CN103015445B - 浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，包括运输方法，步骤如下：运输船上布置单管桩，单管桩下方布置轨道和滑车装置，抵达施工海域挂好索具后可直接立桩；塔筒又分成两段或三段，每段塔筒置于塔筒支架上竖立运输，竖立后将塔筒内电器柜等小件全部安装完毕，减少现场工作量；机舱、轮毂和2个叶片组成兔儿组件运输，减少现场工作量，从而降低风速的影响；余下叶片设计专用工装，可叠层运输，充分利用运输船空间。本发明浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，技术成熟、工装成本低、操作简单并具有垂直度调整功能，吊装次数减少，大大提高施工效率，大大节约了船机租赁摊销费用，降低施工成本。

Description

浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺

技术领域

本发明涉及海上风电行业基础施工和设备安装工程，具体涉及近海(水深30米以内)风电场无过渡段单桩基础施工和设备安装工艺。

背景技术

能源对中国经济及世界经济的影响已经日益加深，因此对可再生能源的开发利用成为重要的课题。

风能是重要的可再生资源，取之不尽，用之不竭。风力发电是技术成熟的可再生能源发电技术。加快风能开发利用是促进可再生能源发展的重要措施。

我国海上风能资源丰富，据初步测定有7.5亿千瓦储量，是陆地风资源储量的2到3倍。海上风电的优势有这样几个：年利用小时长，风速较陆上更高，更稳定，因此机组运行稳定、寿命长，除此之外，相对于陆地上紧俏的土地资源来讲。海上风电还不占用土地资源。国家从长远利益出发，制定政策，采取措施，大力支持和积极推动我国海上风电发展。但目前我国海上风能资源开发还处于起步阶段，更多的是开展基础性的研究工作。

虽然目前海上风电发展前景很好，但与陆上风电场相比，海上风电场建设的技术难度较大，特别是由于我国沿海经常受到台风影响，建设条件较国外更为复杂。据了解，由于其支撑结构要求更加坚固，对风电机组防腐蚀等要求更为严格，所发电能需要铺设海底电缆输送，加之海上气候环境恶劣，天气、海浪、潮汐等因素复杂多变，建设和维护工作需要使用专业船只和设备，所以海上风电的建设成本一般是陆上风电的2倍一3倍。

目前全球海上风电装机总容量很有限，还没有一台成熟的、真正意义上的海上专用兆瓦级风力机，使用的风力机均为陆上风力机改造而成，而复杂的海上自然条件使风力机故障率居高不下。以世界最大的海上风电场丹麦Ves吨as霍恩礁风电场为例，80台海上风力机故障率超过70%，运行两年来，所有风力机同时工作的时间累计不超过30分钟。

风力发电随着科学技术的进步，已由传统的陆上风电发展为海上风电，目前国内海上风电场分为潮间带海域风电场（水深5米以内，存在露滩时间）和浅海海域风电场（水深5～30米，无露滩时间）。

近年建成的东海大桥海上风电场采用了3兆瓦离岸型风电机组。并采用了风机高桩承台基础设计，而国外海上风电场采用的是单桩和三角架基础设计。东海大桥海上风电场的设计，是先打下八根钢管桩，再在钢管桩顶部浇注成一个混凝土承台，来满足风机的承载、抗拔、水平移位等需要。东海大桥海上风电场采用了海上风机整体吊装方法。而国外通常采用带液压支腿的移动平台进行风机分体安装。

在远海建立风电设施面临上述难题时，在近海（或浅海）选择适宜的位置建立风电设施，能一定程度避免上述所存在的问题，并且浅海风电的风车本身就是一道美丽的风景。但浅海风电更存在施工难度大，施工成本高的问题。具体来讲，包括以下几个方面：

近海风电的发电部件、施工人员、施工部件（或材料）及大型施工设备等都需要从陆地运输到浅海施工现场，不仅需要租用众多的船舶，更需要等大潮才能通行，然而大潮的时间相对十分短暂；并且租用船舶占用时间长，还要根据潮汐周期的需要而多次租用船舶，运输大型设备时还需要租用大型船舶；大大增加了施工成本。以往国内有大型的吊装船，风电施工企业需租用这些设备来海上施工，每天需要花费上百万的租金，运送材料同样需要租用船只，并受潮差限制，此种海上施工方法效率低下。但如不使用大型的吊装船，风机吊装的施工难度又比较大。且大型吊装船在浅海海域的吃水水深也是一个问题。

