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1、海上风电安装平台（下）导读海上风电安装平台为海上风电施工的关键核心装备，用于海上风力发电设备的打桩和安装。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。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。海上风电安装平台的关键技术Ei海上风电安装平台的结构设计海上风电安装平台集海上风电设备打桩、安装、运输等功能于一体，由上船体、沉垫、桩腿、起重机等构成。上船
2、体通常采用脑部有线型的矩形型式；沉垫则为整体水密结构，采用脑解均削斜的矩形型式。上船体和桩腿通过双啮合升降系统连接，沉垫和桩腿通过锁紧系统进行连接，桩腿可穿越沉垫，在站立状态下插入海床起到抗滑移的作用。通常情况下，平台由百个左右的风电机网格组成，每个网格上风电机的功率约在2兆瓦至5兆瓦之间。可以预见的是，随着风电行业的不断发展，单一风电机的功率可进一步提升至10兆瓦左右。在平台结构中，每个风电机与中央高压直流变压器、岸电之间，均保有一条独立的电缆作为连接媒介，此类电缆在设计中需要使用专门设备进行铺设。目巨型桩腿的设计制造桩腿是支撑整个安装平台重量和运动的核心部件，长度近百米的桩腿由IOOnUn
3、厚超强度E690海工钢多段拼装焊接而成，桩腿上有两组共80多个对穿通的准5500.5mm销孔，两组呈90角垂直分布，重达2万吨的平台通过桩腿上的定位销孔上下运动。桩腿分段焊接质量直接决定了桩腿的强度和变形，从而影响了定位销孔的圆度、同轴度、直线度与位置精度，进而直接影响平台上下运动的平稳性，尤其是多条腿上下运动的同步控制，错误安装甚至导致整体平台报废。为了满足深水区风大浪高水域的作业要求，需要设计出全新的高稳性结构桩腿和防滑桩靴。长度近百米、重千吨的巨型桩腿制造难度极大，例如作业水深80In的桩腿长度达118m,而允许的最大扭转公差仅为0.00006radtn,使得焊接变形控制难度成倍增加，成
4、为全球的共性技术瓶颈，其中的制造难点包括：(1)尺寸大、重量重，焊接易变形。桩腿有圆形、四边形、八边形等结构，圆形桩腿外径5m、重量达1200t;八边形桩腿尺寸4.8mX4.8m、重量达800t,在焊接过程中难以调整其姿态以适应最佳焊接工位，容易产生变形。(2)材料敏感性大，易产生焊接裂纹。超强度E690海工钢碳含量高，焊缝和热影响区的淬硬性和冷裂敏感性大，桩腿壁厚大，冷却速度快，内外温度冷却速度不一致，极易产生残余应力和裂纹。(3)桩腿结构复杂、焊接预热温度一致性控制难。巨型桩腿结构复杂，在焊接预热保温的过程中难以形成均匀的预热温度场。图1四边形衍架桩腿从2007年起，通过产学研合作研究，根
5、据桩腿风浪流耦合力学模型，获得了海洋极端环境载荷对桩腿应力、刚度、变形、疲劳性能等的影响规律及数据；自主设计了具有高稳性结构的全地形桩腿被，有圆形、八角形等多种结构，能满足35、45、50、80m水深的作业需求；建立了巨桩腿预热数学模型，发明了可控连续预热焊接方法，获得了焊接坡口两侧预热温度、保温时间和冷却速度的最佳范围，减少了焊接应力，提高了抗疲劳性能；制定了基于选区电磁感应模块式均布加热和保温控制的多层多道定位焊工艺，形成了焊接材料选择、焊口打底、填充、盖面、坡口制备、背部清根、消氢处理、去应力等成套焊接工艺规范，实现了长度近百米巨型拼焊桩腿的直线度小于5mmO原液压升降系统设计制造技术升
6、降机构一般布置在平台和桩腿的交接处。在船体升降的过程中，桩腿和船体作反向运动。升降机构同时兼有把船体定位在水面以上指定高度的能力，期间升降机构仅受到竖直方向作用力，由固桩装置负责传递水平作用力。插销式液压升降系统和齿轮齿条升降系统是最为常见的两种升降系统。插销式液压升降系统采用液压为动力源，主要由液压系统、固桩室、液压插销、锁紧装置等部分组成；齿轮齿条升降系统驱动主要通过电机或者液压方式进行，以齿轮转动带动齿条和桩腿做相对转动，从而实现平台升降的目的。图2插销式连续升降系统示意图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
7、繁地自升降，桩腿间的跨距超过IOO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，原有设计制造方法己经不适用。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。针对大质量平台大跨距同步升降时倾覆力矩大易“失控”卡
8、死的难题，建立了基于重心平衡设计的安装平台三维模型，获得了运载风机重量、风载荷、波浪载荷及流载荷、平台重量、压载水载荷及甲板载荷对平台重心和结构强度的影响规律，优化了应力分布及位移变形；提出了大型模块化高效高精度平地建造，提高了建造精度和安装精度。桩腿与升降导轨的配合间隙不大于0.5mm,实现了2万吨重载平台提升速度从18mh提高至30mh的高速稳定自升。根据现代海上风电安装平台的要求，将来升降系统的发展需要考虑以下几个方面：(1)系统运行稳定性要求。鉴于升降系统常年在海上作业，环境因素复杂多变。因此系统稳定性要求必须摆在设计制造的第一位，是设计和制造环节不断追求完善的要务。只有做到设备运行稳
