CN110712721A - 一种海上风场风机安装作业工程船及其作业方法 - Google Patents

一种海上风场风机安装作业工程船及其作业方法 Download PDF

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郦羽
魏锦芳
侯家怡
张海华
程红蓉
林昕
阚甜甜
邬婷
梁家健
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Abstract

本发明涉及一种海上风场风机安装作业工程船及其作业方法，包括双舷侧结构的主船体，其顶部焊装主甲板，主甲板上安装履带吊，履带吊将主甲板划分为部件存放区和叶轮组装区，叶轮组装区安装主吊机，主吊机位于主甲板的右侧侧舷上，位于主吊机前方的该侧舷上还安装有象腿工装；位于主甲板另一侧舷处的主船体内设置有与主吊机相平衡的压载舱；使用时，履带吊与副吊配合将轮毂倒扣至象腿工装上，然后主吊机配合履带吊将三个叶片依次吊装至该轮毂上组装成叶轮，最后主吊机配合履带吊将叶轮整体吊起至海上的叶轮组件处完成安装。本发明的工程船布局合理，承载能力大、作业空间大、能够满足并适用于安全、高效、自由的海上作业。

Description

一种海上风场风机安装作业工程船及其作业方法
技术领域
本发明涉及海上作业工程船技术领域，尤其是一种海上风场风机安装作业工程船及其作业方法。
背景技术
开发可再生能源风靡全世界，风能是其中最重要的一种新能源。海上风力发电作为无污染的可再生能源开发，因其具有更好的风能条件、不涉及土地征用问题、不会造成大气污染、环保价值可观等优点，受到世界各国的普遍高度重视，发展非常迅猛，但是大型海上风电设备的运输与安装需要较高水平的技术支持。
海上风电场开发建设中最重要的环节是海上安装，海上风电场的安装主要包括风机基础及机舱、叶片的安装。相对于陆上风机的安装，海上施工难度要高得多。随着风机的大型化，现有技术中的小型的船舶无法满足起重高度和起重能力的要求，使用时会出现机动能力、定位性能差的问题，且工作效率低，风浪稍大就导致无法作业。
现有技术中，海上风机的安装通过平甲板船装载风机部件或风机基础拖航到现场，再由风机安装作业工程船进行后续的安装。一艘功能先进、符合工程需求的海上风场风机安装作业工程船，不仅要统筹考虑整船造价、可变载荷、甲板面积、吊装能力、海底地质条件适应性、起重机的布置和选型、重量控制等因素，还需要考虑现场施工流程和工艺需要。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的海上风场风机安装作业工程船及其作业方法，该作业工程船综合能力强，现场施工流程安全高效，从而极大地提高了作业效率，大大降低了运营成本。
本发明所采用的技术方案如下：
一种海上风场风机安装作业工程船，包括主船体，所述主船体为双舷侧结构，所述主船体顶部焊装有主甲板，所述主甲板上安装有履带吊，所述履带吊将主甲板划分为部件存放区和叶轮组装区，所述叶轮组装区安装有主吊机，所述主吊机位于主甲板的一侧舷上，位于主吊机前方的该侧舷上还安装有象腿工装；位于主甲板另一侧舷处的主船体内设置有与主吊机相平衡的压载舱。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述主船体的两侧舷上对称焊装有多个固桩室，贯穿单个固桩室安装有桩腿，多个桩腿分别通过固桩室内的升降装置实现对主船体的支撑和升降；单个升降装置包括两套相互独立的液压插销式升降系统。
所述固桩室的数量为四个，并对称安装于主船体的两侧舷上，主船体右舷后部的固桩室处安装主吊机，象腿工装位于主船体右舷的两个固桩室之间。
单个升降装置的结构为：包括上下间隔布置并套装于桩腿上的两个环梁，单个环梁由升降油缸驱动实现相对于桩腿轴向的移动；所述环梁通过插销与桩腿固定，所述插销由液压缸驱动；所述固桩室与桩腿之间设置有导向结构。
