胡海勇1 李海啸2
1国电电力浙江舟山海上风电开发有限公司,浙江 宁波 315042
2中交第三航务工程局有限公司宁波分公司,浙江 宁波 315200
摘要：海上风电的开发建设是一个系统工程，在海上进行风电机组的吊装，施工技术要求高，易受气象、风浪、涌浪、盐雾、湿度等因素的影响，海上施工技术方案的确定、施工组织、作业中任何的失误都有可能造成工期延误、安全隐患和质量缺陷等。基于此，本文根据风力发电的原理和特点、水平单叶片吊装的优势、吊装技术方案以及发展趋势进行了分析。
关键词：海上；大兆瓦；风电机组；单叶片；吊装
1 海上风电发展趋势
海上风电作为应用最广泛和发展最快的新能源发电技术，已在全球范围内实现大规模开发应用。2019年全球海上风电新增装机量6.1GW，全球累计安装量达到29.1GW，遍布欧洲、亚洲和美洲。截至2019年底，欧洲继续领跑全球海上风电，新增装机容量达2367MW，累计装机容量22072MW，占全球海上风电总装机量的75％。我国在十四五期间，仍将大力发展海上风电行业，江苏、浙江、福建、广东等风电大省仍将逐步推进海上风电场的规划和建设。
2 海上风电发电原理及特征
风能的利用由来已久，而风力发电是一个将风能的机械能转化成电能的过程，这个转化过程由风力发电机和其控制系统实现，当风力进入发电系统后，便成为发电系统的输入信号，系统内的风力控制器输出桨距角信号，对机械的转和输出功率进行调整。机械产生的能量会进入发电机，最后转化成电能进入电网。风能发电的特点在于风能是可再生的，发电厂的建设周期很短，装机规模灵活、具有较高的可靠性，同时运营维护简单，造价低。
3 单叶片吊装优势
海上6-7MW风力发电机组的单个叶片重量约31t，长度约84m。采用单叶片吊装，可大大减少叶轮组装的平台使用面积，只需满足塔筒和机舱（含轮毂）安装时主起重机回转要求即可，对于不同单机容量的机组，可以节约20%-40%的吊装平台面积，提高了支腿船、座底式安装船的选择空间，安装船的投入得到有效解决；
单叶片吊装能减少迎风面积，风载荷对吊装的影响降低，原有吊装安全临界风速从8m/s提升至10m/s，增加了吊装窗口期；
采用单叶片吊装技术，需要提前设计和制作专用吊具，但操作简便的专用吊具能加快取叶片、插叶片的工效。
4 水平单叶片吊装的优势
水平单叶片吊装技术是一项综合考虑海上环境、装备条件、机组特点、风电场开发成本及施工安全性等各方面因素的先进吊装技术。使用该吊装技术可以打破以往8～10m/s 海上机组吊装作业条件的限制，配合先进的机械缆风设备，实现 10～11m/s 阵风条件下机组的稳定吊装，可使海上尤其是高风速海域风电场的建设窗口期至少延长 15%，极大幅度提升项目施工效率，也可提前实现风电场并网发电，获取可观的发电收益。同时，水平单叶片吊装技术把直径达 160m甚至171m的叶轮化整为零，通过单支叶片的依次吊装可使对施工船舶甲板的需求面积至少降低40%，降低超大叶轮对吊车运动幅度的需求，降低叶轮在翻身及回转过程中的碰撞风险，为海上风电场安全施工提供有力保障。
水平单叶片吊装采用单叶片吊具从船舶甲板上将叶片夹持到空中并与变桨轴承对接，实现叶片的吊装。该方式对吊装船舶的甲板空间要求较小，只要满足单支叶片的存储即可。
另外，水平单叶片吊装受天气因素影响较小。以浙江某项目为例，考虑每月降雨、雷电、大雾天气占比为20%，7－9月还存在热带气旋天气，其占比为 10%，单叶片吊装可以在平均风速不超过 11m/s 的条件下进行叶片安装。与叶轮式吊装相比，水平单叶片作业窗口期长，可以保证施工进度，在有限的时间内最大限度利用吊装船舶资源。水平单叶片吊装方法以及吊具开发对于机组叶片的维护和更换也有着重要作用，如海上风电场机组叶片损坏需要更换时，不必像传统吊装方法那样将整个叶轮吊下来，而只需要租用相对较小的吊装船，这样在很大程度上可以降低运维成本。
5 海上风电机组安装技术
5.1 安装工艺流程
