荣洪宝
中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司三两两 浙江杭州 311122
摘要：海上风电场风机设备安装工程是整个海上风电场工程建设中的重要工作，其中又以风电机组零散设备物资的陆域组装工作为关键工序。风机设备的陆域组装工作具有较大的差异性，其中以整体安装方案中的陆域组装工作最为复杂，本文以江苏省东灶港为拟定的组装基地，对其承担风机设备整体陆域组装与出运的全部工作进行了模拟化设计，提出了合理的解决方案与工效分析参数，为其它类似工程的规划设计提供了借鉴。
关键词：海上风电场工程风机设备整体安装方案 陆域组装与运输的工艺设计 工效分析
1 概 述
目前海上风电场工程中采用的风机安装方案，根据风机零散设备的陆上组合方式与海上吊装工艺，可总体分为整体组合安装与分体组合安装两种方案，其中整体组合安装的方案在陆域的组拼装工作量最大，工艺最为复杂。
为降低海上安装的困难程度，需要在陆域条件下对零散风机设备进行合理的组合，整体组合与安装的方案中在陆域组装的内容与完整程度是关系风机安装工程顺利进行的关键工序，但受工程周边港口设施基础条件的限制，风机陆域组装在工艺和布置上差异性较大，工效上也有较大的不同。
东灶港是江苏省南部海域的一个大型港口设施，具有数个万t级码头泊位，同时在码头后方有较大面积的堆存场地，优越的基础设施为风机陆域组装工作提供了便利的条件，承担过江苏某海上风电场工程风机设备整体陆域组装与出运的工作，本文以东灶港为拟定的组装基地设施，对其承担风机整体陆域组装与出运的全部工作进行了模拟化设计，从理论上对方案进行了精细化设计并对工效进行了合理化分析与评估工作。
2 风机设备整体组装基地设施比选
2.1 陆域组装与运输的工作对港口设施的需求
风机整体组合与安装的方案中需要在陆域完成全部零散设备物资的组拼装工作，但风机设备属于结构尺寸大型化、精密易碎性质的物资，因此对组装基地的规模提出了相对较高的需求：
（1） 根据风机设备等物资的运输来向与方式，组装基地应有良好的对外交通条件，并具备公路、水路等多种运输转换途径，对于进出港航道应满足大型船只正常运行的要求，与风电场风机布置区之间的场内运输距离相对合理。
（2） 根据风机预组装和大件物资运输转运的要求，码头宜配置大型起重设备，码头前沿应有较为宽阔平整的施工场地，满足重大件物资对摆放与操作空间的需求。
（3） 港口宜具有两个及以上以上大吨位等级的泊位设施，可同时满足两项不同工作的操作施工。具体根据施工内容的不同，对于风机设备组装，宜配套1万t级及以上泊位进行船只停泊作业，对于风机设备等大件物资的装卸，宜配套2000t级及以上泊位进行船只停泊作业。
（4） 码头作业区与后方陆域操作区有良好的场内物流运输条件，满足大尺寸超重量设备物资不同区域转运的需求。
（5） 组装基地后方陆域宜有开阔和较大范围的场地条件，满足物资堆存转运和组装对场地面积的要求，可灵活方便布置各类仓库设施。
2.2 东灶港设施介绍
东灶港位于江苏省南部海域，海门市滨海产业区内，码头前沿线位于砺蚜山前缘西侧，小庙洪水道-11.0～-12.0m等深线处，主要建设包括2座2万吨级通用码头，码头与后方围垦区相连的栈桥一座及前方候工楼三大主要单体水工结构物。
