浅析海上大容量风电机组安装工程技术

谢瑞金

摘要：风能被认为是成本最低、增长最快的可再生清洁能源选择之一，预计全球范围内将在未来十年将风能占其整个国家能源供应的比例提高到约20%。与传统能源相比，风力发电具有较多优势，如建设周期短、成本低和综合效益好，能够在提供能源的同时减少环境污染。而海上风电由于具有风能稳定、密度大等优点，在世界范围内已逐渐发展成为风力发电的重要形式。基于此，本文主要对海上大容量风电机组安装工程技术进行论述，详情如下。

关键词：海上大容量；风电机组；安装技术

引言

海上大容量风电机组容量日趋增加，离岸也逐步向深海、远海进发，对海上风电安装工程带来严峻的考验，尤其是深海环境更加恶劣，存在着海流、波浪、潮汐、内波等多种水文现象以及腐蚀、冲刷、淘空等长期理化作用，对风机基础、海底电缆、海上平台集成等技术提出了更严苛的要求，因此需要重新评估和考虑机组基础型式和安装方式。

1海上整体式安装

海上整体式安装，是在安装海域附近的陆地码头上拼装，将塔筒、机舱、发电机、叶轮全部拼接完成，然后使用大型的起重船与托轮船将风机整体运输、吊装至海上指定的机位。2010年，中国第一个海上风电场某大桥100MW海上风电项目，共计34台3MW海上风电机组采用了此种整体安装方式。海上整体安装适用于机组容量小、离岸距离近、海况好的风电场。随着风电整机技术、吊装配套船舶技术的进步，当今海上风电机组单机容量已经达到了7～10MW左右，整机重量也成倍数增长，场址海域离岸距离逐步增大，海水深度约15～40m，浪涌等海况条件越来越恶劣，整体式安装从吊装船、托轮运输船选择及施工成本综合考虑，已不再具有优势，取而代之的为海上分体安装，更适合于当前单机容量大、深远海区域、风机度电成本下降的新能源市场环境。

2发电机安装

按照设计图纸安装发电机吊具;主吊车与辅吊车同时起吊挂点试吊发电机;起吊至距离甲板面约4m高度;主吊与辅吊配合完成发电机翻身，通过吊具液压装置或电动装置调整发电机的仰角，与机舱对接法兰面的倾角保持一致(一般仰角角度约5°);提升发电机至机舱高度;通过缆风绳、机舱法兰面定位销完成与发电机螺栓孔位对接;安装连接螺栓，分三次在圆周方向均匀对称预紧螺栓力矩至设计值。发电机吊具的设计与正确规范使用，是大容量海上直驱机组吊装的重点与难点，受发电机本体结构的差异，吊具的设计与使用区别较大。以10MW机组为例，发电机吊具采用了驱动端朝下、落地空翻的方式，安全系数高，但操作性繁琐。

3海上风电机组支撑结构状态评估

海上风电机组的单机容量、结构尺寸和基础型式向着大型化、多样化发展，常见的基础型式有：单桩基础、高桩承台基础、导管架基础、重力式基础及漂浮式基础等，由于单桩基础具有结构简单、施工快捷、受力相对明确等特点，是目前近海风电场中应用最广泛的一种基础类型。对单桩基础风电机组而言，当达倾覆力矩到一定程度时，风电支撑结构会发生倾斜、不均匀沉降、局部结构破坏等风险，严重时甚至会造成倒塔现象。1.在10m/s的额定风速条件下，应力和位移达到最大值，这与风机的变桨控制有关，当风机未达到额定风速时，应力、位移与风速成正相关；当达到额定风速时，风荷载作用于风机叶片而产生的空气动力荷载最大，使得支撑结构的受力达到最大；而当风速持续增大时，风机控制系统开始改变桨距角，使得风与叶片的接触面减小，受力减小，进而导致支撑结构的位移和应力降低。2.海上风电机组支撑结构的应力、位移最大值一般出现在法兰连接处，原因为整个支撑结构在法兰连接位置具有较高的应力集中。3.新增工况的仿真结果验证了响应面模型的准确性，由此可对其他工况条件下的应力值进行快速预测，对34种风速、21种流速、21种冲刷深度组合的14,994种工况进行快速计算，获得了支撑结构的应力值表，快速提取了结构的应力失效值及对应的失效工况。