9、定，才能做到施工安全有序，才能实现最大的经济效益和社会效益。(2)设计智能化的监控报警、运行和控制系统。完善严密的监控和报警系统设备运行状态起到了重要的辅助作用。控制系统对设备操作、运行的管理不可或缺。(3)采用新材料，新工艺，新工法的使用。如搭载顺序和装配程序的设计优化，可有效增加桩腿的强度和刚性。(4)增加系统设计的合理性，抵抗环境因素的干扰。!叶片快速精准安装技术随着风机容量的增大，风机叶片的长度也越来越大，8UW风机的叶片长度超过80m,重量超过30t,叶片法兰盘直径达4m,其端面均匀分布着超过100根的安装螺栓。在高空大风随动载荷下，巨型叶片逾百螺栓同时精准定位、动态插入叶轮安装孔的
10、难度极大，周长累积安装误差仅3mm,极易“失准”。针对百米高空大风随动载荷下巨型叶片逾百螺栓同时精准定位易“失准”的难题，发明了两根绳索保持恒水平、恒张力、恒角度不变的姿态随动控制方法；研制了角度可调式稳货机构，由恒张力稳货绞车、钢丝绳、固定导向滑轮、行走小车、导轨、行走牵引绞车等组成。钢丝绳从稳货绞车上引出后，通过吊臂根部和头部的固定导向滑轮组换向后、再通过导向小车滑轮组连接到被吊巨型叶片上，稳货绞车出绳位置随叶片位置与吊臂角度变化而动态匹配调整。此外，提出了新型的紧凑型回转支承装置、旋转平台、大吨位双变幅机构、轻型副臂和大容量起重绞车，并开发了一系列大型全回转起重设备，提升能力为900、1
11、200、3200to海上风电安装平台建造难题我国已经能够自行设计制造海上风电安装平台，解决了“有没有”的问题，接下来要解决的就是“更加好”的问题。目前，制约海上风电平台创新的难点有如下几项：一是升降系统的升降速度和平稳性。海上风电设备的安装需要在一定的窗口期内进行，对时间有着较高的要求，这就要求升降系统的速度和平稳性能够满足更高要求，保证在窗口期内平台的使用效率。二是绕桩吊机问题。绕桩吊机是风电安装船的关键装备，用来将风力发电机吊组件平稳、安全吊升到塔架上进行安装。在有限的作业窗口期内，如何提升吊装效率，减少施工成本，是国内外面临的重大难题。三是抱桩器问题。由于受到疾风、海浪、洋流、潮汐等可变
12、因素影响，加之近海海床土壤比较松软，打桩时桩基很容易偏斜，这将直接影响到过渡桩及顶部风机塔筒的安装。如何提高桩基建设效率，也是目前国内各风电施工企业面临的重大技术难题。四是海上风电安装平台有效甲板面积。随着海上风机大型化和作业水域深海、远海化,有效的甲板面积和较小的吊运盲区设计与施工吊装的方案有着十分重要的关系。海上风电安装平台发展趋势根据欧洲海上风电的发展和预期，海上风电将会产生如下趋势：(1)向深水方向发展，水深会超过40b需要三脚架或者导管架形式的基座，基座的重量将会增加。(2)向增加风机功率的方向发展，风机的重量将会增加。(3)向单个航次装运更多的风机方向发展，需要更多的甲板面积、更强
13、的运输能力。综合这些方面的趋势，海上风电安装平台需要进行创新以应对海上风电的更多需求。海上风电场处的水深、离岸距离直接关系到海上风电安装平台的设计；自升式安装平台在装运能力和空船重量上更加苛刻，这会影响到抬升能力；为了提高运输的效率，对甲板空间提出了更高的要求；为了获得成本效率，重量以及桩腿数量也是需要考虑的关键因素。所以新型风电安装平台的设计需要考虑如下几个方面：(1)海上风电场的位置决定水深、土壤条件和环境条件，这对风机和安装平台的设计都很重要。目前，国内海上风电安装平台的设计单位只是根据特定的市场需求进行开发，对功能的多样性考虑不足，制造出来的平台功能比较单一，要加快开发能够适用于各种海
14、域的海上风电安装平台。(2)离岸距离决定航行时间。离岸距离与航行时间成正比，所以要对风电机组的安装效率要求作出明确，并据此实现安装平台航行能力、航行时间的合理控制，尤其是当海上风机需要快速安装的时候，运输时间和能力就显得很重要。(3)尽管新建造的平台大部分是具备自航和动力定位功能的，但是应考虑自航还是拖航的问题，需要考虑平衡前期投入和操作成本。(4)抬升速度和动力定位功率决定安装总功率，抬升速度和抬升重量将影响操作所需的发电功率。(5)甲板空间和可变载荷是有一定的关系，甲板空间直接决定了安装平台的承载能力，所以需要对单航次的风电机组运载数量作出明确，并由此进行类型选择与甲板设计。(6)桩腿的数
15、目对整个平台的价格有影响，所以在保证结构强度与稳定性的同时也要考虑整体经济性，对桩腿数量进行合理控制。结语全球对能源需求和全球环境恶化的矛盾愈发明显，为了人类未来，采用清洁能源已经成了全世界的共识。这个共识将极大促进海上风电的发展，而海上风电的高速发展对海上风电安装平台有着迫切的需求。从浮吊船发展到自升自航式平台，海上风电安装船的功能在不断优化。此外，海上风电机组的功率不断增大，也促使风电安装船朝智能化、深水化、大型化、专业化和模块化的方向发展。我国开展高端智能一体化海上风电安装平台的研发行动势在必行！未来，我国风电安装行业前景可期，市场需求空间大，产品创新发展快。海上风电作为未来风电行业的重点发展方向，优点突出，风能条件好，环保可再生，市场潜力巨大，我国海上风电场规划和建设规模正在不断扩大，随着国内外大批海上风电项目进入施工建设阶段，巨大的市场空间必将带动风电安装平台产业快速发展。
