CN103145051A - 一种海上风电机组分体吊装装置及安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上风电机组分体吊装装置及安装方法，包括位于海中的海上风电基础承台、中转平台、多个可组合的塔筒、机舱、轮毂、叶片、塔筒自升起重机以及浮吊船，海上风电基础承台上设有基础塔筒，浮吊船装载多个可组合的塔筒、中转平台、机舱、轮毂、叶片和塔筒自升起重机并且通过浮吊将其安装在海上风电基础承台上，中转平台位于海上风电基础承台与浮吊船之间中转放置安装部件，塔筒自升起重机将多个可组合的塔筒搭接在基础塔筒并沿着安装好的塔筒垂直移动，机舱、轮毂以及叶片也通过塔筒自升起重机的吊运，安装在组合后的塔筒顶部。

Description

一种海上风电机组分体吊装装置及安装方法

技术领域

本发明涉及一种风电机组分体吊装装置及安装方法，尤其是涉及一种海上风电机组分体吊装装置及安装方法。

背景技术

风电机组的吊装方法是指机组构件的吊装方法，分为分体吊装法和整体吊装法两种。陆上风电场通常具有良好的作业场地条件，现阶段基本采用大型履带吊或大型汽车吊分体吊装法。海上风电场受海上气候、潮汐、波浪、水深、海床地质等条件限制，相比陆上风电机组的吊装，情况要复杂得多。与陆上风电机组吊装相比，海上风电机组吊装缺少稳定的吊装平台，安装在船舶上的起重设备由于浮力、波浪、风力等因素容易摇晃，很难满足精确的对位连接要求。为此，现阶段，采用自升船（或半潜船）分体安装法是通过桩腿插入海床、沉底等方法与海床固定来获得稳定的吊装平台，相应地，对海水深度、海床地质条件就有了一定要求；采用大型浮吊的整体吊装法，通过减少海上连接的工作量及大型船舶稳定性较好的特点来满足海上安装的要求，相应地，又对浮吊船舶的起重性能及风电场附近预组装港口码头有较高的要求。上述两种吊装方法使用的自升船或大型浮吊造价均不菲，租赁费用特别高昂，而且数量稀缺，安装成本一直居高不下，难于满足海上风电大规模开发建设的需要。

无论海上陆上，风电机组一般均具有较高的塔筒结构，后期维护，特别是需要检修、更换大型损坏部件时，仍需使用大型的起重设备。建设阶段可以通过机组的成批安装来分摊大型起重设备的使用费。但在运行维护期，为单台机组的维护而单独租用大型起重设备，很不经济。

受限于一般起重设备的起重特性，超高塔筒的吊装通常非常困难，需要使用超级起重设备或特殊的安装方法进行吊装，费用也非常高昂。

据此，如果能避免使用昂贵的大型起重设备，又能方便、安全、经济地实现风电机组、超高塔筒结构，特别是海上风电机组的吊装及后期维护吊运， 将具有重大的现实意义和经济价值。

发明内容

本发明设计了一种海上风电机组分体吊装装置及安装方法，其解决的技术问题是现有海上风电机组分体吊装装置及方法存在安装稳定性差、成本高、吊装精度低、风险较大以及安装时间长等缺陷。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案： 

一种海上风电机组分体吊装装置，其特征在于：包括位于海中的海上风电基础承台（1）、中转平台（4）、多个可组合的塔筒、机舱（7）、轮毂（8）、叶片（12）、塔筒自升起重机（6）以及浮吊船（5），海上风电基础承台（1）上设有基础塔筒（2），浮吊船（5）装载多个可组合的塔筒、中转平台（4）、机舱（7）、轮毂（8）、叶片（12）和塔筒自升起重机（6）并且通过浮吊将其安装在海上风电基础承台（1）上，中转平台（4）位于海上风电基础承台（1）与浮吊船（5）之间中转放置安装部件，塔筒自升起重机（6）将多个可组合的塔筒搭接在基础塔筒（2）并沿着安装好的塔筒垂直移动，机舱（7）、轮毂（8）以及叶片（12）也通过塔筒自升起重机（6）的吊运，安装在组合后的塔筒顶部。

