海上风电机组安装装备与技术的发展

海上风电机组安装装备与技术的发展

夏艳慧

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州311122）

摘要：海上风电是风电技术中的较为先进的一种，也是安装难度最大的一种，为此，本文从国内外海上风电发展现状出发，分析了海上风电机组安装装备以及现阶段海上风电机组安装技术及安装装备，最后对海上风电机组安装技术及安装装备的发展趋势进行了总结，旨在为海上风电机组安装装备和技术的高效率和高质量应用奠定基础。

关键词：海上风电机组；安装装备；安装技术

引言：

风能属于一种可以再生的能源，该类型能源的应用和开发符合现阶段环保主义的要求，也是目前为止最具备开发商业价值的能源。风能开发可以分为陆地开发方式和海上开发方式两种类型，陆地开发方式发展时间较长，相开发部门已经掌握了相对健全的开发方式，但是其应用存在一定的局限性，如电能浪费、用电距离较远等，而海上开发作为一种新型的开发风能开发方式具有显著意义。

1.国内外海上风电发展现状

1.1国际海上风电发展现状

自从进入到2012年之后，全球的海上风电发展取得了较快的进步，截止到2017年年底，全球海上风电机组设备总体的容量已经达到了18.81GW，较2012年增长了13.4GW，其中有将近90%的新装海上风电机组位于欧洲，另外10%海上风电机组位于东亚。

1.2国内海上风电发展现状

截止到2017年年底，我国海上风电机组设备总体的容量已经达到了4.8GW，成为了世界上海上风电机组设备容量较多的几个国家之一。在此需要注意的是，我国海岸具有一定的特殊性，因此，我国的海上风电建设现阶段主要以潮间带风电场为主，其中有将近70%的潮间带风电场机组被安装在潮间带位置。

2.海上风电机组安装装备

2.1叶片

叶片是海上风电机组设备的必备装备，水平轴海上风电机组设备通常应用的是3桨叶叶片叶片配置方案，在海上风电机组设备中，只有海风吹动叶片之后才可以实现对发电，并且叶片的直径直接决定了风电机组的发电功率。通常情况下，常见的风电机组发电功率在3-5MW之间，因此其叶片直径大部分在45-60m之间。现阶段，科研人员在研究功率更大的风电机组，这代表叶片直径长度需要进一步延长。

叶片需要长期在相对恶劣的环境下运转，为了实现对海上风能的高效应用，设计人员需要确保叶片制作材料的质地较轻、耐腐蚀性较强、运行强度较高等特点。基于上述设计要求，风电机组中的叶片通常由复合材料制作而成，目前应用频率最高的是玻璃钢叶片，但是随着风电机组运行功率和叶片直径的逐渐增加，未来的风电机组叶片会以强度更好的碳纤维合成材料为主。

2.2风机舱与轮毂

轮毂指的是风机最前段的一个设备，在其上安装好风叶便可以实现自行转动，其内部有能够连接齿轮箱的结构。风机舱中则设置了发电机、低速轴、高速轴、油水冷却装置、维修设备等装置。

2.3塔筒

塔筒属于风机基础设备的一种，主要的应用功能是支撑风机舱，以此来确保叶片能够保持最佳的运行高度，塔筒的内部结构通常是空心管状，并且以塔筒的具体高度为依据，分为了2-3段，每段通过法兰连接，塔筒的直径直接关系到了风机的运行功率，运行功率在3MW之上的风电机组，其塔筒高度会超过80米。

3.现阶段海上风电机组安装技术及安装装备

3.1整体安装技术

在整体安装技术的应用下，安装团队需要将风电机组中的塔筒、风机舱、轮毂、叶片等装置在预安装场地进行安装，并进行后期调试和试运行；随后，安装团队需要将整体的风电机组运送到船上并固定好，并且在运行过程中要确保风电机组一直保持垂直状态；等到将整体的风电机组运送到风机安装位置处后，再应用大型的浮吊将风电机组吊起，并安装到风机基座之上。

除了上述风电机组安装技术之外，还有一种风电机组整体安装技术是将风机机组连同其基座共同进行安装，被称为整体吊装方式，这种技术的应用可以缩短风电机组的安装时间，以此来提高风电机组建设的整体效率。但是风电机组连同基座的共同质量相对较大，如果风电机组的运行功率为5MW，整体安装设备的质量将会超过1000吨，因此需要巨型浮吊和多辆船只的配合，并且由于其安装难度较大，因此需要在天气较好的情况下才能开展安装工作。

3.2分体安装技术

分体安装技术指的是将风电机组中的部分构件在预安装场地进行安装，随后将安装好构件运送到风机安装位置处进行整体性的安装。分体安装技术是现阶段风电机组安装中最为常见的一种安装技术，相对于整体安装方式而言，此安装方式对运输设备的要求较低，但是需要在海面上进行高空物件对接，因此会受到自然天气的影响，不能在恶劣环境下进行，具体可以分为以下几种分体安装技术。