位于主甲板下方的主船体内设置有设备甲板，位于设备甲板下方的主船体底部设置有外舱底，所述设备甲板和外舱底构成主船体的双层底结构；所述设备甲板上由多个相互垂直的纵舱壁和横舱壁划分为多个舱室，所述设备甲板中部沿着艏艉方向依次设置为生活娱乐区、辅机舱和主机舱，所述设备甲板侧舷处设置有机修间和配电板室。
所述外舱底中部沿着艏艉方向依次设置有生活防水舱、饮水舱和燃油舱；压载舱设置于外舱底的侧舷处，所述外舱底的艏部和艉部均设置有压载舱；所述外舱底的侧舷处还设置有淡水舱和灰水舱，其余舱室为空舱。
所述主甲板艏部的中间位置设置有上层建筑，所述上层建筑包括控制室和居住舱室；位于上层建筑旁边的主甲板艏部安装有就位锚泊系统；所述主甲板船艏部对称安装有拖带板眼；所述主甲板艏艉两舷处安装有由液压驱动的四点锚泊系统，四点锚泊系统包括定位锚。
所述主吊机为全回转绕桩塔式起重机，其起吊能力为600吨，距主甲板的吊高为116米；所述履带吊的起吊能力为200吨，履带吊配合主吊机施工作业；位于象腿工装前部的主甲板上还安装有10吨的副吊。
所述象腿工装与轮毂配合，象腿工装通过紧固件固定轮毂；所述主甲板上还安装有海水塔和软管绞车系统。
一种所述的海上风场风机安装作业工程船的作业方法，包括如下步骤：
第一步：工程船由锚艇拖航至作业区域，通过GPS系统完成初步定位；起锚艇将四点锚泊系统的定位锚运送至预设位置抛锚，通过定位锚调整工程船位置，通过出绳长度、速度以及动静态张力对工程船进行精确定位；
第二步：固桩室内的升降油缸工作，两个环梁交替由升降油缸驱动相对于桩腿轴向移动，并通过液压缸驱动插销将环梁相对于桩腿固定，使得工程船脱离并抬出海平面，海水塔和软管绞车系统则探入海平面内；
第三步：由履带吊和副吊相配合，将轮毂从部件存放区吊装并倒扣至象腿工装上，通过紧固件将轮毂与象腿工装紧固；
第四步：履带吊与主吊机配合，将三个风机叶片依次从部件存放区吊装至象腿工装上的轮毂处，并通过紧固件将风机叶片与轮毂拼装形成叶轮；
第五步：将第四步中叶轮的叶片变桨到预设位置；由主吊机配合履带吊将叶轮吊装提升至叶轮组件处，使得叶轮轮毂的法兰平面与叶轮组件发电机的法兰平面处于同一水平面处；
第六步：履带吊松下索具，叶轮与叶轮组件对接，完成安装。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，在总体功能布局上进行优化，设计考虑在四级海况下正常作业，五级海况下安全迁移，满足全年260天以上出航作业条件，从而保证该船在海上风电场开发建设安装作业中，满足承载大、安全高效、作业自由的特点；
本发明提供了一种能够精准定位、高效升降，适用于恶劣海况，安全、灵活、作业高效的自升式风电安装平台，最大限度地利用了主甲板面积，提高了主甲板周围作业区域的利用率，并能够实现风机叶片、轮毂、塔筒、机舱各大部件的快速大范围吊运转移、叶轮在主甲板上的高效拼装、以及叶轮一体起吊安装施工，大大减少作业人员高空作业时间，减少了人工作业难度和作业危险系数，极大地保证和满足了海上风电场风机部件安全、高效、便捷的安装。
本发明还包括如下优点：
液压插销式升降系统体积占比小，投资成本低，且自重轻和维护方便；桩腿采用圆柱形结构，重量轻，体积小；升降装置采用双动环梁双液压系统，且该两套升降系统工作时相互独立，均具有升降能力；
主吊机安装于主船体的右舷固桩室上，为不对称的主吊布置形式，不仅腾出了大量的主甲板作业空间，而且在起吊工件进行定位和调整方向时也更加灵活自由，再配合履带吊，能够大范围移动大型风机组件到指定安装位置或工件组装位置；主船体内部布置压载舱，使得主船体整体平稳。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为本发明固桩室的结构示意图。
图4为图3中沿A-A的局部剖视图。
