海上风电场设备吊装.docx

1、海上风电场设备吊装海上风电场设备吊装上海电力2007年第2期 海上风电场设备吊装 张蓓文 (上海市科技情报研究所,上海200031) 摘要:在海上风力发电场的建设施工成本会随海上安装作业周期的延长而大幅增长.为了控制建设成本, 需采用合适的设备吊装方案,尽量缩短工期.介绍了几种海上风力发电场的设备吊装方案,相应的吊装设备 及现有的相关标准. 关键词:海上风电场;吊装;安装;技术方案;设备 中图分类号:TK8文献标识码:B 1引言 现有离岸风机包括基座(或称桩基,基础),风 机塔架,机舱(含叶轮)这三个主要部件,相对于岸 上风机的安装施工难度更高,安装过程通常分为 两个阶段,首先建造基座,然后在

2、基座顶端吊装风 机.实际建设海上风电场时,吊装工作除了基座, 风机之外,还包括变电站和电缆. 海上安装作业中,发生的任何问题或者设计 失误都会使原定安装时间被拖延,造成设备的停 工.如:Boekstigen风电场由于遭遇大风阻碍了 驳船正常执行其起重功能,不得不停止海上施工, 波涛汹涌的海洋环境影响了驳船顺利展开起重配 置工作,这使得开发商前期花费大量精力研究确 定的吊装新方案难以发挥应有的作用.IMiddel grunden风电场在安装地基的时候,一些连接好 的电缆遭到破坏.幸好这起事故被预计到,因此 建设承包商将备用电缆进行替换,还为此买了保 险. 工程延误是海上风电场建设工作所面临的最

3、大的不确定性,这将急剧增加相应的设备租借成 本.因此,减少安装作业的时间与未安排施工的 停工时间同样重要.项目开发商力图通过预装配 以及岸上测量安装程序等方法最大程度地减少施 工成本. 长期来看,该着眼于整体设计,成本控制的措 施应贯彻于整个安装过程,并确认各部分的经济 性确实得到改进_1. 2风电场建造周期 风电场的建造一般需几个月.所有的安装工 一 】4O, 作都受限于天气条件,不可避免的会遇到天气不 理想或者不能开工的时期.在天气相对平静的夏 季,风速和海浪高度基本处于安全限内,选择此时 安排风机安装工作可以缩短工程周期.例如:丹 麦Nysted海上风电场的机组吊装工作在2003年 5,

4、9月完成,英国ScrobySands海上风电场的机 组吊装工作在2004年7,10月完成_2.为了简 化安装过程,至少简化海上那部分的安装作业,缩 短海上安装周期,目前已经提出不少风电场的安 装方案. 3风电场安装方案 风机安装工程通常分为三步:第一,安装基 座;第二,吊装支撑塔架和机舱;第三,吊装叶片. 或者在第二阶段仅吊装支撑塔架,第三阶段吊装 机舱和叶片.风机吊装至基座上之前是在岸边完 成装配,如先安装好塔架各部分,再安装机舱和叶 轮. 也有方案提出:为了进一步缩短工程建设周 期,在今后的工程中,风机的基座和风力发电机应 该作为一个整体进行安装作业,即将风机安装工 程分为两部分,首先安装

5、机组的基座,之后吊装装 配好支撑塔架,机舱和叶轮的风机,选择夏季24 h开工的话每天可以吊装2个,只是待装风机的 暂时存放还是个问题_1. 以Middelgrunden风电场建设为例,塔架的 各部分是在岸边预先安装完毕之后运输至现场的 地基上.值得一提的是,控制面板,开关盘和变压 器在运输过程中都放置于塔架的底部,运至现场 之后再提升至塔架中间层_1.Barrow海上风电 场采用的风机,机舱,轮毂,两片叶片都在岸上 2007年第2期上海电力 装配. 不仅各种新型海上吊装作业方案的提出会影 响吊装设备的选择,机组的升级也会影响吊装设 备的选择. 为了提高工程安装效率,未来海上风电项目 中的单机容

