2023海上風(fēng)電場機組分體安裝法及其應(yīng)用

海上風(fēng)電場機組分體安裝法及其應(yīng)用前言目前，世界范圍內(nèi)海上風(fēng)電機組安裝方法，按照海上安裝過程可以分為２類：海上整機安裝方法和海上分體安裝方法；按照所采用的海上安裝設(shè)備可以分為３類：通用海上浮吊安裝法、海洋平臺安裝法和風(fēng)機專用安裝船安裝法。海上整機安裝方法即在裝配基地將風(fēng)機機組完全組裝好，然后運至海上擬建風(fēng)電場，整機安裝在風(fēng)機塔筒基礎(chǔ)上海上分體安裝法是將風(fēng)電機組的各部件由制造廠運至裝配基地進行適當(dāng)組裝，然后再將各部件和組件（下文統(tǒng)稱部件”）運輸至擬建海上風(fēng)電場進行逐件安裝目前世界各國所建設(shè)的海上風(fēng)電場，僅有英國的Ｂｅａｔｒｉｃｅ海上風(fēng)電場的２臺ＭＷ機組［］和我國東海大橋海上風(fēng)電場的臺３ＭＷ機組采用了海上整機安裝方法，其余均采用海上分體安裝法。通用海上浮吊安裝法，是采用通用的海上起重船進行風(fēng)電機組的安裝，風(fēng)機的海上運輸可以用起重船本身所具有的運載能力吊著風(fēng)機、由拖輪拖帶航行，也可以采用平板駁船運輸。海上風(fēng)機專用安

裝船帶有可伸縮的支腿和起重機，收起支腿便具有普通船舶的運載能力，可用來運輸風(fēng)機；在安裝作業(yè)時，將其支腿伸出并插入海底，船舶就成為一個臨時固定的海上作業(yè)平臺，它可避免風(fēng)浪造成的搖晃。風(fēng)機的海洋平臺安裝法，就是在海洋平臺上配置起重機進行海上風(fēng)電機組的安裝。風(fēng)機專用安裝船的特點是將一般船舶的運輸和自航功能、海洋平臺的自升功能以及起重船的起重功能融為一體。海洋平臺也是用支腿支承于海底構(gòu)成一個臨時固定的作業(yè)平臺，與專用安裝船的區(qū)別在于：海洋平臺一般沒有自航能力，也沒有常規(guī)船舶上通常所具有的其他必要設(shè)備和設(shè)施。風(fēng)機海上分體安裝法總體工藝流程風(fēng)機海上分體安裝法的總體工藝流程如圖所示。海上分體安裝法的工藝流程主線是：工程施工策劃、裝配基地選址、運輸安裝方案設(shè)計、裝配基地建設(shè)、風(fēng)機陸上組裝和海上分體安裝，其中海上分體安裝包括風(fēng)機海上運輸、風(fēng)機海上吊裝過程，以及國家標(biāo)準(zhǔn)枟風(fēng)力發(fā)電機組驗收規(guī)范枠（ＧＢＴ２０３１９－２００６）所規(guī)定的個驗收過程：單機調(diào)試、試運行、機組預(yù)驗收和機組最終驗收。對于大規(guī)模風(fēng)電場機群施工，應(yīng)組織流水作業(yè)，施工企業(yè)可以根據(jù)所投入的施工資源的數(shù)量和能力，確定每輪流水的機組臺數(shù)。在總體流程中，風(fēng)機陸上組裝、海上運輸、海上安裝、機組調(diào)試、試運行、預(yù)驗收和最終驗收７個過程構(gòu)成流水循環(huán)。工程施工策劃的內(nèi)容主要有：顧客需要分析、程施工組織形式包括分項外包的內(nèi)容以及工程項目目標(biāo)（質(zhì)量、成本及工效）等工程施工策劃完畢后，可并行開展裝配基地選址、塔基主要構(gòu)件預(yù)制及電纜采購工作。近海風(fēng)電場的風(fēng)機塔基的常用形式