图5为本发明设备甲板的结构示意图。
图6为本发明外舱底的结构示意图。
图7为本发明在叶轮安装时的示意图。
图8为本发明将叶轮安装至叶轮组件时的示意图。
其中：1、主船体；2、桩腿；3、固桩室；4、主吊机；5、软管绞车系统；6、海水塔；7、副吊；8、上层建筑；9、就位锚泊系统；10、四点锚泊系统；11、拖带板眼；12、象腿工装；13、履带吊；14、履带行驶区；15、部件存放区；16、液压泵站；17、辅机舱；18、主机舱；19、机修间；20、配电板室；21、压载舱；22、燃油舱；23、淡水舱；24、灰水舱；25、饮水舱；26、生活防水舱；27、叶轮；28、叶轮组件；29、海平面；30、生活娱乐区；101、主甲板；102、设备甲板；103、外舱底；104、横舱壁；105、纵舱壁；31、环梁；32、升降油缸；33、导向结构；34、插销；35、液压缸；81、控制室；82、居住舱室；271、叶片一；272、叶片二；273、叶片三。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，本实施例的海上风场风机安装作业工程船，包括主船体1，主船体1为双舷侧结构，主船体1顶部焊装有主甲板101，主甲板101上安装有履带吊13，履带吊13将主甲板101划分为部件存放区15和叶轮组装区，叶轮组装区安装有主吊机4，主吊机4位于主甲板101的右侧侧舷上，位于主吊机4前方的该侧舷上还安装有象腿工装12；位于主甲板101另一侧舷处的主船体1内设置有与主吊机4相平衡的压载舱21。
主船体1的两侧舷上对称焊装有多个固桩室3，贯穿单个固桩室3安装有桩腿2，多个桩腿2分别通过固桩室3内的升降装置实现对主船体1的支撑和升降；单个升降装置采用油缸倒挂式，包括两套相互独立的液压插销式升降系统。
固桩室3的数量为四个，并对称安装于主船体1的两侧舷上，主船体1右舷后部的固桩室3处安装主吊机4，象腿工装12位于主船体1右舷的两个固桩室3之间。
如图3所示，单个升降装置的结构为：包括上下间隔布置并套装于桩腿2上的两个环梁31，单个环梁31由升降油缸32驱动实现相对于桩腿2轴向的移动；环梁31通过插销34与桩腿2固定，插销34由液压缸35驱动，如图4所示；固桩室3与桩腿2之间设置有导向结构33，该导向结构33采用耐磨材料，具有导向桩腿2、承载水平载荷的功能；升降装置的液压泵站16设置于主船体1内的设备甲板102上。
单个环梁31沿周向开有销孔，桩腿2上沿轴向开有多个与销孔配合的圆孔，插销34在液压缸35的驱动下穿过其中一个销孔和圆孔实现环梁31与桩腿2的连接。
位于主甲板101下方的主船体1内设置有设备甲板102，位于设备甲板102下方的主船体1底部设置有外舱底103，设备甲板102和外舱底103构成主船体1的双层底结构以加强防碰撞性能；如图5所示，设备甲板102上由多个相互垂直的纵舱壁105和横舱壁104划分为多个舱室，设备甲板102中部沿着艏艉方向依次设置为生活娱乐区30、辅机舱17和主机舱18，设备甲板102侧舷处设置有机修间19和配电板室20。
如图6所示，外舱底103中部沿着艏艉方向依次设置有生活防水舱26、饮水舱25和燃油舱22；压载舱21设置于外舱底103的左侧侧舷处，外舱底103的艏部和艉部均设置有压载舱21；外舱底103的侧舷处还设置有淡水舱23和灰水舱24，其余舱室为空舱。
纵舱壁105和横舱壁104组成主船体1内部的箱体结构，形成具有足够抗扭刚度的主体结构。
主甲板101艏部的中间位置设置有上层建筑8，上层建筑8包括控制室81和居住舱室82；位于上层建筑8旁边的主甲板101艏部安装有就位锚泊系统9；主甲板101船艏部对称安装有拖带板眼11；主甲板101艏艉两舷处安装有由液压驱动的四点锚泊系统10，四点锚泊系统10包括定位锚。
