复杂海况下海上风机安装技术研究与应用

李俊来，雷丹

（中交第三航务工程局有限公司宁波分公司，浙江 宁波 315200）

海上风能的开发正在全球范围内如火如荼的进行，相比欧洲，我国海上风电起步稍晚，但在“十一五”之后我国海上风电进入快速发展时期，海上风电施工设备与施工工艺也日趋成熟。我国海岸线漫长，各个沿海省份均在积极发展海上风电，不同海域的海况、地质条件存在较大的差异，因此需要根据不同情况进行具体分析，选择合适的施工工艺。

1 概况

1.1 工程概况

国电舟山普陀6号海上风电场2区工程位于舟山市六横岛东南侧，风电场中心离六横岛距离约11km。风电场总装机容量为252MW，布置63台上海电气4MW风电机组。

1.2 工程海域特点

对于海上风机安装来说，海域的风、浪、潮流、地质等是影响最大的自然因素。本工程风场海域的自然条件有如下特征：（1）风况。工程海域属于亚热带季风湿润气候区，风的变化具有明显的季节特征：全年呈现偏北向（NW～NE）和偏南向（SE～SW）两个常、强风向。（2）波浪。工程海域濒临东海，为我国沿海的大浪区，所在海区波浪具有外海波浪属性。夏季小浪级、长周期波浪发生率高，并有超巨浪级波浪出现，波况与其它三季相比有较大区别。（3）潮流。本风电场区离岸距离较远，所处海域开阔，且潮流具有较强的旋转性。另外，涌浪等影响船只稳定性能的海洋要素在本工程海域出现频繁，对工程施工有较大影响。（4）地质条件。工程场区地形较为平缓，坡度较小。场区上部分部有厚度较大的淤泥质软土。

综上所述，本工程海域呈现出风况频繁、长波海浪、旋转潮流及表层淤泥质软土较厚等特点，这些因素都将对海上风机安装带来不同程度的影响。如何针对特殊的自然环境，选择合适的安装方式并加以实现，是本工程项目建设的关键之一。

2 风机安装方案的选择

目前，国内海上风电场风机安装工艺主要有2种，即海上分体安装方式和海上整体安装。针对本工程项目的客观条件和各种因素，对2种方案进行分析比较。

（1）根据本工程项目水文地质资料，工程场区内水深在12～16m之间，海床表层软弱土层较厚（①层淤泥和②-2层淤泥质黏土厚度达8m～39m），若采用分体安装，为达到桩腿的承载力要求，要求平台桩腿入泥深度较大。针对本工程试桩机位进行初步计算，作业平台的桩腿入泥深度为36．4m，水深为14m，桩腿总长需要达到75m以上。通过以上分析，要求自升式起重平台桩腿长度较长，桩腿入泥深度越深，拔出的难度和风险越大。虽然2017年以来国内先后有作业水深在40m以上的龙源振华3号、福船三峡号等下水，但均未实际投用，而且国内外至今尚未有在类似海域用自升式起重平台进行风机安装的案例。

（2）本工程海域波浪具有外海波浪属性，长周期波浪的发生率较高，且海域潮流具有较强的旋转性，对船舶的稳定性影响较大，对平台船插拔腿也会造成影响，进而会影响海上施工工效。

（3）结合风机厂家安装手册的规定，对风机设备吊装风速的要求，我们对本工程2017年全年施工情况进行了统计和比较，见下表1。

通过对比可知，分体安装的海上有效作业天数少于整体安装。

综上所述，风电机海上整体安装方案在该海域具有其独特的优势，将大量的本来要在风电场场区恶劣海洋环境下进行的工作（包括电气安装、静态调试等）在陆域组装基地完成，组织风电机标准化组装作业，有利于降低作业安全风险、保障风电机组组装质量、提高组装工作效率。

表1 2017年本工程海域风况统计

因此，本工程采用风电机海上整体安装方案。

3 技术方案介绍

国内风电机海上整体安装技术发展到目前已十分成熟。东海、响水等多个海上风电项目均成功实施了海上整体安装方案。本文对整体安装技术方案仅作简要介绍。

3.1 总体工艺流程

风电机海上整体安装总体工艺流程：

吊装准备→起吊→吊装就位→导向→缓冲→同步下降→精定位→紧固螺栓→平衡梁等安装工具的拆除→验收。

3.2 主要工序施工工艺

（1）风电机安装导向工序。起重船吊着整套风电机及上部吊架系统缓缓下降，通过刚性粗导向对中档板的约束，达到风电机塔筒中心与承台中心的初步对中。

（2）风电机安装缓冲工序。风电机及上部吊架系统沿导向装置慢慢下降，顶升油缸伸出，缓冲油缸逐件压在相对应的缓冲承载平台上。随着风电机继续下降，缓冲油缸缓冲行程结束后，风电机重量由顶升油缸承载，完成风电机安装软着陆。