主要有單樁式、導(dǎo)管架式、重力式、負(fù)壓吸力桶式以及高樁承臺式等，這些基礎(chǔ)的主要構(gòu)件都需要在陸上先行預(yù)制，如果是施工方自行預(yù)制，一般是在裝配基地進行。因此，在裝配基地的選擇時，不僅要滿足風(fēng)機組裝的需求，還必須考慮基礎(chǔ)預(yù)制所需的空間和設(shè)備及其存儲和出運設(shè)施。風(fēng)機的運輸安裝方案，可能涉及風(fēng)機的特殊構(gòu)造要求，例如，機艙吊裝時的吊掛方式就涉及機艙的吊點設(shè)置，因此，在風(fēng)機運輸安裝方案確定后，需要及時與風(fēng)機制造廠進行溝通協(xié)商，以便供應(yīng)商在風(fēng)機設(shè)計制造時考慮運輸和安裝的要求。注：圖中加粗線框內(nèi)的風(fēng)機海上安裝，下文有其子流程圖圖1海上風(fēng)電場工程施工流程圖g1ensfedm裝配基地的設(shè)置及風(fēng)機陸上組裝方案裝配基地的設(shè)置３１１設(shè)置裝配基地的必要性風(fēng)力發(fā)電機的制造廠一般在工廠裝配好以下幾個大部件（不計電氣設(shè)備）并向安裝施工單位提供：風(fēng)葉、分段塔筒、機艙和輪轂。這些部件一般由多家不同工廠生產(chǎn)。其中輪轂的導(dǎo)流罩也可能與輪轂本

體分開向安裝單位提供，塔筒分為２５段提供。對于陸上風(fēng)電場，可以直接將這些部件運至擬建風(fēng)電場進行逐件安裝，無需設(shè)置裝配基地。但是對于海上風(fēng)電場，無論是海上整機安裝還是分體安裝，須設(shè)置裝配基地，原因為：ａ有些從陸上運輸?shù)牟考o法直接到達擬建的海上風(fēng)電場，需要風(fēng)機零部件的暫存中轉(zhuǎn)基地；ｂ為了盡可能減少海上作業(yè)程序和時間、降低海上作業(yè)風(fēng)險，需要在陸上對風(fēng)機部件作適當(dāng)?shù)慕M裝，以減少在海上安裝的件數(shù)；ｃ．風(fēng)機塔基的主要構(gòu)件需要在陸上先行預(yù)制。３１２ 裝配基地設(shè)置的原則基地的選擇與設(shè)置的原則主要有：１）基地必須具有裝卸碼頭，碼頭岸線應(yīng)配備風(fēng)機最大部件所需的裝配、搬運設(shè)備；２）基地內(nèi)部場地應(yīng)滿足工程高峰期對風(fēng)機部件的臨時存放、堆存、組裝要求；３）基地碼頭岸線水深應(yīng)滿足施工船舶的吃水深度要求；４）基地對外交通便捷，與國內(nèi)外相關(guān)的海港可實現(xiàn)互通；５）基地至擬建風(fēng)電場的船舶航道應(yīng)滿足運輸最大組件所需的水深和通行空間要求；６）基地與擬建風(fēng)場之間的距離應(yīng)適宜，以利于組織生產(chǎn)。風(fēng)機陸上組裝工藝３２１ 陸上組合方案風(fēng)機海上分體安裝法對海上運輸和安裝設(shè)備的要求相對于整機安裝法要小，但分體安裝法在海上作業(yè)時間相對較長，部件海上高空對接安裝作業(yè)量較大，安裝的時機受氣象和海況條件的制約性大，因此應(yīng)優(yōu)化風(fēng)機組裝方案，以達到既減少海上作業(yè)程序和時間，又降低海上運輸安裝設(shè)備的規(guī)格、降低工程施工成本的目的。風(fēng)電機組由塔筒（２５段）、風(fēng)葉（２４片）、輪轂和機艙等幾大部件組成。一般情況下，風(fēng)電機組的制造廠在工廠將這幾大部件基本裝配完成后再運至裝配基地，例如，江蘇響水近海風(fēng)ＭＷ試驗機組，工廠向安裝施工單位提供輪轂、機艙件在裝配基地進行組裝時，這些部件可以有多種組合方式，但根據(jù)安全、經(jīng)濟、高效的原則，不外乎以下４種組合路徑。１）風(fēng)葉與輪轂組合風(fēng)輪：輪轂與風(fēng)葉組裝在一起的組件，稱為風(fēng)輪（或稱葉輪）。輪轂與風(fēng)葉分別由不同的廠家制造，這些部件運抵基地后，將其組裝起來構(gòu)成一個組件風(fēng)輪。２）輪轂與機艙組合機身：輪轂與機艙組裝在一起則是另一種組合方式，其組成件就是風(fēng)電機組的機身。３）風(fēng)葉與輪轂、機艙組合“海燕”：將輪轂、２片風(fēng)葉組裝在一起所形成的組件，其形狀與海燕相似（２）為敘述方便，稱該組件為海