目前海上风电的安装设备主要有自升式支腿船、座底式安装船、双臂架起重船、带DP3系统的浮式安装船。前两种安装船主要用于风机分体式安装，后两种安装船主要用于风机整体式安装。随着建设成本逐年上升和上网电价下调，发电企业成本控制日益重要，主吊装设备选择也要着重考虑施工成本、作业安全等，要选择租赁费用低、工效较高、安全可靠的吊装设备。
对于单叶片安装，其总安装流程图如图5-1。
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图5-1 风机安装流程图
5.2 水平单叶片吊装技术
目前能够实现单叶片吊装的海上风机品牌共4个，其余风机厂商也正在加大单叶片吊具的研发和制造，可以预见，在未来的海上风电项目中，单叶片吊装将越来越多。采用水平单叶片吊装技术时，机舱、发电机、轮毂以及底段塔筒电气柜体在工厂内完成预拼装、预接线和调试， 变海上作业为陆上作业，变现场作业为工厂化作业，最大程度减少海上施工内容，减少受自然条件影响的程度，在海上可直接实现分节塔筒、“机舱+ 发电机 + 轮毂”组合体的一体化吊装，既保证了海上高效作业，又保障了吊装质量。在叶片吊装过程中，单叶片吊具起吊叶片至轮毂高度，机械缆风系统与单叶片吊具连接控制叶片在空中的稳定性，实现叶片与变桨轴承的水平对接。
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图5-2 座底式安装船安装单叶片 图5-3 自升式支腿船安装单叶片
吊装好一支叶片后，盘车工装将下一个变桨轴承转至同一水平位置，以同样的方式吊装第二支、第三支叶片。通过这种方式，一方面，可以减少叶片在空中所受的迎风面积大小，保证叶片吊装更稳定 ；另一方面，对单叶片吊具的性能要求低，减少单叶片工装的开发成本，降低叶片吊装风险。
6 单叶片安装所需设备设施及注意事项
6.1 盘车系统
盘车系统是一个能实现叶轮转向的装置。盘车系统主要由多个驱动单元及气隙保护系统构成。驱动单元主要包括主驱动油缸和辅助动作油缸。主驱动油缸一端固定在固定基座上，另一端使用盘车销插入发电机端盖中实现发电机及叶轮受控转动。为了避免液压缸盘车驱动过程中由于发电机端盖受力而导致发电机转子变形过大，盘车工装中需要集成一套发电机气隙保护结构。在盘车动作执行过程中，每次油缸运动驱动发电机旋转一定角度，通过油缸往复运动实现叶片安装过程中的机组盘车动作。根据功能需要，盘车工装可实现发电机顺时针和逆时针转动。为提高作业工效，施工班组应提前进行岗前培训和技术交底，确定统一的盘车方向，减少海上作业失误。
6.2 单叶片吊具
风机叶片由于长度长、形状不规则等因素，是需要专用吊具和工装方可实现转场、运输和吊装的。单叶片吊具夹块能够夹持叶片且保证叶片不被损坏， 夹块上具有压力传感器，可以实时观察夹持压力，保证夹块所施加的最大夹持压力在叶片表面的承载能力之内。吊具具有一定的倾斜角调节余量，可以使被安装的叶片在高空中始终保持水平。该工装具备紧急释放系统功能，当单叶片吊具出现故障时，通过操作该紧急释放系统机构，可实现叶片的随时脱离，保护叶片和单叶片吊具本体不被损坏。吊具上夹块和下底托能够适用于不同类型的叶片，可以与不同叶片翼型表面完全贴合。单叶片吊具具有重复利用的特性，同时，对于某一风机品牌而言，单叶片吊具一旦研发成功，后续的改良性研发将越来越容易，可不断适应新机型的安装需要。
6.3 机械缆风系统
叶片在吊装过程中的姿态调整和控制，需要利用一种缆风装置，而为了更好实现海上吊装的工效和安全性，研发了无级变速机械缆风系统。缆风系统的缆风绳绞盘是整个缆风系统的动力源， 给整个系统提供缆风拉力。每个缆风绳上的张紧力能够在设计工况下控制单叶片吊具在水平方向上的位置。缆风系统具有力传感器，可以主动补偿风载，自动调节单叶片吊具在空中的位置，保持单叶片吊具和叶片水平。该设备既可以使用无线遥控，也可以使用有线连接进行操作。无线遥控面板上有不同的控制模式，可根据现场实际工况进行选择。