进一步，塔筒自升起重机（6）包括起重系统、自升系统、固定系统、机台（62）、平衡梁吊具（67）、塔筒吊具（68）、叶片专用夹具、液压系统、供电系统、控制系统以及操作系统。

进一步，起重系统主要由臂架、变幅油缸、液压卷扬机、钢丝绳—滑轮组以及底座组成。

进一步，自升系统主要由液压卷扬机、钢丝绳—滑轮组组成。

一种海上风电机组分体吊装装置的安装方法，包括以下步骤：步骤1、吊装前准备：由浮吊或运输驳船将风电机组的机舱、塔筒、带两个叶片的轮毂、叶片等部件运输至风电机组安装承台处；由浮吊吊装第一节塔筒到基础承台上；步骤2、安装塔筒自升起重机：利用浮吊将塔筒自升起重机套入已安装好的基础塔筒（2）并固定，通电、检查、调试塔筒自升起重机；步骤3、吊装机组塔筒：用浮吊将下一节塔筒吊运至承台上的中转平台，再操作自升起重机吊装此塔筒至已安装的塔筒上方，安装法兰螺栓完成固定；步骤4、塔筒自升起重机爬升：利用塔筒自升起重机上的自升机构将自升起重机爬升至新安装好的塔筒的顶部，并固定；重复步骤3、4完成全部塔筒的吊装，直至将塔筒自升起重机上升至塔筒的顶部并固定；步骤5、吊装机舱：用浮吊将机舱吊运至中转平台；操作自升起重机起吊机舱到塔筒顶部，通过吊装辅助绳将机舱转向后在塔筒顶部就位，连接法兰螺栓固定；风电机组机舱通电调试，并完成机舱180度掉头；步骤6、吊装轮毂：利用浮吊将带两个叶片的轮毂吊运至中转平台；操作自升起重机起吊轮毂就位，连接法兰螺栓完成轮毂的固定；步骤7、吊装叶片：起吊最后一片叶片就位，连接法兰螺栓固定，至此完成风电机组的吊装；步骤8、自升起重机的拆除：将自升起重机重从塔筒顶部降落至第一节塔筒并固定；用浮吊拆除塔筒自升起重机。

该海上风电机组分体吊装装置及安装方法与传统海上风电机组分体吊装装置及安装方法相比，具有以下有益效果：

（1）本发明在对海上风电机组进行吊装时，吊装用的塔筒自升起重机由于附着在机组塔筒上，充分利用了基础承台自身的稳定性，解决了海上风电机组吊装的最大困难，即吊装平台的稳定性问题，吊装精度高，风险小，可靠性好。

（2）本发明相比海上风电机组整体吊装法和自升起重船分体吊装法，本发明的方法不受水深、海床地质、配套港口等条件的限制，适用性更好。

（3）本发明所使用的塔筒自升起重机结构紧凑、体积小、造价大大低于大型浮吊、自升起重船、大型履带吊的造价，可以大幅降低风电机组的安装费用。在同一风场，就能实现多台机组的同时安装，大大加快风电场的安装进度。这对海上风电场来说，由于满足海上安装作业的时间非常有限，意义尤其重大。

（4）本发明所使用的塔筒自升起重机或根据其原理制造的轻型化设备可用于海上、陆上风电场的后期维护，降低后期的维护成本。

（5）本发明可代替超级起重设备，吊装超高的塔筒结构，并对开发超高塔身的风电机组提供有效的安装方法。

附图说明

图1：本发明海上风电机组吊装准备阶段示意图；

图2：本发明安装塔筒自升起重机示意图；

图3：本发明吊装机组塔筒示意图；

图4：本发明自升过程示意图；

图5：本发明吊装机舱示意图；

图6：本发明吊装轮毂示意图；

图7：本发明吊装叶片示意图I；

图8：本发明吊装叶片示意图II；

图9：本发明拆除塔筒自升起重机示意图；

图10：本发明塔筒自升起重机结构示意图；

图11：本发明塔筒自升起重机俯视图；

图12：本发明塔筒自升起重机主视图。

附图标记说明：

1—海上风电基础承台；2—基础塔筒；3—自升起重机固定孔；4—中转平台；5—浮吊船；6—塔筒自升起重机；61—臂架；62—机台；63—伸缩悬臂固定装置；64—自升卷扬机；65—自升用钢丝绳ˉ滑轮组；66—电缆卷筒；67—平衡梁吊具；68—塔筒吊具；7—机舱；8—轮毂；9—搭接塔筒；10—吊耳；11—塔筒上自升用挂耳；12—叶片。

