摘要：各个风电机厂家对各自不同机型的风电机，均有各自特定的吊装方式，在施工过程中，应根据不同的风机机型、施工环境等因素，选择合适的施工方法。本文介绍了上海电气4兆瓦风机工装塔筒单叶片吊装、机舱-轮毂-叶片整体安装的施工技术，研制了机舱-轮毂-叶片整体安装专用吊具，为单叶片安装、机舱-轮毂-叶片整体安装设置了安全可靠的缆风绳系统，保证了叶片、机舱-轮毂-叶片整体安装平稳可靠的安装，为风机海上整体安装提供了一种新的组装方式。
关键词：单叶片安装；整机吊装；专用吊具；缆风系统；工装塔筒
1、概况
1.1 工程概况
国电舟山普陀6号海上风电场2区工程位于舟山市六横岛东南侧，风场东西长约12km，南北宽约3~5km，总面积约50km2。风场场区内海底地形变化较小，水深在12m~16m之间。风电场总装机容量为252MW，布置63台上海电气SWT-4.0-130风电机组，风电机组采用平行排列的布置方式，风机行内间距400m，行间距2100m，风机基础结构形式为高桩承台基础结构形式。
1.2总体施工方法
根据本工程节点工期目标、施工海域工况、结构特点等条件，风机安装采用海上整体安装的总体方案，主要施工方法为利用组装基地码头起重机将风机各部件在风机专用运输驳上组装，整体运输至风电场，采用大型起重船进行风机整体安装，柔性和精定位安装体系就位。
风机在运输驳上组装需要根据不同风机厂家的技术要求，结合风机组装基地码头前沿的水文、气象等自然条件，制定针对性的施工方案。
本工程采用上海电气SWT-4.0-130风电机组，根据厂家安装手册的工艺要求，在风机塔架组装完成后，直接在塔架上进行机舱和轮毂吊装，然后依次进行三片叶片安装。
2、技术要点和难点
2.1 技术要点
风机在运输驳上组装过程中运输驳会因风、潮、涌等影响产生前后左右摇摆及上下起伏等不规则运动。根据观测，风机运输驳的上下升沉位移相对较大，当船舶升沉超过一定范围时，叶片与轮毂组合的螺栓易受剪力影响，这将对安装质量产生极大的危害。如何规避或者减少此类不利因素的影响，是保证风机安装质量的关键。
根据对六横组装基地码头前沿的水文及气象条件进行分析，结合公司在东海风电、临港风电等多个海上风电安装的施工经验，本工程风机机舱、轮毂和叶片吊装采用“工装塔筒”工艺方案，即在码头前沿配置一座工装塔筒，在工装塔筒上完成机舱、轮毂和叶片组装，然后将机舱-轮毂-叶片组合（以下简称“整机”）整体吊装至风机运输驳的上塔筒上。该方案将叶片和轮毂组装工序由“静-动”转变为“静-静”吊装，有效地规避船舶升沉对高强度螺栓的影响，保证叶片组装的质量。
2.2 技术难点
在工装塔筒上安装机舱、轮毂和叶片的工艺与厂家要求的工艺基本相同，如何将“整机”吊装至风机运输驳的上塔筒上是本工艺方案实现的关键。
主要有以下二个技术难点：
（1）该风电机原有的吊点仅适用于机舱和轮毂组合吊装，如何在原有的吊点的基础上，进行合理的布置，并适配相应的“整机”专用吊具，是本工艺方案实施的基础；
（2）该风电机采用的叶片的背部及叶尖上缘均设置了锯齿状的气动附件，如何在叶片上布置缆风绳，是本方案实施的安全保障。
3、“整机”专用吊具
本工程风机机舱和轮毂组合重量为185.8吨，三片叶片安装完成后，“整机”重量增加至240.7吨，重心也发生了变化。
因此，在进行“整机”吊具设计时主要有以下二个关键技术点：
（1）“整机”的重量增加了54.9吨（即三片叶片的重量）。根据厂家的技术要求，机舱和轮毂上的吊点无法改变，且不能承受增加的重量。经过综合考虑，在叶片上设置二个辅助吊点，用于承受增加的重量。
（2）由于叶片呈现不规则形状，“整机”的重心难以精确计算。在吊装过程中需要保证“整机”尽量水平，并保持各吊点受力在限制荷载之内。因此，在吊具的前部设置了杠杆，用于平衡轮毂和叶片吊点受力，在轮毂的吊点上设置长度调节装置，用于调整“整机”吊具的重心。
