周 通

(福清海峽發(fā)電有限公司，福建 福州 350000)

21世紀(jì)以來，全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源的需求越來越大，同時，隨著人們生活水平提高，對環(huán)保的要求也越來越高。風(fēng)能是一種清潔可再生的、最成熟的、最具備大規(guī)模商業(yè)開發(fā)價值的新型清潔能源[1]。通過多年大規(guī)模陸上風(fēng)電的開發(fā)，對風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)有了比較全面的掌握，但陸上風(fēng)電也暴露出了一些問題，如：陸上風(fēng)電場的建設(shè)區(qū)域距用電區(qū)域遠(yuǎn)、電力消納能力不足、棄風(fēng)嚴(yán)重、電能浪費等，而海上風(fēng)電場具有風(fēng)切變影響小，風(fēng)速穩(wěn)定、平均風(fēng)速高、不占用土地資源、距海岸經(jīng)濟(jì)帶近、電力消納充足、抗沖擊性強(qiáng)等優(yōu)點，發(fā)展海上風(fēng)電已成為我國新能源的替代戰(zhàn)略[2]。

我國海岸線18 000多km，近海海域面積遼闊，風(fēng)能資源預(yù)計可達(dá)7.5億kW，是陸上風(fēng)能資源的3倍，海上風(fēng)電場已經(jīng)成為未來清潔能源發(fā)展的重點[3]。在我國《可再生能源十二五規(guī)劃》中，海上風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)為2015年達(dá)到5 GW，2020年達(dá)到30 GW，成為世界第一海上風(fēng)電大國。并且，預(yù)計到2050年，全球的海上風(fēng)電裝機(jī)總量將達(dá)到774 GW，占全部風(fēng)電容量的18.4%，占到全球電力消費的6.4%[4]。

目前，海上風(fēng)電機(jī)組安裝分為整機(jī)安裝法和分體安裝法兩種[5]。其中，海上風(fēng)機(jī)分體運輸安裝法由于其對海上運輸設(shè)備和安裝設(shè)備的要求相對較低，可以利用起吊重量較小的起重設(shè)備進(jìn)行風(fēng)機(jī)吊裝作業(yè)，因此，海上風(fēng)機(jī)分體運輸安裝法是目前較為成熟且得到了廣泛應(yīng)用的安裝方法。

目前，國內(nèi)外海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)分體運輸安裝法主要包括：單葉片吊裝(一次性吊裝完預(yù)拼裝的機(jī)艙+發(fā)電機(jī)+輪轂之后，再獨立吊裝葉片)、風(fēng)輪整體吊裝(輪轂與葉片預(yù)先拼裝，完成后進(jìn)行葉輪的整體吊裝)以及兔耳式吊裝(先吊裝2片葉片+輪轂，再吊裝第3支葉片)等三種。

海上風(fēng)機(jī)葉片吊裝是海上風(fēng)電施工作業(yè)中的一個重要環(huán)節(jié)。風(fēng)輪整體吊裝方式是源于陸上小容量風(fēng)電機(jī)組吊裝的常規(guī)的吊裝工藝，需要有較大的地面拼裝空間，而且作業(yè)時間較大，受環(huán)境因素制約嚴(yán)重。目前，國內(nèi)已建海上風(fēng)電項目中除僅少數(shù)采用水平單葉片吊裝和兔耳式吊裝方法外，大部分均采用風(fēng)輪整體吊裝方式。然而，隨著國產(chǎn)化風(fēng)電機(jī)組大型化及向海況條件較差的深遠(yuǎn)海域發(fā)展，海上進(jìn)行風(fēng)輪整體吊裝方式受到制約的因素逐漸顯現(xiàn)，與此同時，目前國外海上風(fēng)電機(jī)組大多采用單葉片及兔耳式吊裝方法。