码头平台长度392m，宽40m，码头面荷载2t/m2，码头与后方陆域之间建设引桥一座，引桥长3714m，标准桥宽10m，荷载标准为超汽20，挂-120，西侧预留皮带机廊道桥，桥宽5m，引桥上共设置了3跨错车带，错车跨桥面加宽至20.5m。在码头后沿布置了前方候工楼一座，共三层，总建筑面积1176.3m2。港口配套起重设施方面，共设置2台40t级（额定起重能力）的全回转起重机。
后方道路、堆存场地等陆域设施在海堤外滩涂上已经圈围吹填形成，具有10万m2以上的场地条件，东灶港规模较大的基础设施符合风机整体安装方案对施工堆存场地设施的需求。
3 整体组装方案陆域组装工艺研究与模拟化施工设计
3.1 东灶港码头组装工作的方案设计
风机零散设备在陆域整体组装工作的流程为：风机部件装卸进场→风机部件拼装→风机整机出运。
（1） 风机部件装卸进场
风机部件运输主要有陆运和海运两种，风机部件进场的主要工艺流程为：到场设备验收→设备卸车（船）→设备存放。
陆运设备卸车及存放：陆运设备一般为塔架内部电气设备，包括内置箱式变压器、各种盘柜等数量较多的中小型电气设备物资，因生产厂家大部分位于内陆地区且生产设规模有限，因此多采用灵活便利的公路运输方式进行运输，设备到达后方的陆域场地后可通过80t履带吊和5t叉车按设备场地布置要求卸至后方堆场的指定位置。
海运设备卸船及存放：对于海上风电工程用的风机设备部件，单机规模大部分为3.0MW及以上，各部件在尺寸与重量上远超出常规的陆上风力发电机组，常规的公路运输因限高、转弯半径等方面的要求已经无法满足设备的运输需求，因此海运是海上风电风机设备的主要运输方式。东灶港设置有专门的材料物资运输码头，可考虑塔筒、桨叶、轮毂与机舱等大件物资通过海路进行运输，运输货船停靠拼装码头后，通过码头前沿1000t级履带吊和自有的40t级全回转港用吊机卸至平板运输车上运输至堆场内堆放。其中桨叶、塔筒等大部分物资均考虑运输至后方堆场进行二次转运，考虑东灶港栈桥设施的承载能力有限，机舱、轮毂等设备在码头上临时堆存。
风机叶片体型较为庞大，单叶片的长度可以达到65m以上，叶片卸船时一般采用专用吊具装卸。因为叶片重量较轻，由码头现有的40t级全回转港口起重机械进行装卸，通过移动台车转运至后方堆场。
（2） 风机设备拼装
风机设备拼装包括风机部件单件组装和组合体组装
① 风机部件、吊装系统单件组装
风机部件单件组装主要有塔筒、机舱和叶轮组（轮毂+三片桨叶的组合体），所有的安装工作在码头工作面上进行操作施工。
塔筒：塔筒组装主要是塔筒内部电缆敷设和照明系统的安装，此工作可以在后方堆场内完成，后续工作包括底节塔筒内部电气柜等设备安装、塔筒总装的工作需要在码头完成，考虑由40t级吊机完成后续组装工作，1000t级吊机完成总装工作。
机舱：机舱内主要是齿轮油和防冻液的加注，舱内电气设备、舱外风速仪、警示灯等部件的安装，此工作由40t级吊机完成。
叶轮组（轮毂+三片桨叶的组合体）：叶轮组是整个陆域拼装工作中难度最大、占用场地面积最多的工序，对场地设施的需求较高，工艺复杂。
首先将轮毂吊至码头前沿的叶轮组装专用场地内，接好手动变桨控制盒准备变桨，用两台40t级吊机抬吊将一片桨叶与轮毂完成对接组装，叶片吊点按叶片标记吊点布置要求安装，索具宜采用吊带，采用捆绑式或兜吊式。叶片与轮毂对接，首先确认变浆垫圈在变浆轴承上安装位置正确，反复变桨方便叶片与轮毂对接并确认叶片后缘零刻度线位置与端板零点位置一致，叶片安装后应在该叶片辅助吊点处垫上支撑垫板，避免叶片安装后重心偏离造成侧翻，以同样方式安装其它2叶片。
吊装系统：风机拼装时需用的吊装系统主要为上部吊架和平衡梁。其中，平衡梁在风机拼装前需提前在码头上通过40t级吊机进行组装。
