【文章內(nèi)容簡介】 在海上風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)施工成本會隨海上安裝作業(yè)周期的延長而大幅增長。為了控制建設(shè)成本,需采用合適的設(shè)備吊裝方案,盡量縮短工期。介紹了幾種海上風(fēng)力發(fā)電場的設(shè)備吊裝方案、相應(yīng)的吊裝設(shè)備及現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。1 　引言現(xiàn)有離岸風(fēng)機(jī)包括基座(或稱樁基,基礎(chǔ)) 、風(fēng)機(jī)塔架、機(jī)艙(含葉輪) 這三個主要部件,相對于岸上風(fēng)機(jī)的安裝施工難度更高,安裝過程通常分為兩個階段,首先建造基座,然后在基座頂端吊裝風(fēng)機(jī)。實際建設(shè)海上風(fēng)電場時,吊裝工作除了基座、風(fēng)機(jī)之外,還包括變電站和電纜。海上安裝作業(yè)中,發(fā)生的任何問題或者設(shè)計失誤都會使原定安裝時間被拖延,造成設(shè)備的停工。如:Bockstigen 風(fēng)電場由于遭遇大風(fēng)阻礙了駁船正常執(zhí)行其起重功能,不得不停止海上施工,波濤洶涌的海洋環(huán)境影響了駁船順利展開起重配置工作,這使得開發(fā)商前期花費(fèi)大量精力研究確定的吊裝新方案難以發(fā)揮應(yīng)有的作用。Middel2grunden 風(fēng)電場在安裝地基的時候,一些連接好的電纜遭到破壞。幸好這起事故被預(yù)計到,因此建設(shè)承包商將備用電纜進(jìn)行替換,還為此買了保險。工程延誤是海上風(fēng)電場建設(shè)工作所面臨的最大的不確定性,這將急劇增加相應(yīng)的設(shè)備租借成本。因此,減少安裝作業(yè)的時間與未安排施工的停工時間同樣重要。項目開發(fā)商力圖通過預(yù)裝配以及岸上測量安裝程序等方法最大程度地減少施工成本。長期來看,該著眼于整體設(shè)計,成本控制的措施應(yīng)貫徹于整個安裝過程,并確認(rèn)各部分的經(jīng)濟(jì)性確實得到改進(jìn)。2 　風(fēng)電場建造周期風(fēng)電場的建造一般需幾個月。所有的安裝工作都受限于天氣條件,不可避免的會遇到天氣不理想或者不能開工的時期。在天氣相對平靜的夏季,風(fēng)速和海浪高度基本處于安全限內(nèi),選擇此時安排風(fēng)機(jī)安裝工作可以縮短工程周期。例如:丹麥Nysted 海上風(fēng)電場的機(jī)組吊裝工作在2003 年5～9月完成,英國Scroby Sands 海上風(fēng)電場的機(jī)組吊裝工作在2004 年7～10月完成。為了簡化安裝過程,至少簡化海上那部分的安裝作業(yè),縮短海上安裝周期,目前已經(jīng)提出不少風(fēng)電場的安裝方案。3 　風(fēng)電場安裝方案風(fēng)機(jī)安裝工程通常分為三步: 第一,安裝基座。第二,吊裝支撐塔架和機(jī)艙。第三,吊裝葉片?；蛘咴诘诙A段僅吊裝支撐塔架,第三階段吊裝機(jī)艙和葉片。風(fēng)機(jī)吊裝至基座上之前是在岸邊完成裝配,如先安裝好塔架各部分,再安裝機(jī)艙和葉輪。也有方案提出:為了進(jìn)一步縮短工程建設(shè)周期,在今后的工程中,風(fēng)機(jī)的基座和風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)該作為一個整體進(jìn)行安裝作業(yè),即將風(fēng)機(jī)安裝工程分為兩部分,首先安裝機(jī)組的基座,之后吊裝裝配好支撐塔架、機(jī)艙和葉輪的風(fēng)機(jī),選擇夏季24h 開工的話每天可以吊裝2 個,只是待裝風(fēng)機(jī)的暫時存放還是個問題。以Middelgrunden 風(fēng)電場建設(shè)為例,塔架的各部分是在岸邊預(yù)先安裝完畢之后運(yùn)輸至現(xiàn)場的地基上。值得一提的是,控制面板、開關(guān)盤和變壓器在運(yùn)輸過程中都放置于塔架的底部,運(yùn)至現(xiàn)場之后再提升至塔架中間層。