海上风电场风机安装概述 论文发表
1 简介
海上风能作为一种新形式的风能具有湍流强度小、主导风向稳定、节约土地资源、风能平稳、无噪音及景观污染等优势。近年来海上风电在欧洲有了长足的发展。但还有相当多的问题需要解决,设计建设需要考虑风浪流冰以及盐雾腐蚀对风机的安装和维护带来的挑战。对比图1和2中陆上和海上风电场的成本结构,海上风电场建设中风机成本所占比例减小,基础、风机安装和电力传输等有关海上作业的成本所占比例增加。因此改良海上基础施工和风机安装方法,可以降低总成本。同时大量分析证明,风机单击容量越大,风电场单位建设成本越低。如表1所示,目前世界海上风电场的建设日趋大型化和离岸化,2部5MW的大型风机已经在英国Beatrice示范风电场投入使用。风电场的安装是一个复杂的系统工程。包括风机基础的安装,风机的预装与海上安装,安装船舶的使用与物流调配,电缆与海上变电站的布置与建设等。其中基础和风机的安装由于在海上进行,对技术要求高,同时受到气候、天气、波浪、水流等因素的制约。这些因素是海上风电场安装规划中最难以掌控的因素,也是限制海上风电发展的重要因素。海上施工设计和作业的任何失误都有可能造成工期延误。而对于大部分海上风电场
来说,安装只能在一定的季节范围内进行,工期延误对整个工程的影响是决定性的。因此,选择合适的安装方法对海上风电场的建设至关重要。
2 风机安装的方法
海上风机安装的具体方法很多,其目标都是一致的,即以适当的投入尽量减少海上作业时间从而节约总成本,同时避免工期延误。归纳起来可以将安装方法分为3种理念:第一种为传统的吊装法,工程分为3步,即(1)风基础的安装;(2)我是猪八戒风机塔架的安装;(3)风机上层设施的安装,包括机舱和叶片。第二种改良方法,提出将包括风机塔架和整个上层设施的风机作为一体预先在岸上安装调试好,然后整体运送到场址进行安装。第三种整体法,设想将风机的基础和风机作为一个整体,利用基础的浮力由驳船牵引到风电场址,最后通过加载压载直接安装在海底。以上这些方法各有优劣,目前运用最广泛的仍然是第一种传统吊装方法。但随着风机的大型化,满足大型风机吊装要求的起重机面临数量不足、成本过高的问题,因而各种非吊装方法也在研究和实践当中。
2.1 传统吊装方法
经过几十年的发展,传统的吊装安装法是海上风电安装方法中最成熟和应用最广泛的。在吊装方法中,基础和风机的安装是在不同阶段来完成的。首先根据基础的种类,选择合适的起重船或自升平台将基础安装到位,之后在基础上安装船舶登靠设施、J形管、悬梯、平台等辅助设施。再使用起重船或自升平台将风机机架和上层设施运输到现场(图3),实施吊装。在海上吊装的可以是完全分开的各个部件,也可以是在一定程度上在岸上进行过预组装的半成品部件。例如比较常用的是所谓“兔耳朵”式的运输方式,即先在岸上将机舱内的部件安装好,并将2片叶片预装在机舱的轮毂上,在通过驳船运输到现场进行塔架和机舱的吊装后,再将最后1片叶片安装到位。吊装通常需要10~15小时的时间,完成后需要通过直升机或小艇将工作人员运送到风机进行风机上的调试。由于传统吊装法的风机调试过程需在海上完成,故风机出现故障会导致初期成本大量增加。
2.2 风机整体安装法
由于减少海上作业时间是降低安装成本的最有效途径之一,各国都在研究改良安装风机的方法。其中将风机塔架和上层设施作为一个风机整体来安装是一种很有前途的理念。目前世界单机容量最大的英国Beatrice海上风电场,采用的就是将风机整体吊装在基座上的安装
方法(图4)。本方法将风机竖直吊装在安装船上并固定在预先准备好的支架上,运输过程中风机保持竖直状态,到达场址之后再用大型吊机将风机吊装在基座上。整体安装的难点主要在于如何保证体积和重量都非常巨大的风车的安全。还有一种思路是不使用起重吊机,不采用吊装方式,而是将驳船定位于基座旁,直接通过升降装置把风机整体从上方逐步降下并固定在基座上,这种方法取消了对大型吊机的依赖,对于大型风机的安装很有吸引力。由于改良方法中风机整体均在岸上组装,有条件在岸上进行预试车,因此可以降低海上试车的故障率。
2.3 基础与风机一体安装法
本方法理论上是在海上作业程序最少的风机安装方法。近年来欧洲对此方法有着大量的研究,但到目前为止还没有过实践经验。此方法中风车基础、塔架、上层建筑等均在岸上完成组装成为一体动漫主题餐厅,并需采用重力式基础与预先平整海床。岸上组装、预调试完成之后采用驳船将风车整体拖驳到场址,通过向基础中注入压载使风车体置于海床,完成安装。整个过程中风车完全或部分依靠由重力式基础提供的浮力漂浮在海面上。
3 基础的选择与安装