经过以上分析，结合其他项目整体吊装的经验，联合上海电气设计了“整机”专用吊具。“整机”专用吊具兼顾了机舱和轮毂组合吊装和“整机”吊装二种吊装方式，主体结构参照机舱轮毂专用吊具设计，结构上进行加强。整体吊具结构及布置见图1。
图1：整体吊具结构及布置图
该吊具主要由顶部吊具、主吊梁、配重块等组成，并配置相应的吊带、卸扣等。
主吊梁由主梁、尾梁、中间杠杆等组成；顶部吊具和主吊梁及起重机吊钩之间采用吊带连接；中间杠杆设置在主吊梁前部，与轮毂之间设置了一只花兰螺栓，用于调节和平衡轮毂和叶片二者的吊点，如图2所示。
图2：中间杠杆调整示意图
机舱和轮毂的吊点不变，设置在原有的机舱和轮毂组合吊装的吊点上，通过吊带与主吊梁连接。
由于机舱和轮毂原有的吊点无法承受增加的叶片重量，在保证机舱和轮毂原吊点载荷不变的基础上，在其中二片叶片的根部增加叶片辅助吊点，分别采用二根30吨扁平吊带与中间杠杆相连。
4、叶片缆风绳系统
叶片密度较小、受风面积大，在进行与叶片相关的吊装时，必须设置可靠的缆风系统，以保证吊装过程的安全。
4.1机械缆风绳装置
本工程叶片长度63.45米，叶片以立面状态进行吊装，受风力载荷很大，加上叶片吊装高度达65米以上，人工牵引缆风绳很难保证叶片吊装过程的稳定。因此在主吊机（1600T履带吊）上设置机械缆风装置，能有效的解决该问题。
机械缆风系统主要由三个部分组成：主梁和三角架、卷扬系统（卷扬机及钢丝绳）及控制系统，如图3所示。
图3：机械缆风装置
主梁和三角架通过卡箍固定在1600T履带吊大臂上，主梁和三角架之间的间距，可根据叶片吊装的高度来确定。
卷扬机固定在主梁上，牵引钢丝绳延伸至三角架，拉直后作为叶片夹具卷扬机钢丝绳的滑道，叶片夹具卷扬机钢丝绳单根拉力可达100KN。
叶片吊装过程中，通过控制柜内的手持操作器，控制牵引钢丝绳的伸缩，使叶片处于稳定状态，并根据吊装工况，及时调节叶片姿态，使叶片平稳、精确地与轮毂对接。
4.2“整机”吊装缆风绳布置
“整机”组装完成后重约240吨，叶轮直径为130m，重量重、受风面积大，必须设置可靠的缆风系统，控制“整机”吊装过程中的方向，才能防止机舱或者叶片与吊车臂架相碰，保证“整机”吊装时设备的安全。
“整机”专用吊具长度为13.98米，两端设有缆风绳挂点。但由于叶片受风面积大，缆风牵引力臂太短，整体吊过程中缆风绳很难起到调节及稳定作用。
为增大力臂长度，需要将缆风绳设置在叶片的尖部。“整机”吊装时三片叶片呈现正Y形态，为保证缆风绳牵引的效果，左右两翼叶片均设置两根缆风绳，在吊装过程中四根缆风绳根据机舱轮毂叶片的回转，两根作为主缆风，两根作为辅缆风，如图4所示。
图4：“整机”吊装缆风绳布置示意图
由于叶身上布置有疏风齿、涡流发生器等气动附件，在安装和拆除缆风绳及吊装过程中，需避免其损坏。
在叶片结构强度满足缆风绳牵引拉力的前提下，为了最大限度地保证缆风绳力臂长度，同时保护叶尖疏风齿不受损坏，将缆风绳的挂点选在叶尖支架前1-2米处，涡流发生器通过专用夹板进行保护，见图5。
图5：叶片缆风绳挂点布置图
叶片挂点选用两根5T*6米的吊带；叶片薄缘位置采用羊毛垫或其他柔软物品进行保护；为防止吊带、专用夹板、羊毛垫等在吊装过程中脱落，采用2根5T的收紧带固定，如图5所示。
“整机”吊装时叶片吊点、整体吊叶片缆风绳挂点均在叶片吊装前布置完成，最大程度的减少高空作业；在整体吊完成后，将叶片盘车至垂直向下的状态，通过吊机使用吊篮搭载高空作业人员进行拆除，拆除过程需做好安全防护措施。
5、主要施工方法
风机上塔筒在运输驳上安装完成后，即可将预组拼完成的机舱轮毂吊装至工装塔筒顶部，然后采用叶片专用夹具将三片叶片依次与轮毂在工装塔筒上完成对接，再将“整机”吊装至运输驳的上塔筒上。
5.1 机舱和轮毂吊装
采用专用吊具将机舱和轮毂组合起吊至平板小车上，运输至码头前沿，利用码头吊机将机舱和轮毂组合起吊至工装塔筒上，按要求紧固好连接螺栓，安装完成后进行避雷针接线。
