海上风电机组运输、安装和维护船方案

1、海上风电机组运输、安装和维护船方案第38卷第4期20O9年8月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGVo1.38No.4Aug.2009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(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240)摘要:根据东海大桥风电机场需要设计一艘海上风电机组运输,安装和维护船方案,介绍该方案的主要要素,总布置,运输和起重能力,桩腿和升降系统,在配备液压打桩锤时,本船还可以用于安装海上风电场的基础,供开发和设计此类船舶参考.关键词:海上风电场;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:16717

2、953(2009)04013604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.全球范罔内诸多国家广泛研究和开发利用海上风力发电,尤其是欧美等发达同家,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l风力发电场,到2006年末,全球运行了超过900Mw装机容量的海上风电场,几乎所有海L风电场都在欧洲.我国出台的可再生能源中长期发展规划中再次突了对水能,风能,太阳能的重点支持,预计到2020年风力发电总容量达到3015万kw.我国的风能资源主要分布

3、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l.表l我国正在筹建的海上风电场Mw收稿日期:2008一l229修回日期:20090312资助项目:家科技支撑计划(2006BAA01A25).作者简介:何炎平(1971一),男,博士,副教授.研究方向:船舶与海洋丁程专业教学,研究和设计.E-mail:.Crl】362 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_2.海上风电机组和陆上风电机组从

4、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组装风机部件,以减少起吊次数和高空安装作业T作量现今海上分体安装主要有两种方式:叶式安装和兔耳式安装.2.1.1.二叶式安装在陆上把风电机组的二三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

5、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.一图1三叶式风电机组安转海上风电机组运输,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免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

6、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,需要保证下部塔简与上部塔筒之间准确对位,上部塔简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80m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14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

7、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4000t，对应4000t起重量的桅杆长度68171_，对应3256t起重量的桅杆长度为82m,这种T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.电机组图4”南疆”号整体安装海上风电机组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

8、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3800t起重铺管船在离岸70km的渤海绥中361油田完成了1座海上风电机组的安装.中海油在该油田30m水深的一个导管架上安装了1台1.5MW永磁直驱风力发电机组,铺设了1条5km长的海底电缆至绥中361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

9、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12,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137第4期船海工程第38卷时受环境的影响小.我同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0.43m,3.83131和10.67m.盐城东沙风能地带处于南洋潮与北洋潮的交汇处,江河人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

10、沙”，埋深lm以下地层承载力达到100-140kN,8m以下达到180kN,16ITI以下达到230kN，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设计条件环境网素条件环境冈素条件作业最大风级蒲氏6级相对湿度35°C大约为90%最高室外温度40C波高&1t;2.8m最低室外温度15C波浪周期6S机舱温度55C流速才2.2m?s_

11、.最高海水温度32C作业水深才18m最低海水温度.座底作业水深2.0m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:CSAOffshoreSupplyVessel,R1,CSMBRC,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,风机塔筒系同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

12、驱动.在中部的艏尖舱内设置有2台侧推装置.13R表2主要要素要素确定值要素确定值总长lO2.o13q定位桩腿尺寸2.80mX2.80II】垂线问长96.0m定位桩腿长度35.0m型宽30.0m主发电机组4xl200kW型深8.0m停泊发电机组2x250kW设计吃水5.0m应急发电机组200kw航速9.2kn推,4X8ookW（360.全回转）主甲板梁拱0.0m艏侧推2x440kW最大工作水深18.0m起重能力（吊重120tx22m最底作业水深2.0mx吊幅x吊高）x87m4 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.上甲板的艉部中问还设置甲板室,用以布置COz问和应急发电机问,并作为起重机在航行时的支撑和同定结构.上甲板的中部约110m2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3Mw的海上风电机组的上部结构,包括