主吊机4为全回转绕桩塔式起重机，其起吊能力为600吨，距主甲板101的吊高为116米；履带吊13的起吊能力为200吨，履带吊13配合主吊机4施工作业，履带吊13的履带行驶区14沿着主船体1的艏艉方向整体呈T型结构布置；位于象腿工装12前部的主甲板101上还安装有10吨的副吊7。
象腿工装12与轮毂配合，象腿工装12通过紧固件固定轮毂；主甲板101上还安装有海水塔6和软管绞车系统5；当工程船的主船体1通过升降装置抬出水面进行作业时，海水塔6和软管绞车系统5在工程船作业过程中进行海水的供给，并互为备用。
将三个叶片装至一个轮毂上，完成一个叶轮27的组装，再将叶轮27整体安装至海上的叶轮组件28顶部，完成风机的组装。
本作业工程船为无动力平台，船体总长约120～130m，船体宽度约为35～40m，型深约为3～7m。
本实施例的海上风场风机安装作业工程船的作业方法，包括如下步骤：
第一步：工程船由锚艇拖航至作业区域，通过GPS系统完成初步定位；起锚艇将四点锚泊系统10的定位锚运送至预设位置抛锚，通过定位锚调整工程船位置，通过出绳长度、速度以及动静态张力对工程船进行精确定位；
第二步：固桩室3内的升降油缸32工作，两个环梁31交替由升降油缸32驱动相对于桩腿2轴向移动，并通过液压缸35驱动插销34将环梁31相对于桩腿2固定，使得工程船脱离并抬出海平面29，海水塔6和软管绞车系统5则探入海平面29内；
第三步：由履带吊13和副吊7相配合，将轮毂从部件存放区15吊装并倒扣至象腿工装12上，通过紧固件将轮毂与象腿工装12紧固；
实际使用时，亦可从其他拖船上取用叶片、轮毂等零部件。
第四步：履带吊13与主吊机4配合，将叶片一271、叶片二272、叶片三273三个风机叶片依次从部件存放区15吊装至象腿工装12上的轮毂处，并通过紧固件将风机叶片与轮毂拼装形成叶轮27，如图7所示；
第五步：将第四步中叶轮27的叶片变桨到预设位置；由主吊机4配合履带吊13将叶轮27吊装提升至叶轮组件28处，使得叶轮27轮毂的法兰平面与叶轮组件28发电机的法兰平面处于同一水平面处，如图8所示；
第六步：履带吊13松下索具，叶轮27与叶轮组件28对接，完成安装。
本发明为适用于恶劣海况且安全、灵活、作业高效的自升式风电安装平台，实现了叶轮在主甲板上的高效拼装及叶轮与海上叶轮组件的安装，作业效率高，使用性能好。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种海上风场风机安装作业工程船，包括主船体(1)，其特征在于：所述主船体(1)为双舷侧结构，所述主船体(1)顶部焊装有主甲板(101)，所述主甲板(101)上安装有履带吊(13)，所述履带吊(13)将主甲板(101)划分为部件存放区(15)和叶轮组装区，所述叶轮组装区安装有主吊机(4)，所述主吊机(4)位于主甲板(101)的一侧舷上，位于主吊机(4)前方的该侧舷上还安装有象腿工装(12)；位于主甲板(101)另一侧舷处的主船体(1)内设置有与主吊机(4)相平衡的压载舱(21)。
2.如权利要求1所述的一种海上风场风机安装作业工程船，其特征在于：所述主船体(1)的两侧舷上对称焊装有多个固桩室(3)，贯穿单个固桩室(3)安装有桩腿(2)，多个桩腿(2)分别通过固桩室(3)内的升降装置实现对主船体(1)的支撑和升降；单个升降装置包括两套相互独立的液压插销式升降系统。
3.如权利要求2所述的一种海上风场风机安装作业工程船，其特征在于：所述固桩室(3)的数量为四个，并对称安装于主船体(1)的两侧舷上，主船体(1)右舷后部的固桩室(3)处安装主吊机(4)，象腿工装(12)位于主船体(1)右舷的两个固桩室(3)之间。
4.如权利要求2所述的一种海上风场风机安装作业工程船，其特征在于：单个升降装置的结构为：包括上下间隔布置并套装于桩腿(2)上的两个环梁(31)，单个环梁(31)由升降油缸(32)驱动实现相对于桩腿(2)轴向的移动；所述环梁(31)通过插销(34)与桩腿(2)固定，所述插销(34)由液压缸(35)驱动；所述固桩室(3)与桩腿(2)之间设置有导向结构(33)。
