[海上风机基础形式与风机安装发展趋势]风机在基础上的安装有哪几种形式

来源:自然科学 发布时间:2019-03-12 05:39:50 点击:

  引言      海上风能具有湍流强度小、主导风向稳定、节约土地资源等优势。近年来,海上风力发电在欧洲获得较快的发展,已安装的海上风电机组容量已超过150万千瓦。但相对而言,目前对海上风力发电的技术研究很不够,其中尤其缺乏对海上风电场建设施工的有效技术支持。
  通过对陆上和海上风电场的投资成本结构分析可知,海上风电场的建设中风电机组设备成本所占的比例减小,而基础、设备安装和电力传输安装等海上作业的成本所占比例加大。因此,研究海上机组的基础施工和设备安装方法,对降低海上风电场总成本具有重要意义。
  海上风电场的设备安装是一个复杂的系统工程,包括机组的基础施工技术、机组的预装配工艺、海上吊装技术、安装船舶的调度使用、电缆与海上变电站的布置等。
  由于海上设备安装的技术要求高,同时受到气候、天气、波浪、水流等随机因素制约,是目前限制海上风电技术和产业发展的重要因素。相关的施工设计和作业中任何失误,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进行,工期延误对整个工程会产生决定性的影响。
  因此,选择合适的安装方法对海上风电场的建设至关重要。在上述技术环节中,有关机组基础施工技术的研究尤为重要。本文将结合丹麦HornsRev海上风电场和中国东海大桥海上风电场工程,对相关问题进行初步讨论。
  
  1 风电机组安装基础的类型
  
  海上风电机组的基础形式主要取决于水深和海底地质条件,同时与机组的安装方法有关。可选择的基础形式较多,主要有重力式基础、单桩或多桩基础、导管架基础、吸入沉箱基础和浮式基础等。在目前已建成海上风电场中,较多的应用了图1所示的重力式或单桩(多桩)式基础。
  
  1.1重力式基础
  一般而论,重力式基础适合水深度较浅的区域,但在过浅的区域可能会受到波浪的影响。如图1a所示,重力式基础的沉箱大部分可在岸上制造完成,且不需要打桩,因而成本较低。
  在置放重力式基础前,通常需要对海底进行预先的平整处理,凿开海床表层换以层铺的沙砾层。此后,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。
  重力式基础可分为混凝土重力式基础和钢结构重力式基础。混凝土重力基础的制造工艺简单,完全依靠自身的重力置于海底,适合于各种类型的海床。早期的海上风电场一般采用混凝土基础,但是由于其巨大的质量(如某工程的单个基础达1800吨),给运输和安装施工带来很大的困难。钢结构重力式基础虽然同样需要制作重力沉箱,但可根据海况设计和制造钢结构,在安装就位后,再根据需要向钢结构基础中浇注高密度的橄榄石压载,达到基础重力的设计要求,使其整体重量得以大幅度降低,更便于安装和运输。但钢制基础不适合腐蚀性强的海域。
  
  1.2单桩和多桩基础
  如图1b所示的桩式基础是海上机组的另一种常用基础形式。此类基础通常有两种施工安装方法,一种是在指定地点,采用打桩锤将管状桩基打人要求的海床深度;另一种是使用钻孔机在海床钻孔,装入桩后再用水泥浇注。
  与重力式基础比较,桩式基础通常适用于较深的海域,水深可达到30m以上。由于桩基与塔架都为管状,因此在现场其间的连接更便捷些。但对于基岩层距离海床远或坚硬岩石海床,打桩的过程可能需要增加较多成本,甚至难以实施。
  
  对于水深度较浅且基岩离海床表面很近的位置,单桩式基础是最好的选择,相对较短的岩石槽即可以承受整个机组结构的倾覆力距。丹麦的HornsRev海上风电场即采用了单桩基础。单桩式基础还可以衍生出拉索塔单桩作为改良。
  多桩基础近年也得到一些工程的采用,我国东海大桥海上风电场即采用了此种基础形式。多桩基础的施工,需要将多根制作好钢管桩用船舶运到现场,然后由现场打桩船打桩到要求的海床深度。利用桩桩基础,通过钢套箱模板浇注混凝土制作基础,再将多根桩连成整体。在基础满足强度要求后,将钢套箱进行拆除处理。
  通常多桩比单桩基础适用的海域要深些,且更适合于淤泥层较厚的海域。多桩基础采用的桩也相对较长,如东海大桥海上风电场所用桩长度超过了80米。
  
  2 海上风电机组安装船
  
  海上风电场的施工安装,无论是机组本体还是基础,都需要有相应能力的运输工具运送到风电场址,并配备适合安装方法的起重设备和定位设备。
  近年来欧洲一些海洋工程公司相继建造和改造了多艘专门用于海上风电机组安装的工程船舶。在丹麦的HornsRev海上风电场施工中,即采用了世界上首艘风电机组专用安装船舶“五月花”号。该安装船于2004年开始服役,具备自升和自航能力,且具有较高的安装效率。
  “五月花”号安装船,属于采用单独安装方式的船舶。不仅具备安装能力,同时也拥有较大的载货能力。该船舶浅吃水、能适应恶劣天气,一次能够运载10台风电机组,具备一年安装200台风电机组的能力。
  “五月花”船的设计还考虑了风电机组的高度要求,具有6根调整桩腿,能够在安装时根据需要升至距海面3~46m的距离。
  我国的海上风电场的建设刚刚起步,尚缺乏专业安装施工船舶,目前只能采用以往安装桥梁的船舶替代。图3是用于东海大桥海上风电机组吊装的“奋进”号安装船。
  工程实践表明,此类安装船在风电机组安装适应性方面存在着较多问题,亟待开展相关的研究,尽快研制出专业的安装船舶。
  
