海上風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)備安裝是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括機(jī)組的基礎(chǔ)施工技術(shù)、機(jī)組的預(yù)裝配工藝、海上吊裝技術(shù)、安裝船舶的調(diào)度使用、電纜與海上變電站的布置等。

由于海上設(shè)備安裝的技術(shù)要求高，同時(shí)受到氣候、天氣、波浪、水流等隨機(jī)因素制約，是目前限制海上風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。相關(guān)的施工設(shè)計(jì)和作業(yè)中任何失誤，都有可能造成工期延誤。而對(duì)于大部分海上風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，安裝只能在一定的季節(jié)范圍進(jìn)行，工期延誤對(duì)整個(gè)工程會(huì)產(chǎn)生決定性的影響。

因此，選擇合適的安裝方法對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)至關(guān)重要。在上述技術(shù)環(huán)節(jié)中，有關(guān)機(jī)組基礎(chǔ)施工技術(shù)的研究尤為重要。本文將結(jié)合丹麥HornsRev海上風(fēng)電場(chǎng)和中國(guó)東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)工程，對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行初步討論。

1　風(fēng)電機(jī)組安裝基礎(chǔ)的類型

海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)形式主要取決于水深和海底地質(zhì)條件，同時(shí)與機(jī)組的安裝方法有關(guān)?？蛇x擇的基礎(chǔ)形式較多，主要有重力式基礎(chǔ)、單樁或多樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、吸入沉箱基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)等。在目前已建成海上風(fēng)電場(chǎng)中，較多的應(yīng)用了圖1所示的重力式或單樁(多樁)式基礎(chǔ)。

1.1重力式基礎(chǔ)

一般而論，重力式基礎(chǔ)適合水深度較淺的區(qū)域，但在過(guò)淺的區(qū)域可能會(huì)受到波浪的影響。如圖1a所示，重力式基礎(chǔ)的沉箱大部分可在岸上制造完成，且不需要打樁，因而成本較低。

在置放重力式基礎(chǔ)前，通常需要對(duì)海底進(jìn)行預(yù)先的平整處理，鑿開(kāi)海床表層換以層鋪的沙礫層。此后，使用駁船運(yùn)送或漂浮拖駁至場(chǎng)址，基礎(chǔ)就位之后再用混凝土將其周邊固定。

重力式基礎(chǔ)可分為混凝土重力式基礎(chǔ)和鋼結(jié)構(gòu)重力式基礎(chǔ)。混凝土重力基礎(chǔ)的制造工藝簡(jiǎn)單，完全依靠自身的重力置于海底，適合于各種類型的海床。早期的海上風(fēng)電場(chǎng)一般采用混凝土基礎(chǔ)，但是由于其巨大的質(zhì)量(如某工程的單個(gè)基礎(chǔ)達(dá)1800噸)，給運(yùn)輸和安裝施工帶來(lái)很大的困難。鋼結(jié)構(gòu)重力式基礎(chǔ)雖然同樣需要制作重力沉箱，但可根據(jù)海況設(shè)計(jì)和制造鋼結(jié)構(gòu)，在安裝就位后，再根據(jù)需要向鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中澆注高密度的橄欖石壓載，達(dá)到基礎(chǔ)重力的設(shè)計(jì)要求，使其整體重量得以大幅度降低，更便于安裝和運(yùn)輸。但鋼制基礎(chǔ)不適合腐蝕性強(qiáng)的海域。

1.2單樁和多樁基礎(chǔ)

如圖1b所示的樁式基礎(chǔ)是海上機(jī)組的另一種常用基礎(chǔ)形式。此類基礎(chǔ)通常有兩種施工安裝方法，一種是在指定地點(diǎn)，采用打樁錘將管狀樁基打人要求的海床深度；另一種是使用鉆孔機(jī)在海床鉆孔，裝入樁后再用水泥澆注。

與重力式基礎(chǔ)比較，樁式基礎(chǔ)通常適用于較深的海域，水深可達(dá)到30m以上。由于樁基與塔架都為管狀，因此在現(xiàn)場(chǎng)其間的連接更便捷些。但對(duì)于基巖層距離海床遠(yuǎn)或堅(jiān)硬巖石海床，打樁的過(guò)程可能需要增加較多成本，甚至難以實(shí)施。

對(duì)于水深度較淺且基巖離海床表面很近的位置，單樁式基礎(chǔ)是好的選擇，相對(duì)較短的巖石槽即可以承受整個(gè)機(jī)組結(jié)構(gòu)的傾覆力距。丹麥的HornsRev海上風(fēng)電場(chǎng)即采用了單樁基礎(chǔ)。單樁式基礎(chǔ)還可以衍生出拉索塔單樁作為改良。