为了施工设备在施工现场更好的运转，避免常用施工材料或施工设备的重复往返运输，往往需要建设更大的施工平台，以供上述设备的周转或材料的存放。

为保证风电设施的搭建平台扎根于海底，需要有稳固的桩基系统，桩基施工难度大。并且由于潮差的影响，也加大了施工难度。

整个风电平台施工系统不可移动，不能够方便的转移到其他需要施工现场。也增加了施工成本。例如，江苏如东的风电项目，即采用一机组建设一个施工平台，不能实现重复利用，成本很高，后续的项目完全要重复之前相同的工作，但不能对之前的施工平台设施进行再利用，因而不能实现资源共享，施工也不够方便和快捷，且施工周期长。

目前潮间带风电场国内已摸索出一套可行、高效、低成本的无过渡段单桩施工和风机设备安装工艺，但该套工艺从基础结构设计、施工船舶、运输船船舶、设备结构设计、吊装工艺等均不适用于浅海海域风电场施工。

在浅海海域国内风电场存在个别的成功案例，该套工艺存在如下缺点：1）基础采用高桩沉台结构，施工效率较低约15天/台；2）风机安装采用整体吊装，需要设计制作专用缓冲工装和整体吊装工装，租用专用船舶（半潜驳）进行整体运输，导致施工成本高，且整机运输对于风浪要求高，不适合远距离运输，最终电价约0.91元/度。可见该套施工工艺成本高、效率低、耗时间，无法规模化推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种施工难度降低、成本低、效率高、安全、快捷的浅海风电施工系统。

本发明的另一目的在于提供一种施工难度低、成本低、强度大的浅海风电平台。

本发明的另一目的在于提供一种施工难度降低、成本低、效率高、安全、快捷的浅海风电施工方法。

根据本发明的一个方面，提供了浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，包括运输方法，步骤如下：

（1）运输船上布置单管桩，单管桩下方布置轨道和滑车装置，抵达施工海域挂好索具后可直接立桩；

（2）塔筒又分成两段或三段，每段塔筒置于塔筒支架上竖立运输，竖立后将塔筒内电器柜等小件全部安装完毕，减少现场工作量；

（3）机舱、轮毂和2个叶片组成兔儿组件运输，减少现场工作量，从而降低风速的影响；

（4）余下叶片设计专用工装，可叠层运输，充分利用运输船空间。

在一些实施方式中，单桩管和叶片的数量为3个，轨道的数量为4根，滑车装置、塔筒和兔儿组件的数量为3套。

根据本发明的另一个方面，提供了浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，还包括自升式起重平台定位、稳船和运输船定位方法，步骤如下：

（1）自升式起重平台利用船载GPS，将抱桩器中心坐标移至设计机位坐标附近；

（2）利用两艘锚艇将4个定位锚拖送抛入海底；

（3）自升式起重平台通过绞锚将抱桩器中心坐标精确定位在设计机位上；

（4）自升式起重平台将4个支腿压入海底并压载，稳定后将压载舱水适量排去，然后将船体升至水面上6米；

（5）通过锚艇将运输船拖至自升式起重平台尾部，并抛4个定位锚定位。

在一些实施方式中，抱桩器中心坐标移至设计机位坐标的偏差小于等于2m，抱桩器中心坐标精确定位在设计机位上的误差小于200mm。

根据本发明的另一个方面，提供了浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，还包括单桩管竖立和沉桩方法，步骤如下：

（1）将吊梁、卸扣、32米钢丝绳和16米钢丝绳组装好，并通过双钩吊至单管桩吊耳正上方，然后缓慢下降钩头将32米钢丝绳套入单管桩吊耳；

（2）缓慢起升双钩，通过单管桩下端轨道滑车滑动，慢慢将单管桩竖立；

（3）单管桩竖立后解除下端绑扎，继续起升双钩至安全高度后，旋转双钩将单管桩放入抱桩器内；

（4）推出上抱桩器、下抱桩器，并抱紧活动臂，双钩下降自沉单管桩，自沉过程桩根据单管桩两垂直方位通过归零消误差测量方法测量得到垂直度偏差，通过上抱桩器、下抱桩器和千斤顶伸缩实时调整单管桩垂直度；

（5）自沉完毕后，通过浪风绳将32米钢丝绳脱离单管桩吊耳，然后将（1）中索具卸至自升式起重平台甲板面；

（6）将冲击锤吊装钢丝绳挂至双钩上，起升双钩，并将冲击锤吊至单管桩正上方，然后下降双钩，将冲击锤压至单管桩顶部，直至吊装钢丝绳松弛；

（7）以最小冲击能量开始沉桩，然后根据灌入度适当增加冲击锤沉桩能量，直至单管桩上法兰标高至设计要求；在沉桩过程中根据单管桩两垂直方位通过归零消误差测量方法测量得到垂直度偏差，实时停锤通过抱桩器和千斤顶伸缩调整单管桩垂直度。

