海上风力发电机组上部组块安装概述.pdf

第 23 卷 第 4 期 中 国 水 运 Vol.23 No.4 2023 年 4 月 China Water Transport April 2023 收稿日期：2022-12-29 作者简介：张丰润（1995-），男，深圳海油工程水下技术有限公司，助理工程师。海上风力发电机组上部组块安装概述 张丰润1，张继旭 2，张 颉3，宋昊政3，张 杨3，康惠忠4（1.深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518000；2.深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518000；3.深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518000；4.深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518000）摘 要：在能源安全、气候变化等众多因素的推动下，风力发电因具有技术较为成熟、成本相对低廉、对环境影响小、具有商业化发展前景等特点，得到了快速发展。文中首先对风机上部组件的安装方法进行了简述，在此基础上对扇叶、塔筒、过渡组块及机舱等组件的安装流程及思路进行了介绍，最后展望了这个新兴研究领域的前景并进行了总结。分析得出的结论主要有（1）随着风机上部组件向着大容量、大尺寸的方向发展，目前越来越多的海上风电机组以“分体安装”方式进行组装。分体安装的吊装方案与陆上吊装基本一致，技术比较成熟，同时分体安装在设备对接上难度小，施工方法简单。（2）目前单叶片安装法成为风机叶片安装的主流方式，当单个叶片和风机轮毂进行组合配对时，基础的运动可能是影响配对的关键因素。（3）大量半自动化的起重设备和组件安装设备已广泛运用在风机安装领域中，了能适应在更大风速及无人化环境下进行风机安装作业，未来将会更多使用专业升降、配对及阻尼减震装置。关键词：风机上部组件安装方法；叶片安装；塔筒及过渡组件安装；机舱安装 中图分类号：U674 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2023）04-0067-03 一、前言 近几十年来，可再生能源作为实现减少温室气体排放、确保能源安全目标的一种手段已变得越来越重要。在各种可再生能源中，风能以其丰富、广泛分布及干净缓和的特点正愈发引起各国研究人员的关注。截至 2012 年底，发达国家、中国及印度所建设的风力发电机组容量约占全球总容量的95%1，预计在 2050 年风能将能满足全球 20%以上的电力需求。风电场按照建设区域可划分为陆地和海洋两种形式：陆地上风能的利用可追溯至 2000 多年前，近年来它又经历了一次比较成功的技术革命2。图 1 中的柱状图显示了 2011年至 2020 年3这十年中全球陆上和海上所安装风机设施的容量情况。尽管目前海上安装风机容量还落后于陆地，但可以预见到随着海上风能技术的成熟运用，海上风电场正逐渐蓬勃发展。图 1 全球近十年安装风电机组容量统计 海上风力发电机组一般由上部组件和下部基础组成，对于水深小于 50m 的海域，海上风机大多都采用重力式桩、单桩、导管架基础等固定式基础结构，而当水深大于 50m 时，浮式风机基础以其优越的经济性和稳定性更受到人们的青睐。图 2 展示了不同水深的海上风机的典型基础结构。带有系泊系统和锚定基础的海上浮式风机的发展4得益于浮式油气平台技术的不断成熟，如张力腿平台，半潜式平台及单柱式平台（spar）等。在对 浮式风机概念的阐述中，Castro-Santos 和 Diaz-Casas 5指出，未来应该大规模部署哪种类型的浮式风力发电机组还没有达成共识，海上浮式风机技术的发展在广泛应用之前显然需要更多的研究。图 2 不同水深海上风机的典型基础结构4 二、安装方法 除了上述所提到的半潜浮式风机和张力腿基础浮式风机外，绝大多数风机的上部组件安装是在海上施工现场完成。68 中 国 水 运 第 23 卷 安装 方法 起重次数 1 2 3 或 4 3 或 4 5 6 参考文献 8 8 7，8 7，8 12-14 12-14 图 3 安装海上风电机组上部组件的 6 种方法6 其中起重作业对安装船舶提出了较高的要求。海上起重作业量主要取决于风机组块的设计、起重设备、海况以及运输和安装船舶的作业能力。虽然增加装配组件的数量可以大大减少海上起重作业量，但可能无法有效利用运输船的甲板空间，同时也需要配备更强起重能力的设备资源。图 3 列出了由Ahn 和 Kaiser 6等总结的 6 种安装方法。这 6 种安装方法目前成功运用于欧洲各大风电场风机上部组件安装实践中，主要区别在于装配组件数量的不同。典型安装方法有“三叶式”安装法和“兔耳朵”式安装法7等。Uraz8根据施工现场条件特点和安装船舶来区分这些方法。Wang 和 Bai9则是将风机组件安装定义为“整体安装”和“分体安装”两大类。