5.如权利要求1所述的一种海上风场风机安装作业工程船，其特征在于：位于主甲板(101)下方的主船体(1)内设置有设备甲板(102)，位于设备甲板(102)下方的主船体(1)底部设置有外舱底(103)，所述设备甲板(102)和外舱底(103)构成主船体(1)的双层底结构；所述设备甲板(102)上由多个相互垂直的纵舱壁(105)和横舱壁(104)划分为多个舱室，所述设备甲板(102)中部沿着艏艉方向依次设置为生活娱乐区(30)、辅机舱(17)和主机舱(18)，所述设备甲板(102)侧舷处设置有机修间(19)和配电板室(20)。
6.如权利要求5所述的一种海上风场风机安装作业工程船，其特征在于：所述外舱底(103)中部沿着艏艉方向依次设置有生活防水舱(26)、饮水舱(25)和燃油舱(22)；压载舱(21)设置于外舱底(103)的侧舷处，所述外舱底(103)的艏部和艉部均设置有压载舱(21)；所述外舱底(103)的侧舷处还设置有淡水舱(23)和灰水舱(24)，其余舱室为空舱。
7.如权利要求1所述的一种海上风场风机安装作业工程船，其特征在于：所述主甲板(101)艏部的中间位置设置有上层建筑(8)，所述上层建筑(8)包括控制室(81)和居住舱室(82)；位于上层建筑(8)旁边的主甲板(101)艏部安装有就位锚泊系统(9)；所述主甲板(101)船艏部对称安装有拖带板眼(11)；所述主甲板(101)艏艉两舷处安装有由液压驱动的四点锚泊系统(10)，四点锚泊系统(10)包括定位锚。
8.如权利要求1所述的一种海上风场风机安装作业工程船，其特征在于：所述主吊机(4)为全回转绕桩塔式起重机，其起吊能力为600吨，距主甲板(101)的吊高为116米；所述履带吊(13)的起吊能力为200吨，履带吊(13)配合主吊机(4)施工作业；位于象腿工装(12)前部的主甲板(101)上还安装有10吨的副吊(7)。
9.如权利要求1所述的一种海上风场风机安装作业工程船，其特征在于：所述象腿工装(12)与轮毂配合，象腿工装(12)通过紧固件固定轮毂；所述主甲板(101)上还安装有海水塔(6)和软管绞车系统(5)。
10.一种权利要求1所述的海上风场风机安装作业工程船的作业方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：工程船由锚艇拖航至作业区域，通过GPS系统完成初步定位；起锚艇将四点锚泊系统(10)的定位锚运送至预设位置抛锚，通过定位锚调整工程船位置，通过出绳长度、速度以及动静态张力对工程船进行精确定位；
第二步：固桩室(3)内的升降油缸(32)工作，两个环梁(31)交替由升降油缸(32)驱动相对于桩腿(2)轴向移动，并通过液压缸(35)驱动插销(34)将环梁(31)相对于桩腿(2)固定，使得工程船脱离并抬出海平面(29)，海水塔(6)和软管绞车系统(5)则探入海平面(29)内；
第三步：由履带吊(13)和副吊(7)相配合，将轮毂从部件存放区(15)吊装并倒扣至象腿工装(12)上，通过紧固件将轮毂与象腿工装(12)紧固；
第四步：履带吊(13)与主吊机(4)配合，将三个风机叶片依次从部件存放区(15)吊装至象腿工装(12)上的轮毂处，并通过紧固件将风机叶片与轮毂拼装形成叶轮(27)；
第五步：将第四步中叶轮(27)的叶片变桨到预设位置；由主吊机(4)配合履带吊(13)将叶轮(27)吊装提升至叶轮组件(28)处，使得叶轮(27)轮毂的法兰平面与叶轮组件(28)发电机的法兰平面处于同一水平面处；
第六步：履带吊(13)松下索具，叶轮(27)与叶轮组件(28)对接，完成安装。
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