唐蔚平 裘繼承 薛雷剛

摘 要：本文主要介紹自升式平臺樁腿升降系統(tǒng)形式，分析海上風機安裝平臺的特點，優(yōu)先選擇和設計一種適用風電安裝平臺使用的升降系統(tǒng)。

關鍵詞：海上風機安裝；自升式；升降系統(tǒng)

中圖分類號：TK89 文獻標識碼：A

1 前言

海上風電在上世紀90年代初率先從歐洲起步，我國的海上風電發(fā)展則相對較晚，直到2007年，我國海上風電示范項目才建成發(fā)電，隨后發(fā)展速度也十分緩慢。但隨著海上風電上網(wǎng)電價的明確，特別是國家能源局最新規(guī)劃的出臺：到2020年，海上風電裝機容量將達到 30 MW。海上風電工程將迎來新的發(fā)展機遇，開展關鍵技術研究和開發(fā)顯得非常必要和迫切。

2 自升式平臺樁腿升降系統(tǒng)形式

自升式平臺樁腿升降系統(tǒng)，用于樁腿插入海底并支撐起平臺離開海平面一定高度，進行各種作業(yè)。其主要形式有液壓頂升式和齒輪齒條式。

2.1 液壓頂升式

液壓頂升式樁腿升降裝置，由液壓驅(qū)動系統(tǒng)提供動力，確保樁腿能夠克服泥土、砂石等帶來的阻力和升降平臺自身的重力，將樁腿插入（拔離）海床以及升降整個平臺。平臺樁腿在工作過程中需運行平穩(wěn)，無卡死現(xiàn)象；插樁（拔樁）過程中，液壓執(zhí)行機構需滿足一定節(jié)距的行程要求；系統(tǒng)設計為自鎖式樁腿液壓升降系統(tǒng)，在各種工作及非工作狀態(tài)下，系統(tǒng)可實現(xiàn)自鎖；通過操作計算機或中央控制臺，完成平臺的升降作業(yè)。

2.2 齒輪齒條式

齒輪齒條式樁腿升降裝置，由動力驅(qū)動系統(tǒng)、動力傳遞系統(tǒng)（主要包括齒輪齒條及相應的減速機構）和平臺升降控制系統(tǒng)三大部分組成。該系統(tǒng)是在平臺適當位置的樁腿上設置一定數(shù)量的齒條，并對應在每根齒條上安裝幾個小齒輪，齒條及其對應的小齒輪數(shù)量根據(jù)所要求的舉升能力和平臺總體要求加以確定。動力通過樁邊馬達驅(qū)動齒輪減速箱，然后傳遞給與齒條嚙合的小齒輪，從而帶動平臺的升降。齒輪齒條式升降系統(tǒng)的最大優(yōu)點是具有升降速度快、操作簡單和易對井位。

3 國外自升式平臺樁腿升降系統(tǒng)簡介

3.1 英國 “Resolution”安裝船

由英國五月花能源公司設計、我國山海關造船廠承建的“果敢”號安裝船，是第一艘專為海上風電場基礎施工及風力發(fā)電機安裝而建造的海洋工程船。該船長130.5 m、寬 38 m、型深 8 m，航速 10.5 kn，最大載重量9 240 t，船舶總噸位 14 000 GT。該船6個液壓升降腿分布于全船兩側，提升系統(tǒng)由樁腿及電力液壓升降系統(tǒng)組成。每個樁腿（含樁靴）高71.6 m，截面為4 m×4 m ，重450 t，所用鋼板最厚達150 mm，80%為超高強度鋼。樁腿提升速度最大為1 m/min，單樁提升能力3 750 t，支承能力5 000 t。6條樁腿由中央進行集中控制，既可聯(lián)動又可以單動，可在3.25～35 m 水深及大風浪海況下滿負載工作。樁腿升降系統(tǒng)由 4 臺主液壓缸及 4 臺從液壓缸聯(lián)合工作（圖1），每個樁腿由一個主環(huán)梁和次環(huán)梁構成，每個環(huán)梁由四個起升油缸驅(qū)動，每個環(huán)梁由四個抓取油缸帶動兩個抓取橫梁實現(xiàn)抓緊動作，起升油缸支撐基座固定在船體甲板上。升降系統(tǒng)還包括上、下導向結構緊固裝置，以保證樁腿運動時的垂直度。整個液壓系統(tǒng)中壓力達300 kg/cm?。為適應海底土壤狀況，設計了箱型樁靴，樁靴位于樁腿底部，臥在船底凹槽內(nèi)，長 9 m、寬 7 m、高 6.305 m，重 132 t。

3.2 NG-2500X安裝船

NG-2500X安裝船可用于海洋油氣基礎結構建設及風電場安裝。其樁腿為三角形桁架式結構，長85 m、工作水深41m。升降裝置為齒輪齒條系統(tǒng)，電氣驅(qū)動，升降速度為0.8 m/min。設計參數(shù)為：波高13.1m，風速38.8m/s，表面潮流1.64m/s，樁腿插入土壤深度3～5 m?？偱e升重量5 500 t，單腿升降能力1494 t，可變載荷約9000 kn，18套齒輪齒條驅(qū)動裝置。圖2為其結構與升降系統(tǒng)圖。