具体实施方式

下面结合图1和图2，对本发明做进一步说明：

塔筒自升起重机6包括起重系统、自升系统系统、固定系统、机台62、平衡梁吊具67、塔筒吊具68、叶片专用夹具、液压系统、供电系统、控制系统以及操作系统。

具体来说：

1.1、起重系统。

起重系统主要由臂架、变幅油缸、液压卷扬机、钢丝绳—滑轮组以及底座组成，共两套，对称布置在机台的两侧，可以联动操作，也可单独操作。

1.1.1、臂架。

臂架可以采用两节伸缩箱形或定长的桁架式臂架。两节伸缩臂架的构造形式具有结构紧凑、外形美观的优点，定长桁架式臂架具有结构简单、制造方便、重量轻的优点。

1.1.2、变幅机构。

变幅机构采用液压油缸变幅，可以设计成双油缸或单油缸。变幅机构的设计主要考虑三铰点的合理布置位置，达到变幅油缸推力最小、带载变幅过程中液压波动最小、臂架自重最轻等优化目标。

1.1.3、液压卷扬机。

液压卷扬机构采用内藏式行星减速器多层缠绕卷筒，定量液压马达驱动。制动器放在卷筒里面，定量马达布置在行星减速器的外面。

1.1.4、底座。

起重系统的底座结构类似汽车吊的底座，∏”结构，两面“T”型墙板用于支承臂架、变幅油缸，在墙板的根部焊有加强筋构成局部箱形。

1.2、自升系统。

自升起重机的自升系统采用钢丝绳—滑轮组提升机构，共三套，布置在塔筒圆周方向，每套自升卷扬系统主要由液压卷扬机、钢丝绳—滑轮组组成。

1.2.1、液压卷扬机。

液压卷扬机构采用内藏式行星减速器多层缠绕双联卷筒，定量液压马达驱动。制动器放在卷筒里面，定量马达布置在行星减速器的外面。为减少零部件模组，除卷筒长度外，其他零部件设计成和起升系统零部件通用，便于生产和维护。

1.2.2、钢丝绳—滑轮组。

自升系统所采用的钢丝绳-滑轮组系统由上滑轮组、平衡滑轮组、钢丝绳等组成。

上滑轮组为动滑轮组。在每次自升过程前，需利用辅助小卷扬机将上滑轮组先吊至上一节塔筒顶部的吊耳处并穿销连接，组成自升系统。为减轻滑轮组的自重，滑轮拟采用尼龙滑轮。

辅助小卷扬机用于辅助人工挂装自升系统上滑轮组，属于轻便的辅助工具。

1.3、固定系统。

当自升起重机自升到位后，固定系统用于自升起重机和塔筒之间的固定，同时将载荷传递给塔筒，自升系统可以不再承载，因此可以在吊装下一节塔筒前将临时吊耳座拆除，以免影响下一节塔筒的连接。

固定连接系统由三套伸缩悬臂梁装置组成，沿塔筒圆周布置，其中两组成90度夹角对称布置在臂架方向前部，另一组布置在后部轴线上，组成Y型布置。

伸缩悬臂采用箱形截面，前端设有带锥形的短轴，悬臂水平伸缩，伸缩机构采用液压油缸，并设有限位传感器，悬臂伸出后，短轴插入塔筒上三个相应的轴孔，用于传递上下方向的垂直载荷。起吊时，前方的两个悬臂短轴对塔筒产生向下的压力，后方悬臂的短轴对塔筒产生向上的拉力，以平衡吊重产生的力矩。变幅时，吊重重心移向塔筒中心，吊重产生的力矩逐步减小，并最终变成三个轴孔均受压，此时塔筒承受的力矩仅为自升起重机自重产生的力矩。