7 海上风电技术发展趋势
7.1 双馈异步发电技术现状和趋势
双馈异步式风电机组是由变桨距风轮通过高速齿轮箱驱动双馈式发电机发电，发电机转子通过变流器向电网馈电，定子电流直接向电网馈电的风力发电系统。从目前来看，双馈异步发电机变速恒频风电机组是世界上技术最成熟的变速恒频风电机组。我国多数风电机组制造企业，如，远景能源、国电联合动力、广东明阳、上海电气、中国海装、东方电气、浙江运达和华锐风电等都在生产双馈异步发电机变速恒频风电机组。2016年我国新增的风电机组中，双馈异步发电机变速恒频风电机组占比约为61%。目前，我国2MW双馈异步发电机变速恒频风电机组的技术已经非常成熟，并已成为主流机型。华锐风电研发的3MW的此类风电机组已在海上风电场批量应用。国电联合动力研发的6MW此类风电机组也已安装试验。预计到2020年，我国新增风电机组中，双馈异步发电机变速恒频风电机组的占比仍将超过50%。但是由于直驱式和半直驱风电机组技术的不断成熟和发展，双馈异步发电机变速恒频风电机组的竞争性将不断下降，预计到2030年以后，此类风电机组将逐步退出风电市场。
7.2 电网友好型技术发展趋势和需求
我国风电的接入形式正从单一的集中接入远距离输送向多元化方式发展，分散式接入和微网应用正成为日益发展的趋势。在全新的应用场景下，风电将更为直接地面对用户需求，而用户对于风电的电能品质也将提出更高的标准。欧美国家在风电的分散式应用方面发展较我国成熟，但接入标准根据市场发展情况也在不断完善中。未来风电电源和传统电源、储能、负荷、其他新能源、充电桩和智能配电保护系统等都会产生更多元和深入的互动，在运行控制、信息交互和安全方面必将有广阔的发展空间。
7.3 海上风电技术的发展趋势
未来风电技术发展的驱动力主要来自蓬勃崛起的海上风电场建设，这一发展趋势已不可逆转。海上风电机组将继续向10MW以上的大型化机组发展，并且支撑基础将从固定式走向漂浮式。海上风电场的规模也将继续向大型化发展，并且海上风电场将从近海走向远海，从浅海走向深海。目前，漂浮式海上风电支撑基础主要有驳船式、半潜式、单柱式和张力腿式4类。其中，根据锚链的受力状态，又可将前3类归为悬链式支撑基础，最后1类为张紧式支撑基础。根据欧盟对新技术应用设定的成熟度等级划分，半潜式、单柱式漂浮支撑基础技术已经成熟。2017年10月，采用5台西门子6MW直驱永磁风电机组和单柱式漂浮支撑基础、总装机容量为30MW的漂浮式海上风电场在苏格兰海域建成投运。驳船式和张力腿式漂浮支撑基础将在2018年技术成熟，可以预见在不久的将来，很快就会出现这4类漂浮式支撑基础技术同场竞技的场景。2018～2020年，全球海上风电场建设将进入高速发展新阶段。5～8MW的海上风电机组将成为海上风电场的主流机型；单机功率为7～9MW的海上风电机组的技术逐步成熟，将进入批量生产销售时期，并将成为海上风电场的主流机型；小批量10MW的海上风电机组将进入海上风电场。2021～2030年，海上风电机组的主要机型将是由8～10MW直驱永磁式风电机组和中速齿轮箱驱动的中速永磁式发电机组成的风电机组，且上述风电机组都将配备全功率变流器；小批量15～20MW海上风电机组将进入海上风电场。总之，配备全功率变流器的各类大型风电机组将成为未来海上风电场的主流机型，而“高速齿轮箱+双馈式发电机”组成的大型风电机组将退出漂浮式海上风电场。
8 结束语
目前海上风电领域已经实现单叶片的多角度安装技术，但由于吊具系统和叶片性能的限制，多角度安装技术并未普遍使用。新型风机还需大力研发水平单叶片安装的吊具系统。水平单叶片吊装技术的开发，进一步完善海上机组叶片吊装形式和叶轮组装形式，大大提高了叶片吊装的工效和安全性。该吊装技术顺应了海上大兆瓦机组的发展趋势，避免了叶轮式吊装的局限性，推动了海上风电行业的蓬勃发展。
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