6、量会越来越大,迫切需要能够承受恶 劣天气状况和长时间作业的安装船,确保快捷的 施工进度,降低成本.以前的施工方法只适用于 安装作业在海浪高度1.5m之内,水深不超过15 m的施工现场.甚至是在海浪高度低于1m的 地方,用传统的海上起重机实施安装作业也不太 可行,因为海浪会影响起重机钩子的水平偏移量. 现有的浮吊船大多不是特意为海上风电场的风机 安装而设计制造.对于大型海上风电场,机组超 过5O台的,应通过使用安装驳船来控制建设周 期,完成建设任务3. 1998年,OptiOWECS报告针对欧洲海上风 电场施工工程公开的安装方法进行了很好的总 结,介绍如下: 3.1自升式安装 最早的海上风电场吊

7、装方法是以自升式起重 机吊装塔架,机舱和叶轮.自升式起重机可为安 装工作形成一个稳定的基座,也是打桩工程的首 选.然而,其内在稳定性以及机动性不足,使塔架 的安装遇到问题.从船上卸载塔架部件并将它们 提至机组装配需要处的过程中,部件零散运送更 佳;自升式起重机平底船也可用作机组安装前的 打桩工作. HornsRev风电场采用两辆自升船(Buzzard jackupvessel和Windjackupvesse1)分别用于 吊装基座和过渡件,平台,J形管等配件.此外, 还动用了一只船(Pompeijackupvesse1)吊装大 理石加强层.在港口,起重机勾起了重1150t的 Eltra变电站,并

8、用驳船花费70h运送至现场,抵 达之后等到风平浪静之时启动提升作业,将变电 站放置三角架式基座之上,待其安放就位后,起重 机就可拆除提升设备,随船返回海港5.此外,像 英国ScrobySands风电场这样近期建成的风电 场也采用了自升船2. 3.2半潜式安装 原则上,从驳船上起吊风机是最直接的安装 方法.对于执行海上建设工作,半沉式起吊船 是漂浮平台中最稳定的一种.现有驳船的设计 用于较远的海上作业,在浅滩地区很难发挥作 用. 3.3载运船.平底船和地面起吊机 载运船和平底船在建设作业中的稳定性不够 理想,较易受天气状况的影响导致工程的拖延. 带有旋转起吊机的载运船性能最佳,因此,需求量 较大

9、,且日租借费可观.配有尺寸合适的人字起 重机的平底船,供应较为充足,可较为经济地完成 塔架安装施工,且不受天气状况的影响.还有一 种方法结合了旋转起吊机和日租借费低廉两项优 势,即采用地面起吊机,只要风平浪静,这种系统 的应用十分令人满意. 英国专利海上风 电场机组的安装方法 (公告号:GB2407114,公 告日:2005-04-20,申请 人:ARUPGROUPLTD (GB);OVEARUP& PARTNERSINTER一 图1海上风电机组的运输 与安装系统 NATL(GB),专利附图如图1所示),专利摘要 称:一种安装海上风电场风机的方法:由驳船26 运输风机至安装现场,塔架的

10、放置平行于驳船甲 板,在安装现场,令风机在基座重力作用下旋转, 直到塔架垂直于驳船甲板,基座置于海中;然后降 低基座在海中的位置,基座可以通过填补压舱物 使风机在重力作用下旋转. 3.4漂浮式安装 漂浮式安装方法是先将塔架在码头边上竖起 来,塔架被运至现场,下放到预先安装好的桩基上 之前,一直保持垂直的方向,然后将塔架吊装至岸 边的模拟桩基,用栓钉固定(栓钉被塔架覆盖,且 打入桩基).随后将塔架垂直安置于驳船上准备 运送,可通过特制或改进现有的船只来满足这种 运送条件. 在码头边,特制驳船装上塔架并加以固定. 待到涨潮时,驳船排放压舱水使塔架与模拟桩基 分开,一旦到达安全的水深位置,驳船即引入

