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&OCEANENGINEERING
Vo1.38No.4
Aug.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:1671—7953(2009)040136—04
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
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2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l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l4].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
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36—1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l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36—1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l2,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
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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1O.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℃大约为9O%
最高室外温度4O℃波高<2.8m
最低室外温度l5℃波浪周期6S
机舱温度55℃流速≯2.2m?s_.
最高海水温度32℃作业水深≯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4×1200kW
型深8.0m停泊发电机组2×250kW
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2×440kW
最大工作水深18.0m起重能力(吊重120t×22m
最底作业水深2.0m×吊幅×吊高)×87m
4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1l0m2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:塔筒,风机舱,叶片和轮毂,风机
舱,叶片和轮毂的预组合方式可根据实际工程需
要和本船起重能力的限制采取合适的方式.
3.4起重能力
根据东海大桥海上风电场的3MW风电机
