胡曉初

(上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司，上海 200241)

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海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件更換方案設(shè)計

胡曉初

(上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司，上海 200241)

根據(jù)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件更換的需求，結(jié)合目前海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吊裝的經(jīng)驗，提出了機(jī)位實現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)大部件更換的設(shè)計思路，并初步設(shè)計了大部件更換的方案，以解決傳統(tǒng)吊裝方式更換大部件的費用巨大及工期長等問題。

海上風(fēng)電；風(fēng)電機(jī)組；大部件更換

0 引言

在各種綠色可再生能源中,風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。隨著風(fēng)電行業(yè)的迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電在我國電力總裝機(jī)中的比重已超過8%，成為僅次于火電、水電的第三大電力來源。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有風(fēng)力資源豐富、不占用土地、發(fā)電利用小時數(shù)高、適宜大規(guī)模開發(fā)等諸多優(yōu)勢，海上風(fēng)電將憑借其諸多優(yōu)勢有望成為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動力。由于受限于巨大的海上吊裝費用及高昂的運行維護(hù)成本，一旦機(jī)組中的發(fā)電機(jī)、齒輪箱等大部件出現(xiàn)故障需要更換時，其更換費用極其高昂。

1 傳統(tǒng)海上大部件吊裝方案的分析

目前，大型海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組裝方式主要有海上分體安裝和海上整體安裝兩種，見圖1、圖2。其中，海上分體安裝采用與陸上類似的方法進(jìn)行,是目前最為常見的海上風(fēng)機(jī)安裝方式[1]。為保證分體安裝時的穩(wěn)定性,國外的風(fēng)機(jī)安裝船舶和安裝平臺均裝備了自升支腿系統(tǒng)。而海上整體安裝是選擇碼頭作為拼裝場地,在碼頭完成風(fēng)電機(jī)組的組裝和調(diào)試，然后將風(fēng)機(jī)整體吊運至風(fēng)機(jī)安裝點，由起重船將風(fēng)機(jī)整體吊裝到風(fēng)機(jī)平臺上。海上分體安裝方式相比于整體安裝方式對船舶噸位的需求及組裝碼頭的需求要求要小，甚至可以實現(xiàn)無組裝碼頭式安裝，可以節(jié)省前期工程時間。分體式安裝對吊裝時的穩(wěn)定性要求更高一些，不僅要求安裝船舶裝備自升支腿系統(tǒng)，并且對于風(fēng)速及海浪的要求較高，因此后期工程時間較整體安裝方式要長。整體安裝方式要求必須有組裝碼頭或組裝船，對吊裝船舶的噸位的要求也遠(yuǎn)大于分體式吊裝，但海上作業(yè)速度快，對天氣和海浪要求較小一些。

圖1 分體式吊裝

圖2 整體式吊裝

我公司東海大橋海上風(fēng)電示范項目就是應(yīng)用整體安裝方法，該方法也曾成功應(yīng)用于英國的Bea2trice風(fēng)場和國內(nèi)中海油渤海風(fēng)場。由于起重船在將風(fēng)機(jī)整體吊裝到風(fēng)機(jī)平臺上時采用的是錨泊定位,為避免風(fēng)機(jī)塔筒與風(fēng)機(jī)平臺發(fā)生嚴(yán)重碰撞和確保風(fēng)機(jī)塔筒與平臺對中的準(zhǔn)確度,需要特殊設(shè)置軟著陸系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)整體平移對中系統(tǒng)[1]。

但無論是分體式吊裝還是整體式吊裝，都需要千噸級的大型吊裝船，而且費用高昂，目前在國內(nèi)一般大型吊裝船進(jìn)場費在300萬元左右，吊裝時間每延長一天要增加80萬左右的費用。另外，目前國內(nèi)大型吊裝船資源有限，如要調(diào)用，需要數(shù)月進(jìn)行溝通聯(lián)系。

在運行維護(hù)階段，如果遇到需要更換葉片、輪轂、機(jī)艙內(nèi)齒輪箱和發(fā)電機(jī)等大部件，采用傳統(tǒng)分體吊裝的方式，其費用也是風(fēng)電廠家或運營商難以承受的。

2 海上風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件更換方案設(shè)計

對于目前普遍采用的雙饋型機(jī)組及鼠籠式型機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件主要是發(fā)電機(jī)和齒輪箱，其它部件如聯(lián)軸器、液壓卡鉗、冷卻風(fēng)扇、散熱片等可利用機(jī)艙內(nèi)自帶的小型懸臂吊及行車進(jìn)行移動更換。而發(fā)電機(jī)和齒輪箱因其質(zhì)量和體積較大，無法使用機(jī)艙自帶的吊車進(jìn)行移動和更換，所以動用吊裝船和吊車進(jìn)行拆卸，占用的時間和成本太高。若能夠在機(jī)位自行拆卸發(fā)電機(jī)和齒輪箱并吊運至機(jī)位平臺，需要吊裝船的起吊高度將大大降低，吊裝船的噸位也可以明顯減小。

2.1 所涉及的相關(guān)參數(shù)

以上海電氣3.6 MW海上雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，機(jī)艙內(nèi)大部件更換的主要參數(shù)：發(fā)電機(jī)質(zhì)量為13 t；尺寸3 546 mm×2 175 mm×2 126 mm；齒輪箱質(zhì)量為36 t；尺寸2 908 mm×3 200 mm×2 985 mm；機(jī)艙高度為90 m(距離海平面平均高度)。

2.2 具體方案設(shè)計

為方便機(jī)艙內(nèi)起吊及移動發(fā)電機(jī)和齒輪箱，首先要設(shè)計可承重并易于安裝的起吊桁架和支撐桿，再設(shè)計起吊滑輪組、卷揚機(jī)及大部件的平臺支架，從而實現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)大部件的更換。