燕”。不宜將輪轂、機艙和３片風(fēng)葉組裝成一個組件，因為這種組件既不便于存放，也不便于運輸。2輪轂、2“海燕”g2sfb，ledos—“l(fā)”４）各段塔筒組合完整塔筒：制造廠通常將塔筒分為２５段進行制造，從制造廠到裝配基地的運輸也是分段進行。塔筒組合就是將各分段的塔筒進行完全組裝或部分組裝，４段塔筒可以根據(jù)需件件。一臺機組只能組裝出上述４種組件中的一部分組件。例如，一臺機組組裝出一個風(fēng)輪組件后，就不可能再組裝出“海燕”。根據(jù)以上４個組裝途徑，可以形成多種海上分體安裝組合。以江蘇響水近海風(fēng)電場試驗機組為例，其幾組可行的組合方案列于表１。文章只討論表中的方案１，２和３，其余將另作專題研究。片風(fēng)葉的風(fēng)機來說，僅就塔筒、風(fēng)葉、輪轂、機艙而言（不計電氣設(shè)備）經(jīng)基地組裝后，在海上吊裝的部件，中的方案如果試圖組合成個組件，那就失去了分體安裝法的優(yōu)勢。因為若想組裝成件，則只能是將塔筒組裝成一個組件，將風(fēng)輪與機艙組裝成另一個組件。而風(fēng)輪與機艙這種組合件不僅外形尺寸大，而且形狀極不規(guī)則，無論是在基地內(nèi)的組裝、存放、搬運，還是至擬建風(fēng)電場的運輸，所需投入的資源均不亞于整機安裝法。３２２主要組件的組裝工藝機身和風(fēng)輪的組裝工藝較成熟，陸上風(fēng)電場施工中已經(jīng)大量采用?！昂Ｑ唷苯M件和塔筒組件的組裝是海上風(fēng)電場建設(shè)中所特有的。１）海燕組裝工藝海燕在基地的組裝順序為：先在機艙上安裝輪轂形成機身，然后在輪轂上安片風(fēng)葉安裝海燕只翅膀種方法，即傾斜安裝法和水平安裝法傾斜安裝法是順表1風(fēng)電組機陸上組裝方案（3段塔筒和3風(fēng)葉風(fēng)機）Table1Assemblyprogramsofwindturbinegeneratorsystemsonland（of33方案組合部件序號

海上吊裝次數(shù)