多樁基礎(chǔ)近年也得到一些工程的采用，我國(guó)東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)即采用了此種基礎(chǔ)形式。多樁基礎(chǔ)的施工，需要將多根制作好鋼管樁用船舶運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，然后由現(xiàn)場(chǎng)打樁船打樁到要求的海床深度。利用樁樁基礎(chǔ)，通過(guò)鋼套箱模板澆注混凝土制作基礎(chǔ)，再將多根樁連成整體。在基礎(chǔ)滿足強(qiáng)度要求后，將鋼套箱進(jìn)行拆除處理。

通常多樁比單樁基礎(chǔ)適用的海域要深些，且更適合于淤泥層較厚的海域。多樁基礎(chǔ)采用的樁也相對(duì)較長(zhǎng)，如東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)所用樁長(zhǎng)度超過(guò)了80米。

2　海上風(fēng)電機(jī)組安裝船

海上風(fēng)電場(chǎng)的施工安裝，無(wú)論是機(jī)組本體還是基礎(chǔ)，都需要有相應(yīng)能力的運(yùn)輸工具運(yùn)送到風(fēng)電場(chǎng)址，并配備適合安裝方法的起重設(shè)備和定位設(shè)備。

近年來(lái)歐洲一些海洋工程公司相繼建造和改造了多艘專門(mén)用于海上風(fēng)電機(jī)組安裝的工程船舶。在丹麥的HornsRev海上風(fēng)電場(chǎng)施工中，即采用了首艘風(fēng)電機(jī)組專用安裝船舶“五月花”號(hào)。該安裝船于2004年開(kāi)始服役，具備自升和自航能力，且具有較高的安裝效率。

“五月花”號(hào)安裝船，屬于采用單獨(dú)安裝方式的船舶。不僅具備安裝能力，同時(shí)也擁有較大的載貨能力。該船舶淺吃水、能適應(yīng)惡劣天氣，一次能夠運(yùn)載10臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，具備一年安裝200臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的能力。

“五月花”船的設(shè)計(jì)還考慮了風(fēng)電機(jī)組的高度要求，具有6根調(diào)整樁腿，能夠在安裝時(shí)根據(jù)需要升至距海面3～46m的距離。

我國(guó)的海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)剛剛起步，尚缺乏專業(yè)安裝施工船舶，目前只能采用以往安裝橋梁的船舶替代。圖3是用于東海大橋海上風(fēng)電機(jī)組吊裝的“奮進(jìn)”號(hào)安裝船。

工程實(shí)踐表明，此類安裝船在風(fēng)電機(jī)組安裝適應(yīng)性方面存在著較多問(wèn)題，亟待開(kāi)展相關(guān)的研究，盡快研制出專業(yè)的安裝船舶。

3　風(fēng)電機(jī)組安裝方法及發(fā)展趨勢(shì)

海上風(fēng)電機(jī)組安裝的目標(biāo)都是以適當(dāng)?shù)耐度氡M量減少海上作業(yè)時(shí)間，減少海上安裝的不確定性，從而節(jié)約總成本并避免工期延誤。目前海上風(fēng)電機(jī)組安裝的方法主要有兩種：一、風(fēng)電機(jī)組傳統(tǒng)吊裝法，二、風(fēng)電機(jī)組整體吊裝法。

3.1傳統(tǒng)吊裝方法

傳統(tǒng)吊裝法經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，在海上風(fēng)電機(jī)組安裝中的應(yīng)用廣泛。此類安裝方法主要分為3個(gè)步驟：

(1)機(jī)組的基礎(chǔ)樁安裝；

(2)風(fēng)電機(jī)組塔架部件的安裝；

(3)機(jī)組的機(jī)艙及葉片部件安裝。

丹麥的HornsRev和歐洲的一些海上風(fēng)電場(chǎng)采用了這種吊裝辦法。

在采用傳統(tǒng)吊裝法的施工過(guò)程中，基礎(chǔ)、塔筒和機(jī)艙及葉片安裝需要在海上，分不同階段來(lái)完成。用合適的運(yùn)輸船船將基礎(chǔ)樁運(yùn)輸?shù)轿?，用打樁船把樁打到海底；然后需要在基礎(chǔ)樁上安裝船舶登靠設(shè)施、J形管、懸梯、平臺(tái)等輔助設(shè)施，布好海纜后，再使用起重船進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組塔架的分段吊裝；此后分別吊裝機(jī)艙、輪轂和葉片部件。

海上機(jī)組的傳統(tǒng)吊裝法的實(shí)施過(guò)程，可以完全分開(kāi)的各個(gè)部件，也可以是在一定程度上在岸上進(jìn)行一些部件的預(yù)組裝。例如，比較常用的所謂“兔耳朵”式的運(yùn)輸方式，即先在岸上將機(jī)艙內(nèi)的部件安裝好，并將2片葉片預(yù)裝在輪轂上；通過(guò)駁船運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)， 進(jìn)行塔架、機(jī)艙和“兔耳朵”式風(fēng)輪部分吊裝后，后將1片葉片安裝到位。

上述吊裝通常需要10～15小時(shí)的時(shí)間，完成后需要通過(guò)直升機(jī)或小艇將工作人員運(yùn)送到風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組上的調(diào)試。