如表1所示為不同葉片吊裝型式國內(nèi)外應(yīng)用情況。

表1 不同葉片吊裝型式國內(nèi)外應(yīng)用情況

海上風(fēng)電場往往選址在海上風(fēng)浪較大的區(qū)域，而海上風(fēng)電設(shè)備的運輸安裝與吊裝工藝的優(yōu)化和選取則顯得極其重要，合理的選擇風(fēng)機(jī)葉片的吊裝工藝，可以達(dá)到最大限度的減少海上作業(yè)時間，高效安全地完成風(fēng)電機(jī)組的安裝任務(wù)。

本文研究了福清興化灣大型海上風(fēng)電場機(jī)組葉片的吊裝工藝，并對比分析了不同的葉片吊裝工藝的特點，本文研究對我國大容量海上風(fēng)電吊裝工藝的改進(jìn)以及未來海上風(fēng)電的開發(fā)建設(shè)具有一定的參考價值與指導(dǎo)意義。

1 福清興化灣樣機(jī)試驗風(fēng)場概況

福清興化灣樣機(jī)試驗風(fēng)場位于福建省福清市，福建省是全國海上風(fēng)電資源中的“極品”區(qū)域，受臺灣海峽的“狹管效應(yīng)”影響，風(fēng)場項目區(qū)域90 m高度風(fēng)向主要集中在NNE、NE，年平均風(fēng)速約8.2 m/s，風(fēng)資源優(yōu)越，開發(fā)潛力巨大。另外，項目風(fēng)電場處臺風(fēng)活躍區(qū)域，臺風(fēng)強(qiáng)度大、持續(xù)時間長，每年9-12月為季風(fēng)期，吊裝窗口期較短，僅約150 d。

目前，興化灣海上試驗風(fēng)電場項目A區(qū)面積約23.6 km2，平均水深5.5 m，規(guī)劃裝機(jī)容量77.4 MW。綜合考慮風(fēng)場場址風(fēng)能資源特征、發(fā)電效益等因素，風(fēng)電場樣機(jī)選定太原重工、海裝風(fēng)電、金風(fēng)科技、明陽智能、東方電氣、上海電氣(西門子)、湘電風(fēng)能、GE等國內(nèi)外8家風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)，共14臺。興化灣樣機(jī)試驗風(fēng)場14臺風(fēng)機(jī)均采用福船三峽號海上風(fēng)電一體化作業(yè)移動平臺進(jìn)行海上分體安裝方案。各樣機(jī)葉片部分主要技術(shù)參數(shù)如表2。

2 福清興化灣樣機(jī)試驗風(fēng)場葉片吊裝型式

本文福清興化灣風(fēng)力機(jī)吊裝型式有：5個風(fēng)機(jī)廠家(太原重工、海裝風(fēng)電、明陽風(fēng)電各2臺，東方電氣、湘電風(fēng)能各1臺，共8臺)采用葉輪組拼型整體安裝工藝，3個風(fēng)機(jī)廠家(GE 3臺、西門子1臺、金風(fēng)科技2臺，共6臺)采用單葉片吊裝安裝工藝。

2.1 葉輪組拼型整體安裝

葉輪組拼型是指在吊裝完塔筒與機(jī)艙之后，在安裝船上組拼輪轂與3只葉片，將組拼好的葉輪整體起吊安裝在機(jī)艙上的方案。

葉輪組拼型整體安裝的葉輪起吊方式也分為兩類：吊機(jī)掛雙吊帶分別掛至2只葉片根部抬吊(太原重工、湘電風(fēng)能)，與吊機(jī)掛單吊帶掛至輪轂吊點起吊(海裝風(fēng)電、東方電氣、明陽風(fēng)電)。

如圖1(a)和圖1(b)所示為兩種葉輪起吊方式：

表2 樣機(jī)葉片部分技術(shù)參數(shù)