5.2 叶片吊装
叶片吊装前，在二片叶片上安装“整机”吊装所用的叶根吊带和缆风绳挂点。
（1）根据“整机”吊装时叶轮呈现的姿态确定设置吊点的二片叶片，根据叶片起吊方向将扁吊带环绕紧固在叶根指定位置上，并通过吊带绑扎网将吊带固定在叶片上，固定的位置应与叶片防雨罩及气动锯齿均无干涉，如图6所示。
（2）根据本文4.2的方法安装叶片缆风绳挂点。
（3）采用叶片专用吊具进行单叶片安装，将叶片利用平板车运输至码头前沿，利用码头吊机将叶片缓缓吊起，拆除叶片支架。
（4）吊装过程中，利用叶片吊装专用缆风绳系统，控制牵引钢丝绳的伸缩，使叶片处于稳定状态，并根据吊装工况，及时调节叶片姿态，使叶片平稳、精确地与轮毂对接。
（5）叶片呈水平状态慢慢吊于轮毂叶根轴承法兰接口处；通过安装调试电源盒对轮毂轴承进行变桨微调，所有螺栓顺利穿入变桨轴承孔内，带上螺母，按要求紧固螺栓。采用同样的方式，安装其他两片叶片。
图6：叶片吊点布置图
5.3 “整机”吊装
叶片安装完成后，将叶片盘车至正Y状态，将“整机”专用吊具与各吊点相连，进行“整机”安装。
整体起吊前，四根缆风绳各安排人员一组人员牵引，每组人员均配备对讲机，由主起重指挥统一发号指令；由于码头位置比较紧凑，需提前考虑好叶片缆风绳的角度，安排船舶作为缆风绳占位点，配合整体起吊安装。
检查确认吊具连接状态和缆风绳牵引情况，缓慢提升吊钩，使各吊点受力。整体吊具轮毂吊点为花兰螺栓连接，由于吊带制作精度及安装位置的误差，轮毂吊点连接后中间杠杆不一定水平，需通过调节花兰螺栓使中间杠杆基本水平，如图2所示。
当目测机舱吊点、轮毂吊点吊带均垂直向下，调整1600T吊机主钩预拉力至240T（“整机”重量）。
拆除机舱与工装塔筒连接螺栓时，密切观察机舱移动趋势，并适时调整吊机主吊臂，保证所有螺栓大致处于螺栓孔中心位置；螺栓不宜一次全部拆除，应至少保留3颗（这三颗螺栓最好为双头螺杆，待机舱-轮毂-叶片整体脱离工装塔筒法兰时，能较方便的松除螺帽）；
起吊过程中需测量并保证偏航刹车盘与水平面之间夹角不大于3度，如图7所示。
首台吊装时还应记录叶片吊带周向固定位置、调整后华兰螺栓长度，为吊装后续调整做调整参考。
图7：起吊时偏航刹车面示意图
吊机将“整机”起吊离开工装塔筒后，1号缆风绳和3号缆风绳作为主缆风，2号和4号缆风绳作为辅助缆风绳，控制“整机”转动方向。在“整机”向运输驳塔筒转动的过程中，2号和4号缆风绳需逐渐变成主缆风绳、1号和3号缆风绳逐渐变为辅助缆风绳。回转过程中，通过缆风绳控制吊机主臂与叶片和机舱的相对位置，防止主臂与“整机”相碰。
吊机将“整机”吊至运输驳塔筒上方后，通过缆风绳对“整机”角度进行微调，将事先装在机舱上的定位销与塔筒的法兰孔精确对接，穿上高强度连接螺栓，吊装工况如图8所示。
图8：“整机”吊装图
螺栓连接完成后，按要求完成力矩终紧。至此，一台4.0-130风电机组组装完成。
6、结语
随着近些年海上风电积极探索和实践，我国海上风电进入大规模发展阶段，呈现出风电机型多样化、施工环境复杂化、施工机械丰富化等特点，风电机安装技术需要针对不同的施工环境、风机机型等因素，选择合适的施工工艺，配备相应的施工机械。本文结合国电舟山普陀6号风场2区工程海上风机安装项目，针对上海电气SWT-4.0-130风电机组，开发了工装塔筒单叶片吊装、机舱-轮毂-叶片整体安装等施工技术，保证了叶片、机舱-轮毂-叶片整体安装平稳可靠的安装，为风机海上整体安装提供了一种新的安装模式，拓宽了风机组装的思路。
参考文献：
[1]《4.0-130机组整体吊装吊具使用说明》上海电气风能有限公司
论文作者:李俊来,陈辉
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/22
标签：叶片论文; 轮毂论文; 机舱论文; 整机论文; 风机论文; 螺栓论文; 吊具论文; 《基层建设》2018年第6期论文;