（3）风电机安装精定位工序。当缓冲油缸缓冲行程结束后，上部吊架上的定位销轴插入精定位油缸拉杆销轴座套，精定位系统开始工作，通过误差识别反馈系统的反馈信号，经电脑计算，发出一系列指令，控制下部就位系统上的纵向位置，调整装置和切向位置，调整装置动作，达到风电机的精确定位。定位结束后，穿上风电机底部内法兰与连接塔筒上部内法兰螺栓并按要求紧固。

4 复杂海况下海上风机的安装技术

4.1 总体思路

本工程风场现场涌浪条件复杂，对项目前期施工情况进行分析发现，由于潮流具有较强的旋转性，加上起重船和运输驳的升沉不同步，造成挂钩困难，制约了海上整体吊装。

当现场涌浪较大造成挂钩困难，而其他条件满足吊装要求时（起重船横摇角度小于2°，升沉1m以内），选择在离岸较近的海域或者有遮蔽的海域，由起重船将风机从运输驳上起吊，然后移位至风机机位进行吊装就位。

该技术方案可有效减少涌浪对挂钩的影响，延长风机整体吊装施工窗口期，提高施工功效。

4.2 主要施工方法

主要工艺流程如下：

风机运输至起吊海域→起重船和风机运输驳就位→起吊→起重船移位至风机机位→吊装就位。

4.3 主要工序施工工艺

（1）船舶就位。对风场及周边海域的观测和分析，结合前一阶段施工经验，选择在风场北侧的大蚊虫岛的西北侧海域进行风机起吊作业（图1）。

（2）起重船先于运输驳就位。起重船纵轴线与主流向一致，先抛下受潮流及风一侧的锚，以便有效控制船舶。待船舶稳定以后，按一定的顺序进行抛锚。风机运输驳与起重船站位方向一致，运输驳的船艏（或船艉）靠近起重船的船艏，然后按照相同的原则抛锚，抛锚完成后，通过锚缆作业，使两艘船距离控制在10m左右。

图1 风机起吊时船舶就位示意图

（3）起吊。由起重船吊钩吊住平衡梁两端的吊耳。解除平衡梁与井架顶部的固定节点和风电机塔身底部约束，吊钩缓慢提升，平衡梁与上部吊架的吊索受力绷紧后（起吊重量达到约200t），吊钩停止提升。拆除风机下塔筒与运输驳上工装基础连接的螺栓，并插入4个导向销。

起重船再次缓慢起升吊钩，起重量接近吊装重量时，收紧全船锚缆，使起重船稳定定位，观察并调整起重船船位和臂架，保持风机重心与吊钩垂直。

起重船继续上升吊钩3～4m，然后锁住主钩，起重船操纵移船绞车使起重船平稳后移50～100m。起重船平稳且退一定位置后，运输驳迅速撤离。

（4）起重船移位。起重船吊着风机航行移船至安装位置。

起重船本身可提供前行的动力。起重船前方采用一艘锚艇在前方引路，起到警戒船的作用，同时也可以作为临时应急备用的抛锚艇。

起重船航行和进点过程中，应密切关注起重船和风机摇摆的幅度，及时调整缆风绳锚机，确保航行和进点时风机基本处于平稳状态。

（5）起重船进点。起重船进点时，先抛下受潮流及风一侧的锚，以便有效控制船舶。由于起重船航行的方向大致是由北向南，而就位吊装时起重船的朝向为西北方向，起重船接近风机安装机位后，先抛下南侧的锚。利用锚缆的作用力，调整起重船方位至吊装方位，然后依次抛下其他锚，以便于控制起重船方向和保持稳定（图2）。

图2 风机安装就位示意图

（6）吊装就位。吊装就位的工艺方法与上文相同，详见 3．2。

5 结语

随着我国海上风电项目的不断建设和发展，各个风场的施工条件呈现出多样化和复杂化的特点。在进行施工方案选择和工艺布置时，需要有更强的针对性和适应性。起重船负载风机后运输至机位进行吊装的方案很好地规避了海床软弱土层较厚的影响，又克服了长波海浪、复杂潮流对风机吊装船的影响，体现了该方案在特殊海域特有的优势和适应性，极大地拓宽了海上风机的整体安装技术思路。