11、压舱 水作牵引之用.到达安装现场时,驳船排放压舱 水(如果必须的话),安全地固定于海上风电场的 桩基上.然后再引入压舱水使驳船下沉,以便安 全调转塔架的支撑件至桩基上.之后即松开紧固 件,驳船被拖走. 在Bockstigen风电场建设初期,认为采用漂 一 141 上海电力2007年第2期 浮式驳船驱动桩基的建设时间会比采用其他方法 的短,成本也更低.后来因为天气原因造成的停 工期,采用漂浮式驳船安装重力型基座与打入桩 基础工程所花费的全部时间与其它工程采用自升 式船舶是相同的.这个包括了50个风机的风电 场因为天气原因而停工的时间相当可观,将近漂 浮式驳船原定安装风机时间的2倍1. Kenti

12、shFlats风电场风机吊装采用具有沉 水式柱腿的大型吊装船.为了减少海上施工量, 塔架和机舱预先在港口已经装配就绪.一旦起吊 船抵达基座旁,塔架就立刻安放上基座,然后将预 先安装好2个叶片的机舱安放在塔架上,并在上 翼缘处锁住,最后采用定制的提升设备将第三个 叶片安至机舱上.安装过程十分重要,应在天气 晴好时进行.在最后安装与最后紧固螺栓阶段, 吊装船仍需在一旁待命6. 如何选择安装方案取决于机组的装配设计, 基座结构,施工现场,以及一定程度上取决于维护 这个机组所采用的方法. 4风电场安装设备 早期安装海上风电机大多是通过自升式驳船 或者漂浮式起重船实现.两者之间的选择取决于 水深,起吊机

13、的能力和驳船的载重量.起吊机应 具备提升风机主要部件(塔架,机舱,叶轮等)的能 力,其吊钩提升高度应大于机舱的尺寸,确保塔架 和风机装配件的安装. 现有的起重船并非为海上风电机组的安装而 特别设计,因此,现在已经有不少机构在设计制造 用于大型的海上风电场(尤其是机组数量超过50 台)的电场安装设备1. 4.1吊装设备相关专利 欧洲专利海上风电机组的运输与安装系统 (公告号:EP1321670,公告日:2003-06-25,申请 人/发明人:PLAMBECKNORBERT(DE),专利 附图如图2所示)所公布的系统包括至少一个陆 上驱动装配车,装配车上配备有支撑和提升设备, 用于建设海上风电系统

14、或将设备转移至装配车 上,该系统还包括一个浮船坞,作为可调整高度的 升降平台,海上支撑和运输载有海上风电设备的 装配车.升降平台中包括至少一个留给装配车的 泊位,海上风电设备通过陆上和升降平台之间的 调转辅助工具运至升降平台(无需吊车),并运送 一 】42一 至海上风电场地基所在之处,再由升降平台放下 即可. 欧洲专利运输海上风电机组的升降驳船 (公告号:EP1384883,公告日:20040128,申请 人/发明人:PLAMBECKN0RBERT(DE),专利 附图如图3所示)所公布的海上平底船主要由运 载设备和输送设备组成,其中包括带有轮轴和叶 片的完整的机架,它们用于静态的海上风电场,提

15、 升平台上装有一个船桅机构,船桅机构带有一个 支撑单元.运载设备接收并转运海上风电场的竖 直塔架,塔架可以在岸上或者海岸边装配好,无需 起吊机,该设备的特点在于转运的安全性. 图2海上风电机组的运输与安装系统 图3运输海上风电机组的升降驳船 其它相关的专利还有US2006120809, EP1634998,JP2O03293938等,详细内容,可在欧 洲专利局网站通过输入专利号的方法检索到相应 专利. 4.2风力发电机吊装船 A2Sea,Seacore,MPI等公司是风电场建设 用起重船的重要供应商,他们曾为英国Scroby Sands海上风电场,丹麦HornsRev,Nysted风电 场等1