② 风机部件组装
在完成各单件设备和部分组件的拼装工作后，需要将各部件物资组装成整体，常规拼装工艺需要在现场设置一座工艺安装台才可以完成最终的总装工艺，其主要是为满足大型风机设备的桨叶设备与轮毂之间精细安装的需求，机舱和叶轮组在工艺安装台上进行组拼，各部件的组装与调整工作由1000t履带吊完成。
3.2 后方陆域堆场的水平运输与堆存设计
风机设备部件中需要有较大数量与规模的大件物资需要在码头装卸完成后进行水平运输至后方堆放场进行临时存储，以腾空码头前沿的场地设施进行设备的组装工作，同时在码头安装需要时进行二次转运至码头施工区，考虑到大件物资水平运输的难度和二次到运的需求，一般采用大型平板运输车辆进行运输，此种运输车辆主要有牵引平板车和自行式平板车的类型，根据大件种类与运输的特征，进行组合运输。
后方陆域堆场主要分为桨叶堆存区、塔筒堆存区，各类设备物资堆存区，施工用装备堆存区，生活办公区。
按照对国内现有风机安装工程的施工能力与进度分析，每个月4～5台套的风机安装进度计划是较为合理的，因此现阶段按照5台套风机设备的供货、安装需求进行设计，堆放场地的容量按照设备物资同时供货，全部堆放的极限情况进行容量设计。
① 叶片堆放区
风机叶片堆存区位于堆场顶端，为便于平板车进入，考虑与栈桥方向平行或小角度相交，便于车辆进入。桨叶物资生产周期长，供货强度不均匀，因此考虑现场有6台套（18片桨叶）的存储能力。桨叶属于超长尺寸的部件，运输方向调转等工作难度大，因此场内装卸机械宜采用直线方向内方便灵活、装卸强度高的轨道式龙门起重机。此类吊机吊跨度和升降幅度较大，堆场利用率高，具有稳定性好，抗风性能好，机器成本与单位起重量比低，维护检修成本低，占用地面空间小等优点。
考虑相邻桨叶间的安全操作需要，各桨叶按照4.0m堆放宽度考虑。其中每3套风机桨叶为一组，堆场宽度为36m，旁边布置8m宽度的平板车辆（兼顾普通运输车辆）运输通道。桨叶物资堆存共布置2组，每组间隔10m作为运输、吊装的装卸通道，整个桨叶堆存区尺寸为45m宽，140m长，面积为6000m2。因平板车辆具有双向行驶的功能，因此桨叶的二次倒运同样用龙门式起重机进行装载，通过运输通道、栈桥进入码头拼装场。
② 塔筒堆放区
风机塔筒组件以3段（上塔筒、中塔筒及下塔筒）为例对塔筒运输进场及布置进行说明。考虑到塔筒部件的生产拟定在启东地区，交通运输较为便利，因此拟考虑进行4台套塔筒物资的堆存。现阶段底部塔筒直径为5.0m，考虑需要在陆地区域进行塔筒内电缆敷设的安装工作，因此相邻塔筒间距考虑3.5m，允许小型运输车辆进入。塔筒堆场宽度为25m，旁边布置8m宽度的平板车辆（兼顾普通运输车辆）运输通道。塔筒物资每组间隔5m作为运输、吊装的装卸通道，整个堆存区尺寸为33m宽，90m长，面积为3000m2。因平板车辆具有双向行驶的功能，因此塔筒物资的二次倒运同样用龙门式起重机进行装载，通过运输通道、栈桥进入码头拼装场。
③ 施工辅助装备、各种电气设备物资堆存区
平衡梁、各种吊具等施工物资，各种电气设备物资考虑在后方堆放，相邻塔筒物资堆放区进行布置。
④ 施工临时生活办公区
相邻施工辅助装备堆存区进行布置，临近现有岸堤建筑设施3.3 组装与运输工效分析
（1）风机设备组拼装泊位的工效分析
综合国内海上风电施工安装的能力，并结合东灶港施工基地的设施情况，初步分析一台风机拼装主线作业工序及耗时分析汇总见表1：