随着风机上部组件尺寸、质量越来越大，目前的趋势是越来越多的海上风电机组以“分体安装”方式进行组装。三、组件安装 1扇叶安装 风机扇叶叶片对材料的质量、刚度和强度要求较高，要求高强度、低实度叶片，采用环氧碳纤维树脂、高性能环氧乙烯基酯树脂等新型轻质材料制成的柔性叶片，可使叶片同比减重 20%40%9。表 1 列出了目前具有代表性的用于商业安装及学术研究的风机叶片的重量和长度信息。其中即使是长度最大的叶片，它的质量仍然在海上一般起重设备的能力范围内。然而，考虑到较大的吊装半径（100m 以上）和叶片对风荷载的敏感性，起重操作并非没有挑战。表 1 一些具有代表性的海上风机叶片长度及重量信息 风机模型 重量/Te 长度/m 年份 国家 IEA 15 MW 65.3 117 2020 USA GE Haliade-X 12 MW 55 100 N/A N/A MHI Vestas V164 10 MW 35 80 2022 France DTU 10 MW 41.7 86.4 2013 Denmark LEANWIND 8 MW 80 35 2016 Ireland Simens SWT 6 MW N/A 75 2013 Germany Sevion 5 MW 20.8 61.5 2010 Germany NREL 5 MW 17.3 61.5 2009 USA Simens SWT 3.6 MW 15.8 52 2007 UK Bonus B76 2 MW 6.5 36.5 2000 Denmark 目前人们已研制了各种工业设备用于叶片安装。这些通常是特制的带有远程控制功能的机电设备。图 4（a）（c）分别为 Blade Dragon 技术10和 Boom Lock 技术11。Blade Dragon 是一个升降轭，它可以在不转动风机轮毂的情况下对叶片以不同的倾斜角度进行安装；Boom Lock 是一种智能控制系统，可以锁住吊钩的横向运动，并显著减少叶片的运动。使用这些设备，可以提高人们在安装过程中的风险阈值，并最终降低叶片安装过程中的风险。图 4 用于叶片安装的工业设备：（a）提升轭安装水平姿态叶片；来源：Simens Wind Power GmbH（b）提升轭安装倾斜姿态叶片；来源：Liftra ApS （c）使用吊臂锁技术安装叶片；来源：High Wind NV 2机舱安装 机舱是一个由主框架和舱盖所组成的箱型结构，其内一般包括有发电机，传动系统以及监测、通信、控制和环境维护设备。传统的齿轮传动型风机采用变速箱驱动发电机工作，而目前 IEA 研发的 15MW 风机模型和 GE Haliade-X 研发的 12MW 风机则是采用直驱式发电机。表 2 列举了一些有代表性的海上风机机舱尺寸、重量等信息；从中不难看出10MW 风机机舱的尺寸比较接近，同时机舱重量比叶片重量大的多，故其吊装作业需要使用更大能力的海上起重设备。第 4 期 张丰润等：海上风力发电机组上部组块安装概述 69 表 2 一些具有代表性的海上风机机舱尺寸及重量信息 风机模型 重量/Te 尺寸/m 年份 国家 IEA 15 MW 821 N/A 2020 USA GE Haliade-X 12 MW 600 20.6 x 10.4 x 8 N/A N/A MHI Vestas V164 10 MW 390 20 x 8 x 8 2022 France DTU 10 MW 446 21.7 x 8.7 x 8.7 2013 Denmark LEANWIND 8 MW 285 20 x 7.5 x 7.5 2016 Ireland Simens SWT-6-154 6 MW 200 N/A 2013 Germany Sevion 5 MW 290 N/A 2010 Germany NREL 5 MW 240 N/A 2009 USA Simens SWT 3.6 MW 125 N/A 2007 UK Bonus B76 2 MW 82.5 N/A 2000 Denmark 一般风机机舱安装的流程如下：挂好机舱专用吊具，拆掉运输支架，装上风绳，用于引导机舱的方向，启动主吊，提升机舱，在机舱的偏航齿圈端面离塔架上法兰足够近的距离时，吊机停止，用导向棒对准安装螺孔，完成机舱安装。目前关于机舱安装的研究比较少，Svik 等12研究了 10MW 单桩式海上风机的机舱塔筒配对阶段，结果表明机舱的运动幅度比塔筒小，并且调谐质量阻尼器可用于改善配对过程。他们在分析过程中使用恒定阻力系数来计算机舱所受气动力，由于机舱有尖锐的边缘，在风中可能会经历涡旋脱落，因此需要先进的计算方法或实验方法来精确模拟非稳态气动力环境。四、结论 文中首先对风机上部组件的安装方法进行了简述，在此基础上对扇叶、机舱等组件的安装流程及思路进行了介绍，最后展望了这个新兴研究领域的前景并进行了总结。得出的主要结论如下：（1）风机上部组件的安装一般可以分为整体安装和分体安装两大类。整体安装的优点是受海上风浪影响比较小，海上安装环节少，工期容易得到保证，缺陷则是对安装船的起吊能力和机组的运输提出了很高的要求；分体安装的吊装方案与陆上吊装基本一致，技术比较成熟，同时分体安装在设备对接上难度小，施工方法简单。