圖1 葉輪組拼型整體安裝的葉輪起吊方式

其中，葉輪組拼型整體安裝的具體工藝流程如下。

1)按各廠家具體組裝方法和規(guī)定，在風(fēng)輪固定組拼工裝上吊裝葉片組裝風(fēng)輪，如圖2。

圖2 風(fēng)輪組裝布置平面圖

2)掛設(shè)纜風(fēng)繩，主吊機(jī)大鉤主吊風(fēng)輪，輔吊機(jī)小鉤輔助起吊，雙機(jī)原位抬吊至距甲板面35 m左右，如圖3。

其中，太原重工、湘電風(fēng)能使用1 000 t主勾掛雙吊帶分別掛至2只葉片根部(如圖1(b))；海裝風(fēng)電、東方電氣、明陽風(fēng)電使用1 000 t主勾掛單吊帶掛至輪轂吊點(如圖1(a))。

圖3 風(fēng)輪吊裝平移狀態(tài)立面圖

3)主、輔吊機(jī)把桿協(xié)同轉(zhuǎn)動，將風(fēng)輪平移吊至平臺船左舷外9.4 m左右，準(zhǔn)備豎轉(zhuǎn)。

4)主吊機(jī)起鉤，輔吊機(jī)逐步松鉤，穩(wěn)貨小車協(xié)同逐步收緊上纜風(fēng)，調(diào)整控制風(fēng)輪葉片方位，將風(fēng)輪逐步豎轉(zhuǎn)，如圖4。

圖4 風(fēng)輪吊裝起吊狀態(tài)立面圖

5)輔吊機(jī)摘鉤，主吊機(jī)起鉤至風(fēng)輪安裝高度，擺動把桿，人工在甲板面配合下纜風(fēng)，控制風(fēng)輪仰角，將風(fēng)輪與機(jī)艙法蘭逐步對接，并緊固連接螺栓，如圖5。

圖5 風(fēng)輪吊裝最終狀態(tài)立面圖

6)吊機(jī)松鉤，穩(wěn)貨小車松鉤，拆除吊具，起升把桿，吊機(jī)把桿離開風(fēng)輪平面范圍。風(fēng)輪盤車，將葉片逐根轉(zhuǎn)至豎直向下狀態(tài)，人工拉溜繩將纜風(fēng)逐根脫離。

2.2 單葉片吊裝安裝

單葉片安裝型是指在一次性吊裝完預(yù)拼裝的機(jī)艙、發(fā)電機(jī)與輪轂之后，再使用獨立的葉片夾具來夾持機(jī)組葉片，并利用吊機(jī)把3支葉片分別安裝到機(jī)組輪轂上的方案。

根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)動方式的不同，單葉片吊裝可分水平式單葉片吊裝(西門子、金風(fēng)科技)與非水平式單葉片吊裝(GE)，水平式吊裝需要在葉片吊裝前提前安裝盤車裝置，利用盤車旋轉(zhuǎn)輪轂，每只葉片水平安裝，在葉片安裝完畢后再拆除盤車裝置。非水平式吊裝無盤車裝置，配備可傾斜角度較高的葉片夾具，斜向插入輪轂安裝，帶動葉片及輪轂旋轉(zhuǎn)至下只葉片的安裝位置。

如圖6(a)和圖6(b)所示為兩種單葉片吊裝安裝方式的葉片夾具。

圖6 兩種單葉片吊裝安裝方式

2.2.1 水平式單葉片吊裝安裝工藝流程

1)在平臺船上組裝葉片吊具支架和吊具；在主吊機(jī)把桿上安裝纜風(fēng)系統(tǒng)。

2)葉片運輸船錨泊平臺船右舷側(cè)，雙機(jī)抬吊葉片(連同運輸工裝)存放在甲板面的葉片支承梁上；主吊機(jī)掛設(shè)葉片專用吊具、系掛纜風(fēng)，吊裝葉片。

葉片安裝流程：葉片安裝前準(zhǔn)備-盤車裝置操作-單葉片吊裝-安裝葉根螺栓-安裝第一根葉片(葉片均水平安裝)-機(jī)組盤車準(zhǔn)備安裝第二根葉片-安裝第二根葉片-機(jī)組盤車準(zhǔn)備安裝第三根葉片-安裝第三根葉片-葉根螺栓最后緊固，如圖7。