上述的風(fēng)電機(jī)組傳統(tǒng)吊裝法，由于安裝過(guò)程主要在海上完成，安裝時(shí)間長(zhǎng)短與天氣的關(guān)系極大。若遇不好天氣，會(huì)嚴(yán)重影響安裝的進(jìn)度計(jì)劃。同時(shí)，安裝后的風(fēng)電機(jī)組調(diào)試過(guò)程也需在海上完成，可能出現(xiàn)的機(jī)組故障，也會(huì)導(dǎo)致初期成本大幅度增加。

3.2風(fēng)電機(jī)組的整體安裝方法

風(fēng)電機(jī)組整體安裝是一種施工新技術(shù)，其設(shè)計(jì)原則遵從了“能在陸上安裝就不在海上安裝，能在地面安裝就不在高空安裝”的理念：將包括風(fēng)電機(jī)組的塔架、機(jī)艙及葉片預(yù)先在岸邊的船上整體安裝并調(diào)試，然后再整體運(yùn)送到場(chǎng)址進(jìn)行安裝。由于機(jī)組的整體均在岸邊裝配甚至預(yù)試車(chē)，可以降低海上天氣對(duì)安裝的影響和海上試車(chē)的故障率。

英國(guó)Beatrice海上風(fēng)電場(chǎng)和我國(guó)東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組安裝中，試用了這種整體安裝方法。其基本安裝工藝步驟為：

(1)將機(jī)組的機(jī)艙吊上位于陸上的替代塔架

(2)將三葉片與機(jī)艙的輪轂進(jìn)行對(duì)接

(3)將三段塔筒在岸邊的運(yùn)輸船上垂直組裝為塔架，

(4)將已安裝好的機(jī)艙與葉輪整體吊裝到塔架的頂端。

(5)風(fēng)電機(jī)組豎直安裝在運(yùn)輸船上，并固定在預(yù)先準(zhǔn)備好的安裝支架上，

在運(yùn)輸過(guò)程中，需要使風(fēng)電機(jī)組始終保持豎直狀態(tài)，到達(dá)海域場(chǎng)址后，再用大型船舶吊機(jī)將風(fēng)電機(jī)組吊裝到基礎(chǔ)的基座。

整體安裝的難點(diǎn)，主要在于運(yùn)輸過(guò)程中如何保護(hù)體積和重量巨大的風(fēng)電機(jī)組。同時(shí)，在海域吊裝過(guò)程進(jìn)行機(jī)組本體與基礎(chǔ)的基座對(duì)按時(shí)，需要解決機(jī)組構(gòu)件對(duì)基礎(chǔ)的沖擊等問(wèn)題。

3.3兩種安裝方法的比較

上述的這兩種風(fēng)電機(jī)組吊裝的方法各有優(yōu)劣，目前在歐洲運(yùn)用廣泛的仍然是傳統(tǒng)的吊裝方法。而在我國(guó)的后續(xù)海上風(fēng)電工程中，可能會(huì)更多的考慮使用第二種方法。由于減少海上作業(yè)時(shí)間是降低安裝成本的有效途徑之一，各國(guó)都在不斷研究和改良安裝海上風(fēng)電機(jī)組的方法。但隨著風(fēng)電機(jī)組的大型化，滿足大型風(fēng)電機(jī)組吊裝要求的起重機(jī)面臨數(shù)量不足、成本過(guò)高的問(wèn)題，因而各種吊裝方法也在研究和實(shí)踐之中。

3.4海上機(jī)組安裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

海上存在了許多不可以預(yù)測(cè)的因素，為了降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始著手研究海上機(jī)組的基礎(chǔ)制造與風(fēng)電機(jī)組整體安裝總成方法。此種安裝技術(shù)，是在上述風(fēng)電機(jī)組整體安裝的方法基礎(chǔ)上，將機(jī)組的基礎(chǔ)與風(fēng)電機(jī)組本體(包括塔筒、機(jī)艙及風(fēng)輪)作為一個(gè)整體，再利用基礎(chǔ)的浮力，由駁船直接牽引到風(fēng)電場(chǎng)址，后通過(guò)加載或壓載直接將基礎(chǔ)連同風(fēng)電機(jī)組安裝在海底。

4　結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式?jīng)Q定風(fēng)機(jī)設(shè)備的安裝方式，至今制約著我國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素，是缺乏離岸型風(fēng)電機(jī)組的專業(yè)安裝船舶。目前，包括三一重工、振華重工在內(nèi)的國(guó)內(nèi)設(shè)備制造廠家開(kāi)始進(jìn)入專業(yè)海上風(fēng)電機(jī)組吊裝船的制造領(lǐng)域。但是，為使專業(yè)安裝船舶適應(yīng)海上風(fēng)電機(jī)組的吊裝要求，還必須要對(duì)大型海上風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展進(jìn)行有前瞻性的預(yù)測(cè)，以滿足未來(lái)海上風(fēng)電場(chǎng)不斷變化的安裝要求。

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