（2）目前单叶片安装法成为风机叶片安装的主流方式，当单个叶片和风机轮毂进行组合配对时，被动调谐阻尼器可以有效减弱下部基础（尤其是单桩）共振运动带来的影响，同时随着叶片尺寸增大，基于线性假设的气动弹性分析方法不再适应，亟需发展大型柔性叶片的非线性气弹分析方法。单个风机塔筒吊装及配合其它组件的过程与过渡组块没有太大差异，同时人们也提出了一些安装塔筒等组件的新方法，但相关概念仍需要模型测试和原型实验来提高方案技术水平。（3）目前大量半自动化的起重设备和组件安装设备已广泛运用在风机安装领域中，为了能适应在更大风速及无人化环境下进行风机安装作业，未来将会更多使用专业升降、配对及阻尼减震装置。参考文献 1 Timilsina GR，Cornelis van Kooten G，Narbel PA.Global wind power development：economics and policiesJ.Energy Policy，2013，61：642-52.2 Tabassum A，Premalatha M，Abbasi T，Abbasi SA.Wind energy：increasing deployment，rising environmental concernsJ.Renew Sustain Energy Rev，2014，31：270-88.3 Perveen R，Kishor N，Mohanty SR.Off-shore wind farm development：present status and challenges.Renew Sustain Energy Rev 2014；29：780-92.4 Wu J，Wang ZX，Wang GQ.The key technologies and development of offshore wind farm in China.Renew Sustain Energy Rev，2014，34：453-62.5 Castro-Santos L，Diaz-Casas V.Floating offshore wind farms.Springer International Publishing；2016.6 Ahn D，Shin S-c，Kim S-y，Kharoufi H，Kim H-c.Comparative evaluation of different offshore wind turbine installation vessels for Korean west south wind farmJ.Int.J.Naval Arch.and Ocean Eng，2017，9：45-54.7 杨锋，邢占清，符平等.近海风机基础结构型式研究J.水利水电技术，2009，40（9）：35-38.8 Uraz E.Offshore wind turbine transportation&installation analyses planning optimal marine operations for offshore wind projects.Sweden：Masters thesis，Department of Wind Energy，Gotland University；2011.9 Wang W，Bai Y.Investigation on installation of offshore wind turbines.J Mar Sci Appl 2010；9：175-80.10 ApS Liftra.LT975 Blade Dragon.2018.4-1.11 High Wind NV.The Boom lock.2018.4-1.12 Judge F，McAuliffe FD，Sperstad IB，Chester R，Flannery B，Lynch K，Murphy J.A lifecycle financial analysis model for offshore wind farmsJ.Renew Sustain Energy Rev，2019，103：370-83.（上接第 66 页）参考文献 1 邓小刚，张煦，刘晓鹏等.H9000 与西门子 PLC 在水电站监控系统的应用J.水电站机电技术，2016，39（3）：15-17.2 段文华，束炳芳，俞鸿飞.紧水滩电厂计算机监控系统改造方案的设计与实现J.水电站机电技术，2017，40（11）：39-41+49.3 张毅，王德宽，王桂平等.面向巨型机组特大型水电站监控系统的研制开发J.水电自动化与大坝监测，2008，（1）：24-29.4 郑明浩，李明忠，袁泽静.某水电厂计算机监控系统功能完善及程序优化J.红水河，2020，39（5）：105-107.5 满亚勤，周波，曾燃.水电站机组发生部分非计划停运前的预警机制及实现J.水电站机电技术，2021，44（2）：24-26.