在一些实施方式中，吊梁的数量为1个，承载力为800吨；卸扣的数量为8个，承载力为250吨；32米钢丝绳和16米钢丝绳的数量均为2个，承载力均为400吨；双钩的承载力为800吨；千斤顶的数量为4个；冲击锤为S800液压冲击锤；灌入度控制在20～50mm；单管桩上法兰标高至设计要求的偏差小于或等于50mm。

根据本发明的另一个方面，提供了浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，还包括风机设备安装方法，步骤如下：

（1）将塔筒吊装索具挂至起重机双钩上，将下塔筒吊装至单管桩上端法兰上，将螺栓对称安装并紧固；

（2）依上方法将中塔筒吊装至下塔筒上端法兰上，并安装螺栓对称紧固；

（3）然后将上塔筒吊装至中塔筒上端法兰上，并安装螺栓对称紧固；

（4）将1个机舱、1个轮毂和2个叶片组成的兔儿组件吊装上塔筒上端法兰上，安装螺栓并紧固；

（5）机舱盘车，将轮毂余下一个待安装位置叶片调整水平；

（6）利用吊梁将余下一个叶片水平吊装至安装位置，并安装叶片与轮毂连接螺栓，然后对称紧固；

（7）在以上（1）至（6）安装过程中的进行穿电缆、附属散件安装等工作。

在一些实施方式中，上塔筒吊装完毕与将机舱吊装上塔筒上端法兰上之间的时间间隔小于12小时。

本发明浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，技术成熟、工装成本低、操作简单并具有垂直度调整功能，吊装次数减少，大大提高施工效率，大大节约了船机租赁摊销费用，降低施工成本。

附图说明

图1是本发明一实施方式的浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺的运输方法主视图；

图2是本发明一实施方式的浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺的运输方法侧视图；

图3是本发明一实施方式的浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺的运输方法俯视图；

图4是本发明一实施方式的浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺的自升式起重平台定位、稳船和运输船定位方法和单桩管竖立方法示意图；

图5是本发明一实施方式的浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺的单桩管沉桩方法示意图；

图6是本发明一实施方式的风机设备安装方法中下塔筒吊装示意图；

图7是本发明一实施方式的风机设备安装方法中中塔筒吊装示意图；

图8是本发明一实施方式的风机设备安装方法中上塔筒吊装示意图；

图9是本发明一实施方式的风机设备安装方法中兔儿组件吊装示意图；

图10是本发明一实施方式的风机设备安装方法中叶片吊装示意图。

具体实施方式

本发明的一个典型实例如图1-3所示：风机基础是采用无过渡段单桩钢结构基础，风机设备是塔筒4分两段或三段设计，机舱具备盘车锁定功能。其运输方法是采用市面上万吨级运输驳船（长80米，宽40米，型深8.5米）一次运输3套风机基础单管桩1和设备，步骤如下：

（1）运输船上布置3个单管桩1，单管桩1下方布置4根轨道2和3套滑车装置3，抵达施工海域挂好索具后可直接立桩；

（2）塔筒4的数量为3套，每套塔筒4又分成两段或三段，每段塔筒置于塔筒支架5上竖立运输，竖立后将塔筒4内电器柜等小件全部安装完毕，减少现场工作量；

（3）机舱、轮毂和2个叶片61分别组成3套兔儿组件6运输，减少现场工作量，从而降低风速的影响；

（4）余下1个叶片61设计专用工装，可叠层运输，充分利用运输船空间。

本发明的另一个典型实例如图4所示：自升式起重平台1定位、稳船和运输船定位方法，定位主要步骤如下：

（1）自升式起重平台7利用船载GPS，将抱桩器71中心坐标移至设计机位坐标附近，其偏差小于等于2m；

（2）利用两艘锚艇将4个定位锚拖送抛入海底；

（3）自升式起重平台7通过绞锚将抱桩器71中心坐标精确定位在设计机位上，误差小于200mm；

（4）自升式起重平台7将4个支腿压入海底并压载，稳定后将压载舱水适量排去，然后将船体升至水面上6米；

（5）通过锚艇将运输船拖至自升式起重平台7尾部，并抛4个定位锚定位。

以上自升式起重平台7定位、稳船和运输船定位用时约2天。

本发明的另一个典型实例还是如图4所示的单桩管竖立方法，以及如图5所示的单桩管沉桩方法，步骤如下：

（1）将1个800吨吊梁8、8个250吨卸扣、2个400吨-32米钢丝绳9和2个400吨-16米钢丝绳10组装好，并通过800吨双钩11吊至单管桩1吊耳正上方，然后缓慢下降钩头将400吨-32米钢丝绳9套入单管桩1吊耳；