  3 风电机组安装方法及发展趋势
  
  海上风电机组安装的目标都是以适当的投入尽量减少海上作业时间,减少海上安装的不确定性,从而节约总成本并避免工期延误。目前海上风电机组安装的方法主要有两种:第一种为风电机组传统吊装法,第二种是风电机组整体吊装法。
  
  3.1传统吊装方法
  传统吊装法经过了几十年的发展,在海上风电机组安装中的应用广泛。此类安装方法主要分为3个步骤:
  (1)机组的基础桩安装;
  (2)风电机组塔架部件的安装;
  (3)机组的机舱及叶片部件安装。
  丹麦的HornsRev和欧洲的一些海上风电场采用了这种吊装办法。
  在采用传统吊装法的施工过程中,基础、塔筒和机舱及叶片安装需要在海上,分不同阶段来完成。用合适的运输船船将基础桩运输到位,用打桩船把桩打到海底;然后需要在基础桩上安装船舶登靠设施、J形管、悬梯、平台等辅助设施,布好海缆后,再使用起重船进行风电机组塔架的分段吊装;此后分别吊装机舱、轮毂和叶片部件。
  海上机组的传统吊装法的实施过程,可以完全分开的各个部件,也可以是在一定程度上在岸上进行一些部件的预组装。例如,比较常用的所谓“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片叶片预装在轮毂上;通过驳船运输到现场, 进行塔架、机舱和“兔耳朵”式风轮部分吊装后,最后将1片叶片安装到位。
  上述吊装通常需要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电机组进行风电机组上的调试。
  上述的风电机组传统吊装法,由于安装过程主要在海上完成,安装时间长短与天气的关系极大。若遇不好天气,会严重影响安装的进度计划。同时,安装后的风电机组调试过程也需在海上完成,可能出现的机组故障,也会导致初期成本大幅度增加。
  
  3.2风电机组的整体安装方法
  风电机组整体安装是一种施工新技术,其设计原则遵从了“能在陆上安装就不在海上安装,能在地面安装就不在高空安装”的理念:将包括风电机组的塔架、机舱及叶片预先在岸边的船上整体安装并调试,然后再整体运送到场址进行安装。由于机组的整体均在岸边装配甚至预试车,可以降低海上天气对安装的影响和海上试车的故障率。
  英国Beatrice海上风电场和我国东海大桥海上风电场的机组安装中,试用了这种整体安装方法。其基本安装工艺步骤为:
  (1)将机组的机舱吊上位于陆上的替代塔架
  (2)将三叶片与机舱的轮毂进行对接
  (3)将三段塔筒在岸边的运输船上垂直组装为塔架,
  (4)将已安装好的机舱与叶轮整体吊装到塔架的顶端。
  (5)风电机组竖直安装在运输船上,并固定在预先准备好的安装支架上,
  在运输过程中,需要使风电机组始终保持竖直状态,到达海域场址后,再用大型船舶吊机将风电机组吊装到基础的基座。
  整体安装的难点,主要在于运输过程中如何保证体积和重量巨大的风电机组的安全。同时,在海域吊装过程进行机组本体与基础的基座对按时,需要解决机组构件对基础的冲击等问题。
  
  3.3两种安装方法的比较
  上述的这两种风电机组吊装的方法各有优劣,目前在欧洲运用最广泛的仍然是传统的吊装方法。而在我国的后续海上风电工程中,可能会更多的考虑使用第二种方法。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,各国都在不断研究和改良安装海上风电机组的方法。但随着风电机组的大型化,满足大型风电机组吊装要求的起重机面临数量不足、成本过高的问题,因而各种吊装方法也在研究和实践之中。
  
  3.4海上机组安装技术的发展趋势
  海上存在了许多不可以预测的因素,为了降低成本和风险,一些研究机构已经开始着手研究海上机组的基础制造与风电机组整体安装总成方法。此种安装技术,是在上述风电机组整体安装的方法基础上,将机组的基础与风电机组本体(包括塔筒、机舱及风轮)作为一个整体,再利用基础的浮力,由驳船直接牵引到风电场址,最后通过加载或压载直接将基础连同风电机组安装在海底。
  
  4 结语
  
  风电机组基础形式决定风机设备的安装方式,至今制约着我国海上风电产业发展的主要因素,是缺乏离岸型风电机组的专业安装船舶。目前,包括三一重工、振华重工在内的国内设备制造厂家开始进入专业海上风电机组吊装船的制造领域。但是,为使专业安装船舶适应海上风电机组的吊装要求,还必须要对大型海上风电机组的发展进行有前瞻性的预测,以满足未来海上风电场不断变化的安装要求。

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