4 自升式平臺樁腿升降系統(tǒng)對比分析與發(fā)展方向

4.1 樁腿升降系統(tǒng)對比分析

液壓頂升式樁腿升降系統(tǒng)與齒輪齒條式樁腿升降系統(tǒng)相對比，液壓頂升式升降系統(tǒng)的升降動作完全通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動和控制，這種驅(qū)動方式具有能吸收振動、工作平穩(wěn)、安全可靠等優(yōu)點；同時采用銷子和銷孔配合，升降時銷子和銷孔之間不存在相對運動和摩擦力的問題，所以對樁腿的制造工藝要求較低；但液壓頂升式升降系統(tǒng)由于工作時是通過間斷步進式升降的方式來實現(xiàn)的，所以升降速度慢、操作繁瑣、工作效率較低。

齒輪齒條式樁腿升降系統(tǒng)可采用液壓馬達或電機方式驅(qū)動齒輪：

液壓馬達驅(qū)動的優(yōu)點是傳動簡單，受載均勻，升降運動連續(xù)，同比電機體積小，齒輪受載柔和，運動平穩(wěn)；缺點是升降系統(tǒng)剎車時受到?jīng)_擊力，需單獨油源供給。

電機驅(qū)動的優(yōu)點是速度快、操作靈活，并有平穩(wěn)地連續(xù)運動的能力；其缺點是為緩沖樁腿站立時齒條受的沖擊力，需在樁架上下加上緩沖裝置或采取其他措施補償沖擊力；傳動機構體積大，占用甲板面積大；平臺升起后采用剎車進行固定，升降機構一直處于受力狀態(tài)。

4.2 樁腿升降系統(tǒng)的發(fā)展方向

（1）安全可靠性更高。由于升降系統(tǒng)的工況非常復雜，而且升降系統(tǒng)直接關系到整個平臺的安全，所以在制造及檢驗過程中，對升降系統(tǒng)各機構的安全可靠性提出更高的要求；

（2）配備自動化程度更高、更先進的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)按照程序要求對各執(zhí)行機構進行控制，實時檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對系統(tǒng)的故障進行診斷、報警、處理；

（3）采用高強度鋼和超高強度鋼，以降低平臺自重；

（4）增大可變載荷和自持能力。

5 自升式平臺樁腿升降系統(tǒng)的選擇

某海上風機安裝平臺具有較強的海上作業(yè)能力，最多可同時運輸3臺6 MW整體式海上風機，最大載重量約為6 500 t。風機安裝裝置最大起重能力1 200 t，可滿足目前國內(nèi)最大的6 MW海上風機整體安裝要求。

本平臺要求升降作業(yè)的頻率較高，并且處在海況頻變的風電場區(qū)域，要求系統(tǒng)的工作更加可靠。另外，適合風機安裝作業(yè)的時間窗口并不多，因此對平臺的升降速度也提出了較高的要求。

根據(jù)國外著名液壓系統(tǒng)設備商Rexroth的資料顯示，液壓頂升式樁腿升降系統(tǒng)升降速度可以達到1m/min，與齒輪齒條式升降系統(tǒng)的升降速度相差不大，并且通過操作計算機或中央控制臺完成平臺的升降作業(yè)，自動化程度較高。

另外，MPI公司旗下的“May flower resolution”作為目前世界上風電安裝平臺的標桿，平臺配置的是液壓頂升式樁腿升降系統(tǒng)。

結合本平臺的特點，優(yōu)先選擇液壓頂升式樁腿升降系統(tǒng)。

本樁腿為圓形殼體式，分別布置于首部、尾部，其長度、強度滿足平臺作業(yè)條件要求。樁腿的基本參數(shù)如下：

本平臺液壓頂升式樁腿升降系統(tǒng)分成兩個子系統(tǒng)：樁機系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。

樁機系統(tǒng)由24個主升降油缸、24個副升降油缸、24個插銷油缸組成，每6個一組布置在4個樁腿。主/副升降油缸每缸最大承受拉力850 t。

液壓系統(tǒng)有2套，分別服務于兩兩對角處的2個樁腿，每套液壓系統(tǒng)由1個主油箱、7組升降油缸電機泵（其中1組備用）、2組循環(huán)冷卻電機泵、1套主升降油缸控制閥組、1套副升降油缸控制閥組、1套插銷油缸控制閥組、1套蓄能器組成。

6 結束語

自升式平臺樁腿升降系統(tǒng)作為海上自升式平臺中的最關鍵部分，其性能的優(yōu)劣直接影響平臺的安全和作業(yè)能力。結合海上風機安裝平臺的特點，應通過對液壓頂升式、齒輪齒條式這兩種形式升降系統(tǒng)的工作原理、平衡控制和操控方式進行分析對比，選擇適合海上風機安裝平臺使用的升降系統(tǒng)。

參考文獻

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