海上吊裝

海上吊裝部／組件最大尺寸

海上吊裝部／組件最大質(zhì)量１２３輪轂與機艙組合風(fēng)葉與輪轂組合（風(fēng)輪）輪轂、機艙與兩風(fēng)葉組合（“海燕”組件）７５１２３輪轂與機艙組合風(fēng)葉與輪轂組合（風(fēng)輪）輪轂、機艙與兩風(fēng)葉組合（“海燕”組件）７５５ａ下段塔筒；ｂ中段塔筒；ｃ上段塔筒；ｄ機身；ａ塔筒上段；ｂ塔筒中段；ｃ塔筒下段；ｄ機艙；ｅ風(fēng)輪ａ塔筒上段；ｂ塔筒中段；ｃ塔筒下段；ｄ．“海燕”組件；風(fēng)葉：長４５３ｍ，寬３５ｍ風(fēng)輪：９３ｍ“海燕”：矱９３ｍ的半圓輪轂與機艙組件：１０２４６ｔ１８１ｍ５ｍ４６２１ｍ機艙：８５ｔ；１４ｍ５ｍ４６２１ｍ“海燕”：１２２ｔ４ａ．塔筒中段與上段合；ｂ輪轂與機艙組合６ａ上中段塔筒組件；ｂ塔筒下段；ｃ機身；風(fēng)葉：長４５３ｍ，寬３５ｍ塔筒中上段組件：８３８１ｔ；長４９１ｍ；直徑３９ｍ５ａ３段塔筒組合；ｂ輪轂與機艙組合５ａ塔筒；ｂ機身；ｃ風(fēng)葉１；ｄ風(fēng)葉２；ｅ風(fēng)葉３風(fēng)葉：長４５３ｍ，寬３５ｍ塔筒：１３３２５ｔ；長６１３７ｍ；直徑４０ｍ６ａ．塔筒中段與上段合；ｂ“海燕”組件４ａ塔筒中上段組件；ｂ塔筒下“海燕”：矱９３ｍ的半圓“海燕”：１２２ｔ７ａ塔筒組合；ｂ“海燕”組件３ａ塔筒；ｂ“海燕”；“海燕”：矱９３ｍ的半圓塔筒：１３３２５ｔ８ａ塔筒組合；ｂ風(fēng)葉與輪轂組合（風(fēng)輪）３ａ塔筒；ｂ機艙；ｃ風(fēng)輪風(fēng)輪：９３ｍ塔筒：１３３２５ｔ；長６１３７ｍ；直徑４０ｍｅ風(fēng)葉３ｄ風(fēng)葉１；ｅ風(fēng)葉２；ｆ風(fēng)葉３段；ｃ“海燕”；ｄ風(fēng)葉３ｃ風(fēng)葉３注：海上吊裝次數(shù)指塔筒基礎(chǔ)環(huán)以上的主要組件（塔筒、輪轂、機艙、風(fēng)葉及其組合件）的安裝次數(shù)著輪轂風(fēng)葉軸承法蘭面的方向，片風(fēng)葉。水平安裝則是將輪轂轉(zhuǎn)動一個角度，使輪轂上的一個風(fēng)葉軸承法蘭面與地面垂直，吊起風(fēng)葉水平裝在輪轂然后轉(zhuǎn)動輪轂。２）塔筒組裝工藝：如前所述，塔筒可以進行部分組裝或完全組裝。塔筒的組裝也有２種方法，即立式組裝法和臥式組裝法。立式組裝法與陸上風(fēng)機的塔筒安裝方法類似，首先將最下段的塔筒固定在組裝平臺上，然后依次組裝各段塔筒。立式組裝的塔筒一般采用立式運輸，需要大型船舶。臥式組裝法目前國內(nèi)外均未見報道，文章暫時只提出方案設(shè)想，尚未深入研究。臥式組裝的塔筒，可以采用臥式運輸，所需運輸船舶要求不高，２０００ｔ級的方駁即可，裝卸和運輸費用較低。安裝法潛水安裝工藝潛水船坐底安裝法所采用的安裝設(shè)備這里命名

為“潛水安裝船”，作業(yè)時，潛水安裝船的船體潛入水中并坐落在海底進行風(fēng)機部件的安裝。潛水安裝船是用潛水船加裝臂架式起重機所構(gòu)成的一種可浮、可潛、可移動的組合裝備。潛水安裝船上設(shè)有排灌系統(tǒng)，通過排灌系統(tǒng)可以向船倉內(nèi)注水或排水，以實現(xiàn)船舶的下潛和上浮。倉內(nèi)注水時，船體可以負(fù)載下沉，也可以坐落于海床上，排水后可以將船上的負(fù)載上舉。潛水安裝船可以專門設(shè)計，也可采用現(xiàn)行的一些水工工程施工企業(yè)所擁有的、用于運載混凝土沉箱的半潛駁進行改造，或用造船企業(yè)所用的作為浮船塢的半潛駁進行改造，半潛駁加裝履帶起重機后便構(gòu)成潛水安裝船。這種安裝船改裝方便，可以租用社會上現(xiàn)成的半潛駁，但是半潛駁甲板的四角上各有一座塔樓，致使倉面空間受限。采用專門設(shè)計的潛水安裝船，起重機的回轉(zhuǎn)空間可以不受限制，但投資大、建造周期長。潛水安裝船的示意圖如圖３所示。［２圖為海上分體安裝法總體流程［２56中國工程科學(xué)機海上安裝過程的子流程圖中的方為例風(fēng)機的主體在海上安裝共有件，即塔筒海燕和第三片風(fēng)葉。圖3潛水坐底安裝船海上安裝風(fēng)機示意圖3itagssole