16、O多个海上风电场的吊装工作提供了MV 0CEANADY号自升式驳船,Excalibur号自 升式驳船等系列吊装设备. Mayflowerresolution吊装船(见图4)是一 2007年第2期上海电力 艘大型风力发电机吊 装船,为NorthHoyle 风电场安装过数台风 机,为KentishFlats 风电场安装过桩基. 由英国海洋工程国际 公司(MarineProject International,简称 图4Mayflowerresolution 吊装船 MPI)所有,中国秦皇岛的山海关船厂承建,丹麦 工程师KnudE.Hansen等人设计,长宽高为 130.5m38m8m,允许风机塔架

17、的最大高度 可达100m,叶片直径达100ITI,配备的起重机具 有300t的起重能力,载重能力为10个风机的部 件,主要应用于英国海岸的北海或欧美等拟建风 电场的机组安装,可以在天气晴朗的时候进行安 装作业.船上悬挂马恩岛(位于英国和爱尔兰之 间的一个岛国)的国旗,船员都是欧洲人,他们在 船舶操控,定位,起重等方面具备超强能力.MPI 对于该船提高吊装效率表示非常乐观_7. 该船具有6个带有用液压升降系统柱腿,标 有DNV符号(即满足DNV的标准),集合了漂浮 式起重机,动力定位系统和自升降单元.可在水 深35m处施工.14天能安装10个3.5MW的 风机,并行建设的有电缆铺设或连接7. A

18、2SEA公司的MVOCEANADY号自升 式驳船,具有一个450t的,可在海上平稳操作的 起重机,并可实现海上快速运输.2004年3月26 日至2004年5月14日期间吊装了24台风机. Seacore公司的Excalibur号自升式驳船,可同 时运载2个完整的风力发电机,毂高为6OIn,12 天内吊装了6台涡轮机2. 图5MVOCEANADY号自升式驳船 4.3海上吊装设备相关标准 (1)海上吊装机规范(SpecificationforOff shoreCranes),美国石油研究所,1995年第5版. (2)BS7121111998,起重机安全操作实施 规程.海上起重机(Codeofpra

19、cticeforsafeuse ofcranesOffshorecranes),1998,替代标准 94/703245DC一1994. (3)NFE5206112004,起重机.海上起重 机.第1部分:通用海上起重机(cranesOffshore cranesPart1:generalpurposeoffshore cranes.),2004. (4)EN138521-2004,起重机.海上起重 机.第1部分:通用海上起重机(CranesOffshore cranesPart1:Generalpurposeoffshore cranes),2004,等同标准DINEN13852-1-2004,

20、 替代标准EN138522000. 5结语 降低海上风电场吊装施工成本,最直接的方 法是改进吊装方案及相应设备,以利缩短工期. 此外,尽可能多地在陆上分担装配任务,合理规 划,才能一定程度上达到降低施工成本的目的. 参考文献: E1PeterStratford.Analysis:OffshorewindpowerR/OL. 2006122o.httpl|.iee.org/oncomms/. 2GerhardGerdesAlbrechtTiedemanndrs.SjoerdZeelen berg.CaseStudy:EuropeanOffshoreWindFarms-ASur veyforthe

21、AnalysisoftheExperiencesandLessonsLearnt byDevelopersofOffshoreWindFarmsFinalReportR/ OL.20061221.3Schutz,W.Schroter,F.Developmentofheavysteel plateforMayflowerResolution,specialpurposevesselfor erectionofoffshorewindtowersR.MaterialsScienceand Technology.2005,21(5):590596. 4OffshoreWindEnergy-Ready

22、toPoweraSustainableEu rope.HYPERLINK;OWEE_Complete.pdf. 5HornsRevNewsletterEB/OL.20061210.2001, 2oo2.http./www.hornsrev.dk., 6KentishFlatsOffshorewindfarmEB/OL.20061210. . 7WindpowersetforoffshoreboomEB/OL.20061210. . 收稿日期:20070116 作者简介:张蓓文(1981一),女,浙江宁波人,咨询师,从事 情报咨询与研究工作,02164455555X8418. (责任编辑:杜建军) 一 】43