4数据驱动风电机组偏航误差在线智能识别

传统风电机组采用的风向测量方式普遍存在测量误差。偏航误差的存在会造成机组发电量的损失和机组不平衡载荷增加，直接影响机组发电效率和安全稳定性。因此，亟需一种智能化的偏航角度误差识别方法。基于增量数据驱动的风电机组全风速下偏航误差在线式智能识别方法分为4个部分：异常数据清洗、三维特性曲面拟合、全风速偏航误差曲线识别和增量特性曲面修正。异常数据清洗：根据风电机组主要参数的关联度，生成“风速-功率-偏航误差”三维特性曲面。为了消除异常数据点对整体分布规律和各变量间对应关系的影响，首先剔除机组启停、限功率和停机数据。然后，基于改进的DBSCAN算法对测量误差、过度过程等异常离群数据进行识别和校正。

5风电机组基础混凝土温控防裂

风机基础不同于其他大体积混凝土结构，其兼具高耸建筑物和动力基础的特性，对结构的整体性有较高的要求，且由于温度场的不均匀性，及外部环境的复杂多变，使整个结构成为一个复杂的三维不稳定温度应力场。故掌握热力学性能等影响因素对风机基础混凝土温度应力场的影响规律，不仅能有效避免风机基础混凝土产生温度裂缝。风机基础混凝土在浇筑初期，表面拉应力增长迅速，极易产生早期表面裂缝；内部随着温度的逐渐降低在后期会产生较大的拉应力，可能超过混凝土抗裂能力而产生裂缝。减小绝热温升能够明显降低基础内部最高温度，从而减小基础内外温差，对降低内外拉应力都会起到积极的影响。风机基础表面和内部最大应力对绝热温升、弹性模量和线膨胀系数较为敏感。实际工程中应重点关注以上3个参数的实际数值，以便更好地控制基础表面和内部的应力水平，以减少温度裂缝的产生。为避免风机基础出现温度裂缝，应选择合适的骨料种类，选取高导热系数、低弹性模量的混凝土，通过优化配比来降低混凝土线膨胀系数和绝热温升。

6风扇叶安装

风机扇叶叶片对材料的质量、刚度和强度要求较高，要求高强度、低实度叶片，采用环氧碳纤维树脂、高性能环氧乙烯基酯树脂等新型轻质材料制成的柔性叶片，可使叶片同比减重20%~40%。风叶安装多采用分体安装方式，指在目标海域按照基础→塔筒→机舱→叶片的顺序依次将机组的各主要部件装配成一个整体，但海上吊装作业时间窗口较短，叶轮的平均吊装时间为8 个小时，大兆瓦机组叶轮的三叶式吊装，对风速的要求更高，在高于8m/s 平均风速条件下就难以吊装，很大程度上影响整个机组的吊装进度，带来的是风电场建设竣工时间的延迟和吊装成本的增加。

7塔筒安装

一般风机机舱安装的流程如下：挂好机舱专用吊具，拆掉运输支架，装上风绳，用于引导机舱的方向，启动主吊，提升机舱，在机舱的偏航齿圈端面离塔架上法兰足够近的距离时，吊机停止，用导向棒对准安装螺孔，完成机舱安装。目前关于机舱安装的研究比较少，10MW单桩式海上风机的机舱塔筒配对阶段，机舱的运动幅度比塔筒小，并且调谐质量阻尼器可用于改善配对过程。他们在分析过程中使用恒定阻力系数来计算机舱所受气动力，由于机舱有尖锐的边缘，在风中可能会经历涡旋脱落，因此需要先进的计算方法或实验方法来精确模拟非稳态气动力环境。

结语

总之，海上风电项目建设者在选择安装技术方案时，要从方案可行性论证、海况研判、成本与工期权衡等多维度综合评估，要充分识别工程的各种风险和不确定性，通过科研攻关解决技术和工程风险，选择自身项目最合理的吊装方案，保障风电工程项目安全、高效实施，保证后续运营的安全性，助推中国海上风电产业高质量发展。

参考文献

［1］GB/T50571－2010，海上风力发电工程施工规范［S］.

［2］黄发灿．海上风电机组安装技术研究［J］．中文科技期刊数据库(级版)工程技术，2016(11):25－25.