3.2.1兔耳式安装技术

兔耳式安装技术指的是安装团队需要在预安装场地将风机的机舱、叶片、轮毂安装好，安装好之后会形成类似于兔耳朵的形状。这种组合体安装技术能够减少在运输过程中对甲板的占用量，进而提高了运输船只的运载量，同时还加缩短了在风机安装位置处的安装时间，进一步提高了风电机组的安装效率。

3.2.2三叶式安装技术

三叶式安装技术指的是安装团队需要在预安装场地将风机的叶片和轮毂安装好，随后将组合体安置在运输船只的支架上，在到达风机安装位置处之后，再按照各种设备安装的顺序对各个部件进行吊装，最后吊装组合体。

3.3起重船安装装备

起重船属于第一代风电机组安装装备，通常情况下为无动力船只，需要配合其他船只的共同应用。起重船比较适合应用在风电机组吊装工作中，但不适合应用对各种风电机组组合体进行运输，因此，在应用起重船安装装备时，安装团队还需要通过出驳船来运送风电机组组合体。此外，起重船的应用受外界因素的影响较大，如果海上天气和风浪较大，均不适合应用。现阶段的风电机组已经能够达到1000顿之上，但是起重量超过1000顿的起重机较少，此时，安装团队只能通过起重船来完成吊装作业。目前，国外大多数国家只在风电机组安装初期、水深超过45米的海域风电机组安装工作中应用起重船。

3.4自航船安装装备

由于起重船在应用过程中会受到风浪和天气的影响，可能会出现延误工期的现象，为此，安装团队逐渐用新型的风电机组安装装备来取代了起重船，并研制出了新型的风电机组安装设备，如自航船。自航船主要被应用在风电机组安装初期，其设计目的是减少风浪对起重船的影响，自航船由常规的运输船改装而成，其中搭载了自航功能，可以实现对风电机组的整体性运输，并且其中还安置了能够起到定位作用的桩腿。在海上风电机组安装工作进行时，自航船可以通过浮力漂浮在海上，并将桩腿插入到海底，以此来提高船体的稳定程度，进而提高风电机组安装工作的稳定程度，但是此类型风电机组安装装备的应用并不能做到对安装问题的全面解决。

在自航船风电机组安装装备的基础之上，安装团队研制了自升式起重平台，此装备的研究主要借鉴的是海洋石油平台，通过拖船将平台拖到风电机组安装位置，并将平台上的四条桩腿插入到海底，随后再通过液压升降装置将平台提升到海面之上，形成相对稳固的工作平台。但是平台不具备自航功能和运输风电机组的能力，在实际的安装过程中需要由拖船来移动平台，进而产生了安装操作时间较长和操作灵活性较差的应用劣势。

3.5自航自升风电安装船安装装备

随着风电机组安装技术和装备的不断完善，现阶段的风电机组安装装备已经能够实现对各种类型海上天气和海况的良好应对，安装团队在此基础上研制了自航自升风电安装船安装装备。自航自升风电安装船中搭载了多套专业的推送装置，并且具备了自动定位和自动航行的能力；其船体内部有较大面积的甲板，为风电机组的运输提供了便利条件；船上有大型的吊车，能够满足大型风电机组的起重需求。

4.海上风电机组安装方式及安装装备的发展趋势

4.1新型风电安装船安装装备

丹麦已加公司研制出了新一代风机安装船（BlueOceanShips），此安装船能够完成风机基础打桩、塔筒安装、叶片安装等工作，并且其航行速度达到了14km，可以极大限度的缩短风电机组的安装时间，其桩腿的长度更长，因此更加稳定，能够提高风电机组安装工作的稳定程度。

4.2概念型风电安装船安装装备

为了实现更安全、更稳定、更迅速安装风电机组的目标，国内外一些安装团队开始研制搭载了特殊装置的风电机组安装装备。例如，Huisman公司提出了SWATH安装船设计概念，此安装船为小水线面双体船，因此可以实现在海浪高度低于3.5米的条件下进行风电机组运输和安装工作，此类型安装船可以大幅度缩短安装平台被提升出海面的时间，进而提高了安装效率[7]。我国有安装团队提出了环形吊架风机整体安装船设计概念，此设计方案在安装船的船首和船尾位置安装了大型梁架，并在其上安装了环形起吊装载，通过此装置将风电机组吊起，随后运送到风电机组安装位置，随后再应用环形起吊机将风电机组放置到海底，最终完成整体的风机机组安装工作。

结束语：

总之，现阶段的海上风电机组安装装备与技术发展在日渐完善，并且在录绿色能源开发理念逐渐推广的形势下，海上风机厂建设具有良好的发展优势，随着石油天然气等资源的日渐短缺，海上风机厂必然会成为未来能源开采的关键，为了提高风能开采工作的安全程度和经济性，相关部门还需要进一步研究。

参考文献

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[7]刘冬一,宋豫.海上风电安装船用纠偏式抱桩器液压系统的设计[J].黑龙江科学,2018,901:18-20+23.

作者简介：夏艳慧（1977年3月—），女，汉族，天津蓟县人，本科学历，高级工程师，从事海上风电施工组织设计研究方向。