（2）缓慢起升800吨双钩11，通过单管桩1下端轨道2滑车滑动，慢慢将单管桩1竖立；

（3）单管桩1竖立后解除下端绑扎，继续起升800吨双钩11至安全高度后，旋转800吨双钩11将单管桩1放入抱桩器71内；

（4）推出上抱桩器12、下抱桩器13，并抱紧活动臂，800吨双钩11下降自沉单管桩1，自沉过程桩根据单管桩1两垂直方位通过归零消误差测量方法测量得到垂直度偏差，通过上抱桩器12、下抱桩器13和4个千斤顶14伸缩实时调整单管桩1垂直度；

（5）自沉完毕后，通过浪风绳将400吨-32米钢丝绳9脱离单管桩1吊耳，然后将（1）中索具卸至自升式起重平台7甲板面；

（6）将S800液压冲击锤15吊装钢丝绳挂至800吨双钩11上，起升800吨双钩11，并将冲击锤15吊至单管桩1正上方，然后下降800吨双钩11，将冲击锤15压至单管桩1顶部，直至吊装钢丝绳松弛；

（7）以最小冲击能量开始沉桩，然后根据灌入度（控制在20～50mm）适当增加冲击锤15沉桩能量，直至单管桩1上法兰标高至设计要求（偏差小于或等于50mm）；在沉桩过程中根据单管桩1两垂直方位通过归零消误差测量方法测量得到垂直度偏差，实时停锤通过抱桩器71和4个千斤顶16伸缩调整单管桩1垂直度。

以上单管桩1竖立和沉桩用时约1天。

本发明的另一个典型实例如图6-10所示：风机设备安装方法，步骤如下：

（1）将塔筒4吊装索具挂至起重机双钩11上，将下塔筒41吊装至单管桩1上端法兰上，将螺栓对称安装并紧固；

（2）依上方法将中塔筒42吊装至下塔筒41上端法兰上，并安装螺栓对称紧固；

（3）然后将上塔筒43吊装至中塔筒42上端法兰上，并安装螺栓对称紧固；

注：上塔筒43吊装完毕12小时内必须将机舱吊装上塔筒43上端法兰上；

（4）将1个机舱、1个轮毂和2个叶片61组成的兔儿组件6吊装上塔筒43上端法兰上，安装螺栓并紧固；

（5）机舱盘车，将轮毂余下一个待安装位置叶片61调整水平；

（6）利用吊梁8将余下一个叶片61水平吊装至安装位置，并安装叶片61与轮毂连接螺栓，然后对称紧固；

（7）在以上（1）至（6）安装过程中的进行穿电缆、附属散件安装等工作。

以上风机设备安装用时约3天。单套风电场基础施工和设备安装完毕后，移船至下一机位进行相同施工。

本发明浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，利用现有施工船舶和运输船舶，并结合船舶自升特点，设计了成套运输工艺，是浅海海域风电场高效施工的先决条件；基础无过渡段单管桩竖立采用轨道滑车工艺，该方法技术成熟、工装成本低、操作简单；采用双钩吊装单管桩，并结合双层抱桩器的垂直度调整功能，以及归零消误差测量方法，单管桩沉桩完毕后其上端法兰倾斜度均达2‰以内，大大高于国际上5‰的水平；由于塔筒采用竖直运输、机舱轮毂和叶片采用兔儿运输，风机设备安装大件吊装仅需5次吊装即可完成，与传统大件8次吊装相比大大提高施工效率；该套风机基础施工和设备安装工艺效率较高，可达6天/套风机，与传统高桩承台和导管架结构15/套风机施工效率相比，大大节约了船机租赁摊销费用，降低施工成本；该套浅海海域风电场单管桩基础施工和设备安装工艺，成本较低，建成后投产后可达0.8元左右/度电，大大低于已建海上风电场0.91元/度电。

Claims (8)