1.4、机台。

起重系统、自升系统、固定系统的各装置均安装在机台上。机台采用Q345低合金钢板焊接制造，应具有自重轻、刚性好、强度高的特点。

机台内侧为正八边形，为便于运输及拆除，分块制造，前后分块之间采用液压销轴连接，便于吊装完成后从塔筒上拆除和重新拼接。

机台上设置梯栏结构；

机台上设置整体吊运时的吊耳和分片吊运时的吊耳。

后机台下部设置支撑脚，便于在运输船甲板上摆放和拼装。

1.5、塔筒吊具。

由于风电机组的塔筒高度差较大，如采用上吊点的方式，势必需要很长的臂架来满足，对臂架设计带来困难。采用下吊点的方式，塔筒顶部可以高于臂架头部，可以降低对臂架长度的要求，也能更好适应吊装不同高度的塔筒。采用下吊点吊装，需要一套专用吊具来保证起吊时塔筒稳定。

塔筒吊具为半环型，方便挂拆。半环型吊具从塔筒外侧就位，不受塔筒高度的影响。吊装塔筒时，仅需根据塔筒高度，决定是否需要更换吊具下的四根吊绳，简单方便。

由于风电机组每节塔筒的直径不同，所以塔筒专用吊具必须设置伸缩的抱紧装置，抱紧装置的伸缩采用自紧设计，自紧装置共有四个，利用每根吊绳的拉力将抱紧装置靴体自动伸出，抱紧塔筒，塔筒就位后，放落吊具，在弹簧力的作用下，抱紧靴自动缩回。

吊装时，塔筒的重心位置应低于吊具上与吊钩连接的吊挂点位置，保证塔筒稳定，防止塔筒倾翻。

1.6、平衡梁吊具。

吊装机舱部件时采用单吊点，需要一根平衡梁吊具作为过渡，平衡梁吊具的两端各设置一个吊耳，用绳具连接两个吊钩。平衡梁中间下方设一可转动吊叉，用于悬挂机舱吊索。

平衡梁吊具也用于“兔子头”轮毂和最后一片叶片的吊装。

1.7、叶片专用夹具。

最后一片叶片是在轮毂下方安装的，根据叶片的重心、形状等参数设计一叶片专用夹具，在叶片上特定位置夹固连接后再吊装，以提高安装效率。

1.8、液压系统。

自升起重机上使用液压驱动的机构或装置有：起升系统液压卷扬机（变量马达两套）、臂架伸缩油缸（两套）、变幅油缸（两套）、自升系统液压卷扬机（定量马达两套）、固定系统悬臂伸缩油缸（四套）。

起升系统液压卷扬机驱动模块为变量泵和定量马达组成的恒功率系统。恒功率系统能根据载荷大小自动调节起升速度，克服定量泵-定量马达恒功率系统始终在高压下工作的缺点，从而提高液压元件的工作寿命。

1.9、安全保护单元。

起重系统的常规保护单元：载荷限制器、起重力矩限制器、幅度限制器、起升高度限制器、极限行程限制器等。

自升系统的保护单元包括：载荷限制器、高度限制器（上下极限行程限制器）、

固定系统的保护单元包括：悬臂伸缩支承装置行程限制器、抱紧靴压力传感器，水平传感器等。

液压系统的常规保护单元。

2.0、供电系统。

2.0.1、电源

电源由船用发电机组提供：可以从浮吊船电源系统接入，也可设置一条专用电源驳船，为自升起重机供电。

如果海底电缆已建设完成，风电机组安装基础上有供电电源，则更为简便。

2.0.2、供电

从基础电源接入点向自升起重机供电采用电缆卷筒方式。电缆卷筒安装在机台上。为防止电缆拉断，电缆内设有钢丝绳芯，电缆卷筒采用变频电机驱动。

2.1、控制系统。

控制系统采用PLC可编程控制器。

控制系统设置无线通信系统，运行数据无线传送至船上的监控系统。

2.2、操作系统。

自升起重机上不设司机室，采用司机在机台上有线电控门操作方式。用对讲机和指挥人员通讯，协同工作。

该海上风电机组分体吊装装置安装方法具体分为：

1：用浮吊将船上的中转平台安装到海上风电基础承台1上；

2：用浮吊将船上自升起重机吊运至基础塔筒上方套入并保持；连接电源，启动悬臂伸缩装置将短轴插入基础塔筒上的轴孔中；检查、调试自升起重机，确保自升起重机可以正常工作；

