海上风电运输安装.pdf

1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第38卷 第4期 2009年8月 船 海 工 程 SHIP 海上安装 起重船 基础 中图分类号 U674 2 文献标志码 A 文章编号 167127953 2009 0420136204 相对陆上风电场而言 海上风电场具有不占 用陆地面积 风速比陆地大 风向较稳定等优点 虽然其建造和电网连接成本都相对较高 但是海 上风能开发的经济价值和社会价值正得到越来越 多的认可 全球范围内诸多国家广泛研究和开发 利用海上风力发电 尤其是欧美等发达国家 目前 海上风力发电场技术正日趋成熟 自从丹麦于 1991年建成第一个海上风力发电场 到2006年 末 全球运行了超过900 MW装机容量的海上风 电场 几乎所有海上风电场都在欧洲 1 我国出台的 可再生能源中长期发展规划 中 再次突出了对水能 风能 太阳能的重点支持 预 计到2020年风力发电总容量达到3 015万kW 我国的风能资源主要分布在东北 华北 西北和东 南沿海地区 东南沿海距离电力负荷中心近 土 地资源紧缺 海上风电将成为东南沿海风力发电 的趋势 我国正在积极地筹建海上风电场 见表1 表1 我国正在筹建的海上风电场MW 地点机组风电场 广东南奥2 520 上海 3 0100 浙江岱山2 0200 江苏如东3 0300 江苏东台200 河北黄骅1 000 2 海上风电机组的结构及安装方式 海上风电机组的结构形式类似简易海上平 台 其主要组成部分包括 叶片 轮毂 机舱 塔架 和基础 223 海上风电机组和陆上风电机组从结构形式上 来看 它们的最大差别在于基础形式 3 具体采用 何种形式 需要根据风电机场的水文和地质条件 确定 已建的海上风电机组依安装方式不同主要分 两种 海上分体安装和海上整体安装 两种安装 方法都要求安装安全和海上作业时间短 2 1 海上分体安装 海上分体吊装就是在海上将风机的各个部件安 装在一起 由于海上风浪大 风机很高 给海上起重 作业和安装带来很大的难度 为了提高安装效率 仍 然考虑尽可能在陆地上组装风机部件 以减少起吊 次数和高空安装作业工作量 现今海上分体安装主 要有两种方式 三叶式安装和兔耳式安装 2 1 1 三叶式安装 在陆上把风电机组的三个叶片和毂帽安装 好 组装成风车头 但并未与机舱连接 运输时 调整叶片放置的角度 见图1 使其合理布置于 甲板上 以便有效利用甲板空间 图1 三叶式风电机组安转 631 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 海上风电机组运输 安装和维护船方案 何炎平 杨 启 杜鹏飞 谭家华 海上安装时 在把机舱安装在塔架上后 将已 组装好的风车头直接吊装在机舱上 可减少海上 叶片安装时需定位 对接等系列高空作业 降低海 上施工难度 2 1 2 兔耳式安装 在陆上把风电机组的两个叶片安装在毂帽 上 并与机舱上安装好 形成兔耳型形式 见图 2 海上安装时 在安装好塔架后 可把机舱 两 个叶片和毂帽组件吊起安装在塔架上 然后安装 最后的一片叶片 运输过程中 也可合理设计工 装 以有效利用甲板面积 图2 兔耳式风电机组安装 海上分体安装最大的优点是对起重机的起重 能力要求不太高 但对起重作业时船舶的稳定性 要求很高 需要保证下部塔筒与上部塔筒之间准 确对位 上部塔筒与机舱之间准确对位 轮毂和机 舱之间的准确对位 三叶式安装 或第三片叶片与 机舱轮毂之间的准确对位 兔耳式安装 这么多 的施工环节和安装要求在海上连续进行难度很 大 施工中除了风 雨 雾等天气因素影响外 传统 的起重船仅仅依靠锚缆系统对船体定位也难以避 免海上波浪 潮流影响 特别是当安装进行到上部 塔筒以上的部位时 船体轻微的晃动在80 m以 上高度会引起数米的位移 给准确对位带来了很 大的难度 4 因此 为了能够承受恶劣天气状况 和长时间作业 国外进行海上分体吊装时是采用 带自升式桩腿的平台或船只 采用桩腿的目的就 是为了保证安装的精度和施工进度 使海上的安 装类同于陆上的安装 依靠普通起重船进行海上风电机组分体安装 