1.浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，其特征在于，包括运输方法，步骤如下：

（1）运输船上布置单管桩，单管桩下方布置轨道和滑车装置，抵达施工海域挂好索具后直接立桩；

（2）塔筒分成两段或三段，每段塔筒置于塔筒支架上竖立运输，竖立后将塔筒内电器柜小件全部安装完毕，减少现场工作量；

（3）机舱、轮毂和2 个叶片组成兔耳组件运输，减少现场工作量，从而降低风速的影响；

（4）余下叶片设计专用工装，可叠层运输，充分利用运输船空间。

2.根据权利要求1 所述的浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，其特征在于，所述单管桩和叶片的数量为3 个，轨道的数量为4 根，滑车装置、塔筒和兔耳组件的数量为3 套。

3.根据权利要求1 所述的浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，其特征在于，还包括自升式起重平台定位、稳船和运输船定位方法，步骤如下：

（1）自升式起重平台利用船载GPS，将抱桩器中心坐标移至设计机位坐标附近；

（2）利用两艘锚艇将4 个定位锚拖送抛入海底；

（3）自升式起重平台通过绞锚将抱桩器中心坐标精确定位在设计机位上；

（4）自升式起重平台将4 个支腿压入海底并压载，稳定后将压载舱水适量排去，然后将船体升至水面上6 米；

（5）通过锚艇将运输船拖至自升式起重平台尾部，并抛4 个定位锚定位。

4.根据权利要求3 所述的浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，其特征在于，所述抱桩器中心坐标移至设计机位坐标的偏差小于等于2m，抱桩器中心坐标精确定位在设计机位上的误差小于200mm。

5.根据权利要求1 所述的浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，其特征在于，还包括单管桩竖立和沉桩方法，步骤如下：

（1）将吊梁、卸扣、32 米钢丝绳和16 米钢丝绳组装好，并通过双钩吊至单管桩吊耳正上方，然后缓慢下降钩头将32 米钢丝绳套入单管桩吊耳；

（2）缓慢起升双钩，通过单管桩下端轨道滑车滑动，慢慢将单管桩竖立；

（3）单管桩竖立后解除下端绑扎，继续起升双钩至安全高度后，旋转双钩将单管桩放入抱桩器内；

（4）推出上抱桩器、下抱桩器，并抱紧活动臂，双钩下降自沉单管桩，自沉过程桩根据单管桩两垂直方位通过归零消误差测量方法测量得到垂直度偏差，通过上抱桩器、下抱桩器和千斤顶伸缩实时调整单管桩垂直度；

（5）自沉完毕后，通过浪风绳将32 米钢丝绳脱离单管桩吊耳，然后将（1）中索具卸至自升式起重平台甲板面；

（6）将冲击锤吊装钢丝绳挂至双钩上，起升双钩，并将冲击锤吊至单管桩正上方，然后下降双钩，将冲击锤压至单管桩顶部，直至吊装钢丝绳松弛；

（7）以最小冲击能量开始沉桩，然后根据贯入度适当增加冲击锤沉桩能量，直至单管桩上法兰标高至设计要求；在沉桩过程中根据单管桩两垂直方位通过归零消误差测量方法测量得到垂直度偏差，实时停锤通过抱桩器和千斤顶伸缩调整单管桩垂直度。

6.根据权利要求5 所述的浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，其特征在于，所述吊梁的数量为1 个，承载力为800 吨；卸扣的数量为8 个，承载力为250 吨；32 米钢丝绳和16米钢丝绳的数量均为2 个，承载力均为400 吨；双钩的承载力为800吨；千斤顶的数量为4 个；冲击锤为S800 液压冲击锤；贯入度控制在20～50mm；单管桩上法兰标高至设计要求的偏差小于或等于50mm。

7.根据权利要求1 所述的浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，其特征在于，还包括风机设备安装方法，步骤如下：

（1）将塔筒吊装索具挂至起重机双钩上，将下塔筒吊装至单管桩上端法兰上，将螺栓对称安装并紧固；

（2）按步骤（1）方法，将中塔筒吊装至下塔筒上端法兰上，并安装螺栓对称紧固；

（3）然后将上塔筒吊装至中塔筒上端法兰上，并安装螺栓对称紧固；

（4）将1 个机舱、1 个轮毂和2 个叶片组成的兔耳组件吊装上塔筒上端法兰上，安装螺栓并紧固；

（5）机舱盘车，将轮毂余下一个待安装位置叶片调整水平；

（6）利用吊梁将余下一个叶片水平吊装至安装位置，并安装叶片与轮毂连接螺栓，然后对称紧固；

（7）在以上（1）至（6）安装过程中进行穿电缆、附属散件安装工作。

8.根据权利要求7 所述的浅海域风电场无过渡段单桩基础施工和风机设备安装工艺，其特征在于，上塔筒吊装完毕与将机舱吊装上塔筒上端法兰上之间的时间间隔小于12 小时。