3：用浮吊将第一节塔筒吊运至中转平台；用平台上的压板临时压紧第一节塔筒下法兰，防止倾翻；

4：自升起重机通过用塔筒吊梁起吊第一节塔筒；通过油缸变幅使得第一节塔筒就位；第一节塔筒与基础塔筒通过连接法兰螺栓并预紧，完成第一节塔筒的安装；

5：通过变幅、臂架伸缩调整自升起重机重心位置以便自升；安装上滑轮组悬挂支架在第一节塔筒上部法兰上；通过辅助小卷扬机将三组自升系统上滑轮组悬挂到上滑轮组悬挂支架上；启动自升卷扬机将自升起重机升至第一节塔筒顶部；启动三组悬臂伸缩装置将悬臂短轴插入第一节塔筒轴孔；拆除上滑轮组悬挂支架； 

6：用浮吊将第二节塔筒吊运至中转平台；用平台上的压板临时压紧第二节塔筒下法兰，防止倾翻；

7：自升起重机通过用塔筒吊梁起吊第二节塔筒；通过起升及油缸变幅使得第二节塔筒就位；第一节塔筒与第二节通过法兰螺栓连接并预紧，完成第二节塔筒的安装；

8：将臂架位置调整至吊装起重机重心位于塔筒轴线上；安装上滑轮组悬挂支架到第二节塔筒上部法兰上；通过辅助小卷扬机将三组自升系统上滑轮组悬挂到上滑轮组悬挂支架上；启动自升卷扬机将自升起重机升至第二节塔筒顶部；启动三组悬臂伸缩装置将悬臂轴插入第二节塔筒轴孔；拆除上滑轮组悬挂支架；

9: 用浮吊将第三节塔筒吊运至中转平台；用平台上的压板临时压紧第三节塔筒下法兰，防止倾翻；

10：自升起重机通过用塔筒吊梁起吊第三节塔筒；通过起升及油缸变幅使得第二节塔筒就位；第三节塔筒与第二节通过法兰螺栓连接并预紧，完成第三节塔筒的安装；

11：换机舱吊梁，调整臂架幅度以调整吊装起重机重心位置；穿绕小卷扬机钢丝绳；通过小卷扬机将三组自升系统上滑轮组悬挂到第三节塔筒顶部吊耳上；启动自升卷扬机将吊装起重机升至第三节塔筒顶部；启动三组悬臂伸缩装置将悬臂轴插入第三节塔筒轴孔；

12：用浮吊将机舱吊运至中转平台；

13：自升起重机起吊机舱；升至第三节塔筒上方后人工将机舱水平旋转90°；通过臂架变幅将机舱移至第三节塔筒上方；缓慢落下就位，第三节塔筒与机舱通过法兰螺栓连接并预紧；将自升起重机吊臂平放，利用风机自升回转机构将风机转动180°；将自升起重机臂架重新竖起；

14：用浮吊将叶轮（轮毂及两叶片）吊运至中转平台，用压板临时固定，防止倾翻；

15：自升起重机起吊叶轮（轮毂及两叶片），通过起升及变幅使风轮就位，叶轮与风机通过法兰螺栓连接并预紧，完成叶轮的安装；

16：将浮吊将最后一片叶片吊运至中转平台，并临时固定叶片，防止倾翻；

17：自升起重机起吊最后一片叶片，浮吊辅助起吊，通过起升及臂架变幅使得最后一片叶片就位，最后一片叶片与风机通过法兰螺栓连接并预紧，完成风机的安装；

18：取下平衡吊梁，吊装起重机的吊钩收至上极限，转动叶轮，调整叶片位置并独立操作臂架变幅机构，使得两个臂架都位于轮毂叶片下方，同步调整臂架长度以调整自升起重机重心位置；