具體設(shè)計方案如圖3所示,兩條吊椼架前端安裝于前機(jī)架頂部，后端由支撐桿固定，支撐桿底部固定于機(jī)艙機(jī)架上的工裝孔上，椼架長度在6 390 mm左右,確保齒輪箱和發(fā)電機(jī)能夠憑借起吊滑輪組通過機(jī)艙底部的卸物孔。根據(jù)GB/T 3811—2008 起重機(jī)設(shè)計規(guī)范的要求，承重應(yīng)大于50 t，并安裝起吊滑輪組于吊裝椼架上，滑輪組可以在椼架上前后自由滑動且配置有鎖定裝置，以便實現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)起吊和移動發(fā)電機(jī)和齒輪箱等作業(yè)要求。卷揚機(jī)固定于集裝箱平臺的固定孔位上，上部有齒輪箱(發(fā)電機(jī))放置支架，鋼絲繩35(W)XK7-16-1770 460 m×2，繞于卷揚機(jī)及滑輪組上，滿足起吊質(zhì)量及移動距離要求。

圖3 機(jī)位實現(xiàn)大部件更換方案簡圖

此方案設(shè)計思路是實現(xiàn)在機(jī)艙內(nèi)大部件的吊運，在需要維修和更換時，將起吊工裝零部件在機(jī)艙內(nèi)組裝，卷揚機(jī)安裝在塔筒外基礎(chǔ)平臺上。該起重機(jī)可將發(fā)電機(jī)或齒輪箱整體吊下機(jī)艙。維修和更換結(jié)束可將該起重機(jī)設(shè)備解體拆下，以便重復(fù)循環(huán)利用。

根據(jù)GB/T 3811—2008 起重機(jī)設(shè)計規(guī)范的要求，維修用起重設(shè)備的工作級別為A3，起重載荷以實際最大載荷的1.25倍進(jìn)行計算，并考慮到起重設(shè)備的抗傾覆穩(wěn)定性，提出以下設(shè)計要求。

2.2.1 對起吊設(shè)備的要求

起吊質(zhì)量 >180 t×2

起升速度 0～4 m/min(變頻)

鋼絲繩規(guī)格 35(W)×K7-16-1770 460 m×2

控制方式 就地控制

安全裝置 高度限位，重量限止器

2.2.2 對卷揚機(jī)的要求

繩速 0～16 m/min(變頻)

牽引力 55 kN×2

容繩量 500 m

卷筒 雙卷筒，多層纏繞，折線繩槽

齒輪箱(QJ) 閉式傳動

頂部平臺承重 >40 t

控制方式 就地控制

安全裝置 高度限位，重量限止器，雙制動

2.2.3 對塔底平臺的要求

承重載荷 >80 t

抗拉載荷 >40 t

長度 >7 m

寬度 >4 m

有效裝載面積 >30 m2

安裝 根據(jù)卷揚機(jī)底架配置固定孔，單個螺栓工裝拉力不小于10 t

另外，卷揚機(jī)及各部件工裝放置于塔筒平臺指定位置的起吊需求是10 t。

2.3 施工操作簡介

根據(jù)海上風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件的更換方案設(shè)計，實現(xiàn)了如下的大部件更換，施工流程簡圖如圖4所示。主要分為四個步驟：起重機(jī)桁架安裝及卷揚機(jī)布置、拆除大部件及其吊裝、被更換的大部件吊裝及其安裝、卷揚機(jī)及起重機(jī)桁架的拆除。由于齒輪箱的更換必須途經(jīng)發(fā)電機(jī)底座處的開孔,所以齒輪箱更換前必須先將發(fā)電機(jī)組件拆除并吊運至吊裝船。

圖4 機(jī)艙內(nèi)大部件更換施工流程簡圖

照此流程施工，大部分作業(yè)在機(jī)艙內(nèi)部以及集裝箱平臺上即可完成，吊裝船僅負(fù)責(zé)起重機(jī)零部件、卷揚機(jī)、大部件支架、大部件本體等物件的低位吊裝和轉(zhuǎn)運作業(yè)，作業(yè)安全級別和難度得到有效下降。

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)本方案設(shè)計的優(yōu)化和改進(jìn)，起吊高度可以從120 m下降至20 m，相應(yīng)的吊裝船可從大于1 000 t級下降至小于100 t級，費用從大于400萬元下降至小于100萬元，由于延誤導(dǎo)致的壓船費也從大于80萬元下降至小于20萬元。所以,100 MW的標(biāo)準(zhǔn)海上風(fēng)場28臺風(fēng)機(jī)中各類機(jī)艙內(nèi)備件更換的成本和進(jìn)度將得到顯著優(yōu)化。

3 結(jié)論

本文所介紹的海上風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件更換方案的設(shè)計，是以上海電氣3.6 MW海上雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為對象，通過介紹和對比分析海上風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)大部件維修更換方式，為降低租用大型吊裝船的巨額成本、縮短施工周期、減輕受環(huán)境影響因素大的問題，提出了設(shè)計思路。本設(shè)計方案根據(jù)GB/T 3811—2008 起重機(jī)設(shè)計規(guī)范，并考慮了載荷計算和抗傾覆穩(wěn)定性的要求，提供了在機(jī)位塔底平臺通過卷揚機(jī)、滑輪組和起吊桁架等工裝，實現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)大部件更換可行的設(shè)計方案。

[1]黃維平，劉建軍，趙戰(zhàn)華.海上風(fēng)電基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].海洋工程，2009，27(2)：130-134.