因不经济而不可行 2 2 海上整体安装 海上风机整体吊装在英国的Beatrice风场进 行过 用 Rambiz 号双吊臂大型起重船 该船的 最大起重能力为4 000 t 对应4 000 t起重量的桅 杆长度68 m 对应3 256 t起重量的桅杆长度为 82 m 这种工艺包括两个步骤 陆上或岸边驳船 上组装和海上运输与安装 陆上或岸边驳船上组装 在海边的码头上寻 找合适的空地或在码头系泊的驳船上 进行风电 机组的塔架 机舱和叶片的组装 海上运输与安装 利用组装用驳船或起重机 吊住组装好的风电机组运输到安装地点 利用起 重机把组装好的风电机组安装在已建成的基座 上 我国中海油采用 南疆 号3800 t起重铺管 船在离岸70 km的渤海绥中3621油田完成了1 座海上风电机组的安装 中海油在该油田30 m 水深的一个导管架上安装了1台1 5 MW永磁 直驱风力发电机组 铺设了1条5 km长的海底 电缆至绥中3621油田的中心平台 风力发电机组 运营后 实现了对该平台的并网发电 海上整体安装对起重船的能力要求高 组装 的风电机组与建成的基座对准和安装是需要解决 的关键问题 还需要设计专用的起吊吊具和运输 时的固定装置 3 海上风电机组运输 安装和维护 船方案 为了兼顾海上风电机组的安装和维护 比较 经济的方案是采用具有适当起重能力的具有良好 操纵性能的自航船舶 应具备运输多座风电机组 部件的能力 还有一个非常重要的要求是需要保 证吊装作业时的不运动和运动响应小 国外已有 的相关船型 2 可以看到这类船舶要么完全为自 升式平台型 要么配备支撑用的桩腿 以保证作业 731 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第4期船 海 工 程第38卷 时受环境的影响小 我国东南沿海大部分区域的海床为淤泥质粉 土或细沙沉积地层 东海大桥海上风电场海底为 深厚软土地基 海底表面从浅到深有淤泥 淤泥质 粉质粘土和淤泥质粘土 它们的平均厚度分别为 0 43 m 3 83 m和10 67 m 盐城东沙风能地带 处于南洋潮与北洋潮的交汇处 江河入海水流到 这里时已成为基本不含淤泥的细沙沉积地层 是 典型的 铁板沙 埋深1 m以下地层承载力达到 100 140 kN 8 m以下达到180 kN 16 m以下 达到230 kN 因此该处地质承载能力很强 因此 从我国海上风电场的工程地质来看 承 担海上风电场分体安装的船型 自升使船体离开 水面的平台和自升但船体不脱离水面的船舶都适 用 下面介绍一艘海上风电机组运输 安装和维 护船的方案 3 1 设计要求 设计船是一艘用于近海风电机组安装和维护 的多功能作业船 设计条件见表1 表1 设计条件 环境因素条件环境因素条件 作业最大风级 蒲氏6级相对湿度35 大约为90 最高室外温度40 波高 2 8 m 最低室外温度15 波浪周期6 s 机舱温度55 流速 2 2 m s 1 最高海水温度32 作业水深 18 m 最低海水温度0 座底作业水深2 0 m 本船的航区为在近海航行 沿海作业 按中国 海事局和CCS对近海供应船的标准设计 船级符 号为 CSA Offshore Supply Vessel R1 CSM BRC MCC 3 2 主要要素和总布置图 综合考虑船舶造价和作业能力 确定的船舶 主要要素见表2 船体为双层甲板 局部双层底和有艏楼 在船 左右两舷各设有两根方形钢桩 共4根桩腿 在上 甲板的两舷侧分别设有烟囱 桩腿支架结构 风机 塔筒系固结构和起重机的基座结构 机舱设置在船艉部 内主要布置4台主发电 机组和2台停泊发电机组以及轮机的辅助设备 船舶的推进装置为4台全回转的螺旋桨 由电动 机驱动 在中部的艏尖舱内设置有2台侧推装置 表2 主要要素 要素确定值要素确定值 总长102 0 m定位桩腿尺寸2 80 m 2 80 m 垂线间长96 0 m定位桩腿长度35 0 m 型宽30 0 m主发电机组4 1200 kW 型深8 0 m停泊发电机组2 250 kW 设计吃水5 0 m应急发电机组200 kW 航速9 2 kn 推进装置 360 全回转 4 