Barrow 海上風(fēng)電場采用的風(fēng)機(jī),機(jī)艙、輪轂、兩片葉片都在岸上裝配。不僅各種新型海上吊裝作業(yè)方案的提出會影響吊裝設(shè)備的選擇,機(jī)組的升級也會影響吊裝設(shè)備的選擇。為了提高工程安裝效率,未來海上風(fēng)電項目中的單機(jī)容量會越來越大,迫切需要能夠承受惡劣天氣狀況和長時間作業(yè)的安裝船,確?？旖莸氖┕みM(jìn)度,降低成本。 m 之內(nèi),水深不超過15m 的施工現(xiàn)場。甚至是在海浪高度低于1 m 的地方,用傳統(tǒng)的海上起重機(jī)實施安裝作業(yè)也不太可行,因為海浪會影響起重機(jī)鉤子的水平偏移量?，F(xiàn)有的浮吊船大多不是特意為海上風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)安裝而設(shè)計制造。對于大型海上風(fēng)電場,機(jī)組超過50 臺的,應(yīng)通過使用安裝駁船來控制建設(shè)周期,完成建設(shè)任務(wù)。Opti2OWECS 報告針對歐洲海上風(fēng)電場施工工程公開的安裝方法進(jìn)行了很好的總結(jié),介紹如下:3. 1 　自升式安裝最早的海上風(fēng)電場吊裝方法是以自升式起重機(jī)吊裝塔架、機(jī)艙和葉輪。自升式起重機(jī)可為安裝工作形成一個穩(wěn)定的基座,也是打樁工程的首選。然而,其內(nèi)在穩(wěn)定性以及機(jī)動性不足,使塔架的安裝遇到問題。從船上卸載塔架部件并將它們提至機(jī)組裝配需要處的過程中,部件零散運(yùn)送更佳。自升式起重機(jī)平底船也可用作機(jī)組安裝前的打樁工作。Horns Rev 風(fēng)電場采用兩輛自升船(Buzzard jackup vessel 和Wind jackup vessel) 分別用于吊裝基座和過渡件、平臺、J 形管等配件。此外,還動用了一只船( Pompei jack2up vessel) 吊裝大理石加強(qiáng)層。在港口,起重機(jī)勾起了重1150t 的Eltra 變電站,并用駁船花費(fèi)70h 運(yùn)送至現(xiàn)場,抵達(dá)之后等到風(fēng)平浪靜之時啟動提升作業(yè),將變電站放置三角架式基座之上,待其安放就位后,起重機(jī)就可拆除提升設(shè)備,隨船返回海港。此外,像英國Scroby Sands 風(fēng)電場這樣近期建成的風(fēng)電場也采用了自升船。3. 2 　半潛式安裝原則上,從駁船上起吊風(fēng)機(jī)是最直接的安裝方法。對于執(zhí)行海上建設(shè)工作,半沉式起吊船是漂浮平臺中最穩(wěn)定的一種?，F(xiàn)有駁船的設(shè)計用于較遠(yuǎn)的海上作業(yè),在淺灘地區(qū)很難發(fā)揮作用。3. 3 　載運(yùn)船,平底船和地面起吊機(jī)載運(yùn)船和平底船在建設(shè)作業(yè)中的穩(wěn)定性不夠理想,較易受天氣狀況的影響導(dǎo)致工程的拖延。帶有旋轉(zhuǎn)起吊機(jī)的載運(yùn)船性能最佳,因此,需求量較大,且日租借費(fèi)可觀。配有尺寸合適的人字起重機(jī)的平底船,供應(yīng)較為充足,可較為經(jīng)濟(jì)地完成塔架安裝施工,且不受天氣狀況的影響。還有一種方法結(jié)合了旋轉(zhuǎn)起吊機(jī)和日租借費(fèi)低廉兩項優(yōu)勢,即采用地面起吊機(jī),只要風(fēng)平浪靜,這種系統(tǒng)的應(yīng)用十分令人滿意。圖1 　海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)輸與安裝系統(tǒng)英國專利“海上風(fēng)電場機(jī)組的安裝方法”(公告號:GB 2407114 ,公告日: 20050420 , 申請人:ARUP GROUP L TD( GB) 。 OVE ARUP amp。PARTNERS INTER2NAT L (GB) ,專利附圖如圖1 所示) ,專利摘要稱:一種安裝海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)的方法:由駁船26運(yùn)輸風(fēng)機(jī)至安裝現(xiàn)場,塔架的放置平行于駁船甲板,在安裝現(xiàn)場,令風(fēng)機(jī)在基座重力作用下旋轉(zhuǎn),直到塔架垂直于駁船甲板,基座置于海中。