatrice风电场采用过;重力基础在岩基海床以及承载力高的沙土地质条件使用较多。

2.2 海上风机基础施工

(1)单桩基础施工。

单桩基础结构简单,在水深30 m以下的海床较坚硬区域采用较多,桩径在3.5 m以上。根据海床硬度的区别,施工方法上主要利用两种途

径:第一是用桩锤直接打桩,第二是钻孔安防钢管桩,并进行灌浆处理;第一种途径中的打桩主要是采用液压打桩锤;第二种途径一般是用在海床面为岩基的地方,钻孔用循环钻机,孔口由钢套管撑住,入孔这些钢管桩的吊放主要用起重船或者是液压自生平台,最后灌浆钢桩和孔壁之间的空隙。

(2)重力式基础施工。

导管架群桩基础和海上石油平台类似,在陆上的车间加工好后,运到风机基础安装处,由大型起重船把导管架由水平向转成竖直向,缓慢放到海床底部。在导管架4个角上各有一个套管,将桩沿着套管打入海床。

(3)导管架群桩基础施工。

导管架群桩基础类似于海上石油平台,将在陆地车间加工好的导管架运送至风机基础安装处,利用大型起重船将其调整成竖直方向,缓慢放至海床底部。导管架的四角分别装有套管,将桩通过套管夯进海床。

(4)高桩承台基础施工(东海风电采用此种方式)。

这种风机基础型式(见图1)采用高桩混凝土承台,直径为φ14 m的承台一次浇注成型,混凝土强度等级为C45的高性能海工混凝土,总方量达616 m3,桩基采用8根φ1.70～81.72 m的钢管桩。

高桩承台方案桩基是采用8根长度为46 m,直径1.2 m,厚度20 mm的常规钢管桩。沉桩采用GPS远海打桩定位系统进行沉桩定位,由打桩船自带的S280液压打桩锤或D150柴油打桩锤施工,配备1艘4000匹马力的拖轮牵引,2000 t甲板驳运输20根桩,吊桩采用常规4点吊起吊,具体施工方法为常规海上打桩。

2.3 工作平台施工

风机平台是安装在风机基础上部供施工人员及工作人员停留之处,也是调平基础水平度偏差的手段之一,采用灌浆联结或直接焊接的方式安装。

2.4 海上风机安装

海上风电场安装方式主要有两种:海上分体安装和海上整体安装。不管采用哪种施工安装方法,都力求在海上的作业时间短,要保证施工安全[3]。

(1)海上分体安装。

首先,在装配码头将风机的机舱、轮毂和2片叶片组装成为一个吊装体;然后,用专门的风机安装船把这个吊装体连同其它的部件(塔筒和另一片叶片等)运到海上安装。当安装船到达安装地点后,按照陆上风电场风机的吊装的安装顺序完成吊装:下部塔筒,上部塔筒,机舱

及2个叶片和最后一个叶片。

(2)海上整体安装。

海上整体安装方法在上海东海大桥示范风场采用。整体安装使用了最大起重能力为4000 t的双吊臂大型起重船,起重量4000 t的桅杆长度68 m,起重量3256 t的桅杆长度为82 m。选择码头上200 m×300 m的空地作为拼装场地,将临时支架暂时固定在地面上,塔筒放入支架内并用螺栓连接,然后依次吊装上部塔筒、机舱、轮毂和叶片。将风机整体吊到船上的是大型起重船,船上的吊机也要一起吊住风机底部的临时支架,同时由抱箍抱住塔筒。一切就绪以后,由拖机将起重船拖到风机的安装地点。由起重船将风机整体和支架吊装到有导管架基础的平台上,将螺栓与塔筒连接以后,再拆除临时支架。

3 国内海上风电施工能力分析

3.1 打桩能力

国内现有的打桩锤主要是柴油打桩锤[4]。D180筒式打桩锤每次最大打击能量为580 kNm,但根据有关资料显示,柴油打桩锤在打桩过程中的能量损失为60%～70%。这样,目前的柴油打桩锤的实际打桩能力,无法承担桩径2.5 m以上,重量120 t以上钢管桩的施打工作。

近年来,我国从国外进口了部分液压打桩锤,最大打桩能量800 kNm。液压打桩锤具有打桩过程中损失能量少(20%～23%),打桩效率

高的优点,并且可以悬打,即可以省去打桩架,直接由吊机悬住打桩锤进行打桩作业。由于直接进口了部分打桩设备,我国的打桩能力已经与欧洲相差不大。国外海上风电场桩径4～5 m单桩基础的打桩,使用的打桩锤的打桩能量一般为500～600 kNm,我国的现有液压打桩锤能够胜任这项工作。

我国近几年进口了一些液压打桩锤,打桩能量最大能达800 kNm。液压打桩锤的优点是打桩过程中能量损失小(20%～23%),效率高,而且悬打的功能可以减少打桩架消耗的资源和时间,通过吊机将打桩锤悬在空中打桩。这些打桩设备的进口,将我国的打桩能力和欧洲国家之间的差距大大减少。

3.2 吊装能力

我国陆地吊装的能力伴随高速发展的经济建设而越来越强,目前为止国内陆地吊装设备的最大吊装重量为1350 t,海上起重船的最大起重重量是4000 t,特大型号的路上吊装设备是进口自德国。但是我国的海上吊装设备不同于陆上设备,大部分为国内建造,而电气以及液压系统的部件或者设备有相当一部分是进口。我国目前仍然在研究大型的起重船只,海上起吊将会走向更重、更高的发展道路。

3.3 海上分体安装

我国没有大型的海上自升式平台,现有的自升式平台面积小,即使有国外那种大型自升式平台,也难以适应于我国东南沿海大部分区域