安裝的相關(guān)工作，主要過程包括掃海、海底整平、船舶護底潛水安裝船就位、潛水安裝船注水下潛坐底、起重機水平度調(diào)整，然后依次吊裝風(fēng)機塔筒底部的電氣設(shè)備及風(fēng)機主體部塔筒、“海燕和第三片風(fēng)葉。在潛水安裝船就位下潛的同時，可根據(jù)各部件安裝次。掃海與海底整平在潛水安裝船坐底之前，首先需要對風(fēng)機塔基周圍進行掃海，以探明并清除海底凸起異物。首先對潛水安裝船坐底區(qū)域進行放線個角點用紅白相間的浮標(biāo)拋錨固定。用測深儀對施工區(qū)域的水深進行測量，然后采用軟式拖底法進行掃海，所用底索距離海底的高度控制在０３０５ｍ之間，掃海船速和掃海重疊帶寬度都應(yīng)控制在規(guī)定值范圍內(nèi)若海底的平整度不足、坡度較大，應(yīng)進行整平。整平的方法一般采用填砂袋法。潛水安裝船的甲板面上設(shè)起重機水平微調(diào)系統(tǒng)，海底整平后，用該系統(tǒng)對安裝船上的起重機的水平度進行精確調(diào)整。注：雙點劃線所示為圖１總體流程圖中已示過程4風(fēng)機海上安裝流程圖（潛水船安裝法）i4 nsfseetrs（ydggp）潛水船護底４３１原理對于泥沙質(zhì)海床，潛水安裝船坐落于海底后，船體阻礙漲落潮時的水流使船舷兩側(cè)潮流流速加大湍流作用加大了對船底周圍泥面的沖刷淘蝕，從而

可能導(dǎo)致潛水安裝船隨著潮流的沖刷而逐漸陷落、滑移或傾斜，這將使安裝船傾斜而影響風(fēng)機安裝作業(yè)的可靠性。另外，船底坐落于海底淤泥面負(fù)重作業(yè)后，潛水安裝船的船底將產(chǎn)生很大的泥面吸附力，導(dǎo)致完工后潛水安裝船上浮困難。因此，必須對潛水安裝船采取護底措施。護底技術(shù)的基本原理，是在坐底安裝船船底與泥面之間鋪設(shè)一層履蓋物，要求履蓋物不僅能罩住船底及其周圍泥沙面，而且能保證其與船底接觸面間仍有空隙。具體的護底方法有兩種：一種是簡單地只在海底鋪設(shè)袋裝砂，適用于風(fēng)浪較小的海域；另一種是在海底鋪設(shè)軟體排，適用于風(fēng)浪、水流較大的海域。４３２護底工藝１）砂袋法：該方法是在船底與海底泥面之間鋪設(shè)砂袋，砂袋用土工布袋充填泥砂制作而成，每個砂袋質(zhì)量約ｋｇ。砂袋在船底呈離散性均勻分布，構(gòu)成一平整墊層，墊層表面自然形成不規(guī)則的凹坑砂袋覆蓋著泥面使其不被沖刷，砂袋墊層表面的凹坑充滿了水則使船舶不被吸附砂袋護底施工可以與前道工序海底整平一氣呵成。２）軟體排法：當(dāng)風(fēng)浪和水流較大、砂袋可能被逐個卷走的情況下，應(yīng)采用軟體排護底法。軟體排［３］