风机基础的选择主要取决于水深和海底地质条件两项因素,也和风机安装方法有一定的关系。除基础与风机一体安装法之外,基础的安装是风机安装过程中单独的一个环节,并且对风机塔架的安装起着影响。各国对风电场基础的分类不尽相同。目前讨论较广泛的有5大类,分别是重力基础、单基桩基础、导管架基础、吸入沉箱基础和浮式基础绝种铁金刚,其中前两种在实际中有广泛的应用。
3.1 重力基础
通常来讲,重力基础(gravity ba)适合水深比较浅的位置,但在过浅的位置会受到波浪的影响。由于重力基础制造过程在岸上,且不需要打桩,因而成本较低。在置放重力基础前需要对海底进行预先的平整处理,凿开海床表层换以一层沙砾层。之后使用驳船运送或漂浮拖驳至场址,基础就位之后再用混凝土将其周边固定。重力基础分为混凝土重力基础和钢制重力基础,前者制造工艺简单,完全依靠自身的重力置于海底,适合于各种类型的海床。世界最早的风电场采用的便是混凝土基础,但由于其巨大的质量(最大可达1 800t)使得运输非常困难。后者同样依靠自身重力固定风机,但其钢结构质量依据不同海况只有今日复明日80t~110t,便于安装和运输。安装就位之后需要向钢制基础中浇注具有高密度的橄榄石压载,从而使得基础重力达到要求。但钢制基础不适合腐蚀性强的海域。
3.2 单基桩
单基桩(monopile)是另一种普遍采用的基础形式,有两种安装方法,一种为到达指定地点后,将打桩锤安装在管状桩上打桩直到桩基进入要求的海床深度,另一种则是使用钻孔机在海床钻孔,装入桩后再用水泥浇注。单基桩适用的海域通常比重力基础要深,可以达到30m以上。由于桩和塔架都是管状的,因此在现场它们之间的连结相比于其他基础要便捷。在使用合适设备的情况下,单基桩的打桩过程比较简单。对于水深较浅且基岩离海床表面很近的位置单基桩是最好的选择,因为相对较短的岩石槽就可以抵住整个结构的倾覆力。而对于基岩层距离海床很远的情况,word光标就需要将桩打得很深。另外对于坚硬岩石尤其是花岗岩海床来说,打桩过程需要增加成本甚至难以成行。从单基桩可以衍生出拉索塔单基桩(guyedtower monopile)作为改良。
3.3 导管架和三支柱基础导管架(jacket)网页紧急升级访问和三支柱(tripod)基础的概念源于海上油气开发。基础通过结构各个支角处的桩钉入海床。由于基础的结构和建造工艺相对复杂,建造成本高,到目前为止导管架/三支柱型基础鲜有应用。但由于此类基础重量较轻、便于运输且适合深水使用,随着海上风电场向深水区域的不断推进,此类基础在今后会有更广阔的前景。在200
7年建设投产的英国Beatrice示范海上风电场中,两台5MW的风机均采用的四桩靴式导管架作为基础(图6),作业水深达到了45m,为目前世界第一。
3.4 吸入式沉箱
爱国的优美句子 吸入式沉箱(suction caisson)作为基础也受到了广泛的关注。其原理是沉箱安装在海床就位之后将其内部的水分抽掉,周围的水压力将沉箱压入海床。尽管在实际中沉箱式基础尚未成功应用,但其安装尤其是拆卸具有明显的便利性。在拆卸时只需平衡沉箱内外压力即可将沉箱轻松吊起。
3.5 浮式基础
浮式基础(floating)不固定在海床上而是直接漂浮在海中,通过缆绳固定在一定的位置(图7)。它适合在海底基础难以作业的深海应用,但目前对其研究尚处于初步阶段,且尚无法做到与陆地电网相连。
4 海上风电安装船
在海上无论是风机还是基础的安装都需要有相应能力的运输工具将其运送到风电场址,并配备适合各种安装方法的起重设备和定位设备。海上风机安装基本都是由自升式起重平台和浮式起重船两类船舶完成的,船舶可以具备自航能力也可以是非自航。单独或联合采用何种方式安装取决于水深、起重能力和船舶的可用性。其中联合安装比较典型的方式是由平甲板驳船装载风机部件或者单基桩拖到现场,再由自升式平台或起重船从平板驳船上吊起部件完成安装或打桩。早期的安装船都是借用或由其他海洋工程船舶改造的,但随着风机的大型化,小型船舶无法满足起重高度和起重能力的要求。近年来欧洲多家海洋工程公司相继建造和改造了多条专门用于海上风机安装的工程船舶。安装船舶的大型化也是一个趋势,专门的风车安装船一次最多可以装载10台风机。以下按照船型和适用的工作海域将海上风车安装船舶作分类比较。
4.1 起重船
起重船通常具备自航能力,船上配备起重机,变蝇人3可以运输和安装风车和基础。起重船除在过浅区域需考虑吃水外其余区域不受水深限制,且多为自航,在不同风机位置间的转移速度快,操纵性好,使用费率很低,船源充足,不存在船期安排问题。但起重船极其依赖天气和波浪条
件,对控制工期非常不利,现已较少使用。但在深海(大于35m)条件下由于无法使用自升式平台/船舶进行安装,故仍须使用起重船。