19：启动自升卷扬机反转，将吊装起重机慢慢放落，在放落过程中补刷油漆，并安装塔筒轴孔护盖；放落到基础塔筒轴孔位置后，启动悬臂伸缩装置将轴插入基础塔筒轴孔；拔出上滑轮组销轴，启动辅助小卷扬机将上滑轮组放落，同时自升卷扬机收回钢丝绳；

20：用浮吊拆除自升起重机，并放置到船上以备下一台风电机组使用。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种海上风电机组分体吊装装置，其特征在于：包括位于海中的海上风电基础承台（1）、中转平台（4）、多个可组合的塔筒、机舱（7）、轮毂（8）、叶片（12）、塔筒自升起重机（6）以及浮吊船（5），海上风电基础承台（1）上设有基础塔筒（2），浮吊船（5）装载多个可组合的塔筒、中转平台（4）、机舱（7）、轮毂（8）、叶片（12）和塔筒自升起重机（6）并且通过浮吊将其安装在海上风电基础承台（1）上，中转平台（4）位于海上风电基础承台（1）与浮吊船（5）之间中转放置安装部件，塔筒自升起重机（6）将多个可组合的塔筒搭接在基础塔筒（2）并沿着安装好的塔筒垂直移动，机舱（7）、轮毂（8）以及叶片（12）也通过塔筒自升起重机（6）的吊运，安装在组合后的塔筒顶部。

2.根据权利要求1所述海上风电机组分体吊装装置，其特征在于：塔筒自升起重机（6）包括起重系统、自升系统、固定系统、机台（62）、平衡梁吊具（67）、塔筒吊具（68）、叶片专用夹具、液压系统、供电系统、控制系统以及操作系统。

3.根据权利要求2所述海上风电机组分体吊装装置，其特征在于：起重系统主要由臂架、变幅油缸、液压卷扬机、钢丝绳—滑轮组以及底座组成。

4.根据权利要求2所述海上风电机组分体吊装装置，其特征在于：自升系统主要由液压卷扬机、钢丝绳—滑轮组以及固定装置组成。

5.一种海上风电机组分体吊装装置的安装方法，包括以下步骤：步骤1、吊装前准备：由浮吊或运输驳船将风电机组的机舱、塔筒、带两个叶片的轮毂、叶片等部件运输至风电机组安装承台处；由小吨位的浮吊吊装第一节塔筒到基础承台上；步骤2、安装塔筒自升起重机：利用小吨位浮吊将塔筒自升起重机套入已安装好的基础塔筒（2）并固定，通电、检查、调试塔筒自升起重机；步骤3、吊装机组塔筒：用浮吊将下一节塔筒吊运至承台上的中转平台，再操作自升起重机吊装此塔筒至已安装的塔筒上方，安装法兰螺栓完成固定；步骤4、塔筒自升起重机爬升：利用塔筒自升起重机上的自升机构将自升起重机爬升至新安装好的塔筒的顶部，并固定；重复步骤3、4完成全部塔筒的吊装，直至将塔筒自升起重机上升至塔筒的顶部并固定；步骤5、吊装机舱：用浮吊将机舱吊运至中转平台；操作自升起重机起吊机舱到塔筒顶部，通过吊装辅助绳将机舱转向后在塔筒顶部就位，连接法兰螺栓固定；风电机组机舱通电调试，并完成机舱180度掉头；步骤6、吊装轮毂：利用浮吊将带两个叶片的轮毂吊运至中转平台；操作自升起重机起吊轮毂就位，连接法兰螺栓完成轮毂的固定；步骤7、吊装叶片：起吊最后一片叶片就位，连接法兰螺栓固定，至此完成风电机组的吊装；步骤8、自升起重机的拆除：将自升起重机重从塔筒顶部降落至第一节塔筒并固定；用浮吊拆除塔筒自升起重机。

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