圖7 水平式單葉片吊裝布置立面圖

2.2.2 非水平式吊裝安裝工藝流程

1)在平臺船上組裝葉片吊具，測試福船三峽自有纜風(fēng)系統(tǒng)。

2)機(jī)艙偏航至葉片1安裝位置，平臺船安裝葉片支承梁，葉片運輸船移近平臺船，主、輔吊機(jī)雙機(jī)抬吊葉片1存放在支承梁上-主吊機(jī)掛鉤葉片專用吊具，利用穩(wěn)貨小車系掛纜風(fēng)-專用吊具夾吊+30°安裝葉片1，如圖8。

圖8 非水平式單葉片1吊裝立面圖

3)葉片下轉(zhuǎn)-60°，葉片吊具脫開連接，如圖9。

圖9 非水平式單葉片1下轉(zhuǎn)-60°立面圖

4)機(jī)艙偏航200°，0°安裝葉片2，如圖10。

圖10 非水平式單葉片2吊裝立面圖

5)將葉片2起吊+30°，葉片吊具脫開連接。

6)機(jī)艙偏航至葉片1安裝位，+30°安裝葉片3，安裝完成后葉片吊具脫開連接，如圖11。

圖11 非水平式單葉片3吊裝立面圖

3 福清興化灣樣機(jī)試驗風(fēng)場葉片安裝工藝分析總結(jié)

3.1 安裝工效分析

葉輪組拼型整體安裝工藝單臺有效作業(yè)時間長，約為36 h，受吊裝風(fēng)速限制，作業(yè)窗口相對較少。

單葉片水平式吊裝安裝工藝需要安裝、拆卸盤車，作業(yè)時間較長，有效作業(yè)時間約為30 h，非水平式吊裝安裝工藝無裝卸盤車步驟，有效作業(yè)時間約為20 h。

總體而言，單葉片吊裝較葉輪組拼型整體安裝作業(yè)時間短，工作效率高。

3.2 安裝工藝特點對比

葉輪組拼型整體安裝工藝與單葉片吊裝安裝工藝對比如表3。

3.3 單葉片安裝工藝特點對比

水平式與非水平式單葉片吊裝安裝工藝對比如表4。

表3 葉輪組拼型整體安裝工藝與單葉片吊裝安裝工藝對比

表4 水平式與非水平式單葉片吊裝安裝工藝對比

水平式與非水平式單葉片吊裝安裝工藝各有其優(yōu)點，水平式單葉片吊裝對吊機(jī)操作精度要求相對較低，纜風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性較高；非水平式單葉片吊裝無需裝、卸盤車裝置，步驟簡單，作業(yè)時間短。

4 結(jié) 語

福建區(qū)域海上風(fēng)資源極為豐富，開發(fā)潛力巨大，具有得天獨厚的地理優(yōu)勢。福清興化灣試驗風(fēng)場作為三峽集團(tuán)在福建省的首個海上風(fēng)電場，具有優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)價值與巨大的戰(zhàn)略意義。

結(jié)合本文對福清興化灣樣機(jī)試驗風(fēng)場大容量海上風(fēng)機(jī)葉片的吊裝工藝的介紹與分析，大容量海上風(fēng)機(jī)單葉片吊裝方法將是國內(nèi)未來深遠(yuǎn)海域大型化海上風(fēng)機(jī)的吊裝發(fā)展方向。另外，在具有良好的預(yù)拼裝碼頭及出運能力的近海項目兔耳式吊裝也是推薦可選的葉片吊裝工藝方案之一。

本文試驗風(fēng)場葉片吊裝工藝的總結(jié)與分析對我國海上風(fēng)電吊裝工藝的施工優(yōu)化以及未來海上風(fēng)電的開發(fā)與建設(shè)具有一定的參考價值。