800 kW 主甲板梁拱0 0 m艏侧推2 440 kW 最大工作水深18 0 m 最底作业水深2 0 m 起重能力 吊重 吊幅 吊高 120 t 22 m 87 m 4台全回转的主推进器和两台侧推装置可以保证 本船有良好操纵性 满足风电机组安装的精确定 位要求 上甲板左右两舷侧结构有两层 尾部均为烟 囱和机舱通风的风机间 左舷为2套桩腿的桩架 结构和起重机的基座 右舷为2套桩腿的桩架结 构和风机塔筒系固结构 升桩和下桩的滑轮组与 绞车布置在舷侧结构上 为上下此舷侧结构设置 了梯道 艏楼内主要设置生活设备和船员舱室 顶部 为驾驶室 根据实际要求 在艏楼前还可配置直升 飞机平台 上甲板的艉部中间还设置甲板室 用以布置 CO2间和应急发电机间 并作为起重机在航行时 的支撑和固定结构 上甲板的中部约110 m2的 面积用于载运风机部件 上甲板尾部两舷布置了 锚泊设备 3 3 运输能力 设计为运输3台3 MW的海上风电机组的 上部结构 包括 塔筒 风机舱 叶片和轮毂 风机 舱 叶片和轮毂的预组合方式可根据实际工程需 要和本船起重能力的限制采取合适的方式 3 4 起重能力 根据东海大桥海上风电场的3 MW风电机 组部件的规格 尺寸和重量 确定了本船起重设备 的能力 见表2 3 5 桩腿和提升系统 海上风电机组的分体安装对起重机的稳定 性要求非常高 所以此类船舶设计成自升平台 式或带桩腿船式 以使安装船在作业时不受环 境载荷作用下运动 以提高作业效率和有效作 业时间 831 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 海上风电机组运输 安装和维护船方案 何炎平 杨 启 杜鹏飞 谭家华 在船的左右两侧各设置了两根方形桩腿 长 度约35 m 采用绞车和滑轮系统升降 为每一根 桩腿分别设置1台提升和下降的绞车 提升桩腿 的能力为提升绞车能力的8倍 在下降桩腿后的 压桩能力为绞车能力的12倍 桩腿的外形和升降 钢丝绳走势图见图5 图5 桩腿外形和升降钢丝绳走势图 3 6 其他 配置120 t的全回转起重机 同时也具有大 的甲板空间 因此 如配置适合吊打的液压打桩 锤 本船也可以用作海上风电机组基础安装和运 输船舶 4 结束语 在不久的将来我国将更为迫切地需要专用的 海上风电机组安装和维护船舶 文中的方案是在 借鉴国外成功的经验和船型的基础上 结合我国 海上风电场实际的水文和地质条件以及风电机组 的规格等具体情况 经过与海上风电场业主和国 内配套设备上反复协商提出的 供类似船型的开 发和设计参考 参考文献 1 张蓓文 陆 斌 欧洲海上风电场建设 J 上海电力 2007 20 2 1292135 2 叶 宇 何炎平 海上风电机组构成 安装方式及典型 安装船型 J 中国海洋平台 2008 5 39244 3 葛 川 何炎平 海上风电场的发展 构成和基础形式 J 中国海洋平台 2008 6 31235 4 江 波 海上风电场施工方法初探 J 太阳能 2007 4 34236 Vessel for Offshore Wind Turbine Transportation Installation and Maintenance HE Yan2ping YANG Qi DU Peng2fei TAN Jia2hua School of Naval Architecture Ocean and Civil Engineering Shanghai Jiaotong University Shanghai 200240 China Abstract A technical solution of the working vessel with good stability was designed for Donghai Bridge offshore wind turbine transportation installation and maintain including its main principal general plan transportation and lift2 ing ability If the