然后降低基座在海中的位置,基座可以通過填補(bǔ)壓艙物使風(fēng)機(jī)在重力作用下旋轉(zhuǎn)。3. 4 　漂浮式安裝漂浮式安裝方法是先將塔架在碼頭邊上豎起來,塔架被運(yùn)至現(xiàn)場,下放到預(yù)先安裝好的樁基上之前,一直保持垂直的方向,然后將塔架吊裝至岸邊的模擬樁基,用栓釘固定(栓釘被塔架覆蓋,且打入樁基) 。隨后將塔架垂直安置于駁船上準(zhǔn)備運(yùn)送,可通過特制或改進(jìn)現(xiàn)有的船只來滿足這種運(yùn)送條件。在碼頭邊,特制駁船裝上塔架并加以固定。待到漲潮時,駁船排放壓艙水使塔架與模擬樁基分開,一旦到達(dá)安全的水深位置,駁船即引入壓艙水作牽引之用。到達(dá)安裝現(xiàn)場時,駁船排放壓艙水(如果必須的話) ,安全地固定于海上風(fēng)電場的樁基上。然后再引入壓艙水使駁船下沉,以便安全調(diào)轉(zhuǎn)塔架的支撐件至樁基上。之后即松開緊固件,駁船被拖走。在Bockstigen 風(fēng)電場建設(shè)初期,認(rèn)為采用漂浮式駁船驅(qū)動樁基的建設(shè)時間會比采用其他方法的短,成本也更低。后來因為天氣原因造成的停工期,采用漂浮式駁船安裝重力型基座與打入樁基礎(chǔ)工程所花費(fèi)的全部時間與其它工程采用自升式船舶是相同的。這個包括了50 個風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場因為天氣原因而停工的時間相當(dāng)可觀,將近漂浮式駁船原定安裝風(fēng)機(jī)時間的2倍 。Kentish Flats 風(fēng)電場風(fēng)機(jī)吊裝采用具有沉水式柱腿的大型吊裝船。為了減少海上施工量,塔架和機(jī)艙預(yù)先在港口已經(jīng)裝配就緒。一旦起吊船抵達(dá)基座旁,塔架就立刻安放上基座,然后將預(yù)先安裝好2 個葉片的機(jī)艙安放在塔架上,并在上翼緣處鎖住,最后采用定制的提升設(shè)備將第三個葉片安至機(jī)艙上。安裝過程十分重要,應(yīng)在天氣晴好時進(jìn)行。在最后安裝與最后緊固螺栓階段,吊裝船仍需在一旁待命。如何選擇安裝方案取決于機(jī)組的裝配設(shè)計、基座結(jié)構(gòu)、施工現(xiàn)場,以及一定程度上取決于維護(hù)這個機(jī)組所采用的方法。4 　風(fēng)電場安裝設(shè)備早期安裝海上風(fēng)電機(jī)大多是通過自升式駁船或者漂浮式起重船實現(xiàn)。兩者之間的選擇取決于水深、起吊機(jī)的能力和駁船的載重量。起吊機(jī)應(yīng)具備提升風(fēng)機(jī)主要部件(塔架、機(jī)艙、葉輪等) 的能力,其吊鉤提升高度應(yīng)大于機(jī)艙的尺寸,確保塔架和風(fēng)機(jī)裝配件的安裝?，F(xiàn)有的起重船并非為海上風(fēng)電機(jī)組的安裝而特別設(shè)計,因此,現(xiàn)在已經(jīng)有不少機(jī)構(gòu)在設(shè)計制造用于大型的海上風(fēng)電場(尤其是機(jī)組數(shù)量超過50臺) 的電場安裝設(shè)備。4. 1 　吊裝設(shè)備相關(guān)專利歐洲專利“海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)輸與安裝系統(tǒng)”(公告號: EP1321670 , 公告日: 2003206225 , 申請人/ 發(fā)明人: PLAMBECK NORBERT (DE) ,專利附圖如圖2 所示) 所公布的系統(tǒng)包括至少一個陸上驅(qū)動裝配車,裝配車上配備有支撐和提升設(shè)備,用于建設(shè)海上風(fēng)電系統(tǒng)或?qū)⒃O(shè)備轉(zhuǎn)移至裝配車上,該系統(tǒng)還包括一個浮船塢,作為可調(diào)整高度的升降平臺,海上支撐和運(yùn)輸載有海上風(fēng)電設(shè)備的裝配車。