高稳高效海上风电安装平台关键制造技术研究

高稳高效海上风电安装平台关键制造技术研究

刘咏

广东华蕴新能源有限公司  广东中山  528400

摘要：科技在迅猛发展，社会在不断进步，海上风电作为可再生清洁能源之一，受到世界各国的高度重视与大力发展。我国将海上风电提升至解决能源危机、减缓气候变化、调整能源结构的国家战略高度，到2030年我国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右。安装平台不足将是我国海上风电场无法如期建成投产的主要障碍。对自升自航式海上风电安装平台系列高端装备及其设计制造的三大技术难题--腿站立作业易“失稳”、大平台大跨距大倾覆力矩自升易“失控”、高空吊装巨型叶片逾百螺栓精准定位易“失准”，以及焊缝缺陷修复和局部裂纹损伤的激光锻造修复再制造进行了介绍，研制的具有不同规格的系列装备在中国、英国、丹麦、德国等国家的著名海上风电场建设应用情况良好。

关键词：风能；海上风电安装平台

引言

近年来，中国海上风电取得突破进展，有预测显示，2018-2027年的海上风电装机市场可观。全球海上风电装机预计从2018年的4.5 GW上升到2027年的11.3 GW。如何提高海上风力发电机组的安装效率对降低海上风电机组的安装成本异常重要。

1. 海上风电与陆上风电的对比及其技术难点

1.1海上风电与陆上风电的对比

与陆上风力发电相比，海上风电除在解决占地和环保方面具有明显优势外，还存在以下明显的技术优势：海上风速随高度的变化小，因而塔架可以较低海上风湍流强度小，具有稳定的主导风向，机组承受的疲劳负荷较低，使得风机寿命更长，相同条件下，一般在陆地上设计使用寿命为年的发电机组在海上可以延长到一年海上风况优于陆地，当风流过粗糙的地表或障碍物时，风速的大小和方向都会发生较大的变化，而海面则粗糙度小，不会产生类似情况离岸的海上风速通常比沿岸陆上高，使用同样的风力发电机组，年发电量有同等比例的增加因不受噪声限制，可采用比较高叶尖速比，使机组转速适当提高，增加发电量，降低转矩、减少传动系统的重量和成本，海上风力发电可以和其他形式的海洋能源形式波浪能、海流能、温差能、盐差能等结合起来，可以在深海建立一个大型离岸能源中心，使为人类开发深海资源提供直接能源支持成为可能。

1.2海上风电的技术难点

与陆上风电相比，海上风电也存在以下技术难点海上风电机组的单机容量更大，对制造工艺和技术设计的标准更高，海上风电场要面对风和波浪的双重负荷的考验，对风电机组支撑结构包括塔架、基础和连接等要求很高，海上气候环境恶劣，盐雾、夭气、海浪、潮汛等因素复杂多变，对风电机组防腐性能等级要求更为严格，同时，风电机组的吊装、项目建设施工及运行难度更大，由于海上风力资源多分布在海岸内，，按照目前近海风电场普遍采用各种贯穿桩结构如重力基础、单桩基础或多脚架基础固定在海底的做法，建场成本昂贵是目前存在的重要问题。

2.海上风电安装平台高端装备制造关键技术

2.1自航自升式海上风电安装平台

自航自升式海上风电安装平台是一种巨重巨型的高端海工装备。以图1所示的8 MW安装平台为例，平台尺寸为133.15 m×39 m×9 m，其频繁地自航到海上风电场作业地点，自升至海面上形成一个稳定的作业平台，提升重量近2万吨。然而，深水远岸区环境恶劣，受平台超万吨自重、超20 m/s风速、超5 m高浪载、超50 m水深海床地质、超千吨吊装等极端工况的影响，大型风机海上安装存在亟待解决的三大世界技术难题：桩腿站立作业易“失稳”、大平台大跨距大倾覆力矩自升易“失控”、高空吊装巨型叶片逾百螺栓精准定位易“失准”。如此苛刻的服役要求，对安装平台的设计制造提出了巨大的挑战。

（1）作业水深55 m，4桩腿型8 MW海上风机自航自升式超大型安装平台（图1）。主要技术参数为：航速 13节，可载运4套8 MW风电机组；四根圆形桩腿，单腿提升能力4500 t；采用绕桩吊设计，起吊高度达到135 m。满足了在4.8 m浪高、14 m/s风速、工作水深达55 m的恶劣工作环境下8 MW风电机组高效吊装的苛刻要求，完成了世界首批32台8 MW风机的安装，产生了巨大的行业影响力。

（2）作业水深45 m，6桩腿型6 MW海上风机自航自升式超大型安装平台（图2）。主要技术参数为：首型平台航速12节，可载运10套6 MW风电机组；艏艉各3台推进器实现DP-2动力定位，可保证高精度海上定位；六根八边形桩腿，单腿提升能力3750 t，工作水深45 m，最大提升高度50 m，可连续快速提升船体使其离开海面，形成安全平稳的作业平台；配备1000 t主吊和50 t辅吊，最大起吊高度120 m。

         图1                     图2

2.2液压升降系统设计制造技术

与传统钻井平台和小型安装平台相比，超大型安装平台是个庞然大物，重量相当于一艘轻型航母，超过2万吨，其靠4根圆形桩腿频繁地自升降，桩腿间的跨距超过100米，平台自升时倾覆力矩更大、保持稳定更难。加之极端复杂的海况环境，原有设计制造方法已经不适用。

针对平台惯性大、海底地形复杂、自身及环境载荷多变的问题，建立了液压升降系统精细非线性分析模型，优化了升降合力作用线的偏移距离和固桩高度，研发了新型连续桩腿液压升降装置。通过同步随动、多桩腿、多轴套交替升降装置与控制方法，插销座在随动过程中找准定位，实现了平台在复杂海底连续无停顿可靠升降，始终保证每个桩腿与平台间有一对插销固定，解决了巨型平台大跨距大倾覆力矩自升易“失控”卡死倾覆的行业关键难题，实现了连续稳定快速提升。

3.结语

海上风电安装具有组件多、超长、重心高、机位多、起吊高度高、定位精度高、安装环境恶劣、时间窗口受限等特点，是一项复杂的系统工程，影响海上风电开发成本和安全性。当前，海上风电安装船舶的短缺，施工经验不足，开发成本过高已成为我国海上风电发展的障碍。随着海上风电开发向大容量风电机组、深水海域发展，建立专业的施工船队、培养专业人才，加强技术研发，提高我国自主设计与制造能力，加大风电安装船等装备的投资力度，对适应我国未来能源需求发展具有重要意义。

参考文献

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