結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，應(yīng)控制船艙的注水量，使船底對泥面的壓強在任何潮位都不大于１０ｋＰａ。在風(fēng)機吊裝施工過程中，還需要根據(jù)起吊構(gòu)件的質(zhì)量大小對船艙中的水量進行調(diào)節(jié)，以使?jié)撍惭b船的船底對泥面的壓強始終保持在１０ｋＰａ左右。應(yīng)用應(yīng)用項目概況，所以，研究成果首先。江蘇響水近海風(fēng)電場位于江蘇省響水規(guī)劃裝機容量４。試驗機組為三葉片上風(fēng)向水平軸、變速變槳距風(fēng)機，額定功率為輪轂高度為風(fēng)輪直徑為度為３ｍ。外側(cè)約３５ｍ平均高潮位時的水深約４ｍ。風(fēng)機，基樁為８根直徑１８ｍ的鋼護底技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水運航道工程中 。軟體

管樁承臺為直徑ｍ的圓臺年排法的防沖刷和防吸附的原理與砂袋法相同，區(qū)別在于砂袋是離散的覆蓋物，而軟體排是成片覆蓋物防沖刷功能更強。軟體排的主體是單層或多層土工織物，上面均勻排布一系列長管狀砂袋作為壓載物管狀砂袋由土工織物縫制而成，內(nèi)部充填砂料，通過縫制在排布上的若干砂肋套固定在排布上。為了增加軟體排的強度，在與管狀砂袋垂直方向均勻縫制加筋帶（５）。軟體排鋪設(shè)于海底后，在其四周放置壓載物，以防止軟體排被波浪席卷而去。圖5砂肋軟體排構(gòu)造示意圖g5efddes44安裝船潛水潛水安裝船在高潮位時按照指定位置進入現(xiàn)場拋錨就位，平潮時船艙注水進行下潛。下潛過程中應(yīng)監(jiān)測船體位置的變化情況，發(fā)現(xiàn)位置變化較大時應(yīng)停止注水下潛，待調(diào)整到預(yù)定位置和姿態(tài)后再繼續(xù)。潛水安裝船落底后，為了避免船底對泥面土體

入海上安裝現(xiàn)場月日安裝成功電纜敷設(shè)于年月中旬結(jié)束。52響水近海風(fēng)電場試驗機組海上分體安裝５２１裝配基地的設(shè)置響水近海風(fēng)電試驗機組項目的裝配基地，設(shè)于蘇北最大的河流灌河岸邊的一座大型混凝土制品廠內(nèi)三航局灌河混凝土預(yù)制廠。灌河為入海潮汐河流，河寬沿途６００１０００ｍ不等，乘潮可通航３ｔ貨輪。灌河預(yù)制廠距離出?？诩sｋｍ，距擬建響水近海風(fēng)電場約１６海里（１海里１８５２ｋｍ），廠內(nèi)現(xiàn)有１２０ｔ２５ｍ和１６０ｔ２５ｍ龍門起重機各一套，起升高度均為ｍ，ｔ級突堤式碼頭兩座，龍門起重機可直達碼頭裝卸貨物廠內(nèi)可騰出約ｍ２的場地作為風(fēng)機裝配和部件存放場地，場地均可被廠內(nèi)的龍門起重機的作業(yè)范圍所覆蓋大型運輸車輛可直達廠內(nèi)，廠區(qū)距沿海高速公路約１ｈ的車程，距連云港港約４５ｎｍｉｌｅ，其地理位置示意圖如圖所示。５２２陸上組裝根據(jù)裝配基地的現(xiàn)有設(shè)備和設(shè)施條件、項目工期要求以及施工單位的其他資源條件，從經(jīng)濟、工期及經(jīng)驗等方面考慮，響水近海風(fēng)電場試驗機組采用中的方案即組裝后風(fēng)機的主體有件：只海燕段塔筒片風(fēng)葉海燕的風(fēng)葉裝圖6響水近海風(fēng)電場試驗機組裝配基地的位置示意圖g6nfyeffarm配采用水平法圖海燕海上運輸?shù)那榫?。圖7“海燕”海上運輸g7innea