升降平臺中包括至少一個留給裝配車的泊位,海上風(fēng)電設(shè)備通過陸上和升降平臺之間的調(diào)轉(zhuǎn)輔助工具運(yùn)至升降平臺(無需吊車) ,并運(yùn)送至海上風(fēng)電場地基所在之處,再由升降平臺放下即可。歐洲專利“運(yùn)輸海上風(fēng)電機(jī)組的升降駁船”(公告號: EP1384883 , 公告日: 2004201228 , 申請人/ 發(fā)明人: PLAMBECK NORBERT (DE) ,專利附圖如圖3 所示) 所公布的海上平底船主要由運(yùn)載設(shè)備和輸送設(shè)備組成,其中包括帶有輪軸和葉片的完整的機(jī)架,它們用于靜態(tài)的海上風(fēng)電場,提升平臺上裝有一個船桅機(jī)構(gòu),船桅機(jī)構(gòu)帶有一個支撐單元。運(yùn)載設(shè)備接收并轉(zhuǎn)運(yùn)海上風(fēng)電場的豎直塔架,塔架可以在岸上或者海岸邊裝配好,無需起吊機(jī),該設(shè)備的特點(diǎn)在于轉(zhuǎn)運(yùn)的安全性。圖2 海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)輸與安裝系統(tǒng)圖3 運(yùn)輸海上風(fēng)電機(jī)組的升降駁船其它相關(guān)的專利還有US2006120809 、EP1634998 、J P2003293938 等,詳細(xì)內(nèi)容,可在歐洲專利局網(wǎng)站通過輸入專利號的方法檢索到相應(yīng)專利。4. 2 　風(fēng)力發(fā)電機(jī)吊裝船A2Sea ,Seacore , MPI 等公司是風(fēng)電場建設(shè)用起重船的重要供應(yīng)商,他們曾為英國ScrobySands 海上風(fēng)電場,丹麥Horns Rev、Nysted 風(fēng)電場等10 多個海上風(fēng)電場的吊裝工作提供了“MVOCEAN ADY”號自升式駁船、“Excalibur”號自升式駁船等系列吊裝設(shè)備?！癕ayflower resolution”吊裝船(圖4略) 是一艘大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)吊裝船,為North Hoyle風(fēng)電場安裝過數(shù)臺風(fēng)機(jī), 為Kentish Flats風(fēng)電場安裝過樁基。由英國海洋工程國際公司(Marine Project International , 簡稱MPI) 所有,中國秦皇島的山海關(guān)船廠承建,丹麥工程師Knud E. Hansen 等人設(shè)計, 長寬高為130. 5 m 38 m 8 m ,允許風(fēng)機(jī)塔架的最大高度可達(dá)100 m ,葉片直徑達(dá)100 m ,配備的起重機(jī)具有300 t 的起重能力,載重能力為10 個風(fēng)機(jī)的部件,主要應(yīng)用于英國海岸的北海或歐美等擬建風(fēng)電場的機(jī)組安裝,可以在天氣晴朗的時候進(jìn)行安裝作業(yè)。船上懸掛馬恩島(位于英國和愛爾蘭之間的一個島國) 的國旗,船員都是歐洲人,他們在船舶操控、定位、起重等方面具備超強(qiáng)能力。MPI對于該船提高吊裝效率表示非常樂觀。該船具有6 個帶有用液壓升降系統(tǒng)柱腿,標(biāo)有DNV 符號(即滿足DNV 的標(biāo)準(zhǔn)) ,集合了漂浮式起重機(jī),動力定位系統(tǒng)和自升降單元?？稍谒?5 m 處施工。14 天能安裝10個3. 5 MW 的風(fēng)機(jī),并行建設(shè)的有電纜鋪設(shè)或連接。A2SEA 公司的“MV OCEAN ADY”號自升式駁船,具有一個450 t 的,可在海上平穩(wěn)操作的起重機(jī),并可實現(xiàn)海上快速運(yùn)輸。2004 年3月26日至2004 年5 月14 日期間吊裝了24 臺風(fēng)機(jī)。Seacore 公司的“Excalibur”號自升式駁船,可同時運(yùn)載2 個完整的風(fēng)力發(fā)電機(jī),轂高為60 m ,12天內(nèi)吊裝了6 臺渦輪機(jī)。圖5 　“MV OCEAN ADY”號自升式駁船4.