单台风机拼装主线作业工序及耗时分析汇总
表1
序号主线作业工序时间（h）合计
1下塔筒电气设备组装、调整；塔筒安装1057h
2上部吊架安装5
3中部塔筒安装6
4平衡梁及主吊钢绳安装5
5上部塔筒安装6
6风轮结构组装（三片桨叶+轮毂）12
7机舱安装4
8叶轮安装4
9检查、验收1
10盘车、偏航，风机姿态调整4
考虑1000t级履带吊机同时将承担机舱、塔筒等超重部件的装卸船只工作，因此单台风电机组设备组装成整机组件在码头上所耗用的时间约在65h。各类物资的二次倒运、陆域堆场内先期组装工作可同步进行，不占用码头操作时间。
考虑每天6:00~18:00为可作业时间段，以日可作业时间12个h计，每台风机拼装作业时间为6个有效工作日。
根据本地区气象、海域波浪潮流等自然条件，按起重安装作业规范和风机厂家风机作业指导书等的相关要求、结合考虑施工经验，经分析比较确定本基地风机拼装施工年平均有效工作日为180天，则年安装风机数量在30～35台套。
4 结语
国内的海上风电市场正处于一个快速发展的阶段，在江苏、福建、浙江等省份已经有多个海上风电场项目建设完成或处于在建阶段，而风机安装工程是每个海上风电场项目中重要的单项工程。风机安装选用的港口设施大部分属于多用途的综合性港口设施，基本上没有为海上风电风机设备安装工程所专用的码头设施，因此利用现有港口设施的资源设施，通过合理的安装工艺与布置设计，提高风机设备的整体安装效率，是海上风机陆域组装工作的研究方向和主要目标，根据目前海上风电风机设备陆域组装工作的施工经验并结合国内未来海上风电设备安装工程的发展趋势，关于风机设备陆域整体组装与出运设计的研究与实施工作有如下建议：
（1）合理选择安装基地与港口设施
海上风电场工程周边一般均分布各类港口码头设施，选择合理的港口设施是风机设备整体陆域组装工作的重要保障，因此应重点研究比选。风机设备的整体组装工作包括设备装卸、码头前沿组装、零散设备组件二次倒运等多道工序，不同工序对安装基地在功能方面的需求具有一定的差异性，应对整体陆域组装工作中各工序进行梳理，分析出在安装基地规模与功能选择等方面的控制性因素，提炼对基地码头设施的选用标准，并以此合理评估并选择适合于本风机安装工程的整体安装基地与码头设施。
（2）重视场内二次设备倒运的物流运输工作
风机设备的整体组装工作内容多，工序繁琐，大量的零散设备物资要经历码头卸货、场内堆存和二次倒运至码头前沿进行组装的工作，零散设备物资的场内物流堆存与运输工作是整个组装工作中的重要内容。提高二次倒运的物流工作主要从各类物资的堆存区域布置、倒运方式与顺序研究、运输路线规划等方面进行研究，以此提高场内物资二次物流倒运的效率。良好的二次物流运输设计可大幅提高风机设备整体组装的效率，并降低对码头设施与组装基地的规模要求，应进行重点研究。
（3）加强对散件设备单项拼装效率的统计和工艺优化分析
不同的整体组装基地在基础设施规模、能力等方面具有一定的差异性，因此在各基地内进行的各单项设备拼装效率和整体组合的效率具有一定的差异性，应重视对此类具体实施工程的数据收集与分析工作，
为码头拼装工艺的深入研究和工效分析提供更为准确有效的数据，适时开展整体组装风机设备工艺的优化工作。
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[5]NB/T 31033-2012， 海上风电场工程施工组织设计技术规定[S]
[6]GB/T 31033-2010， 海上风力发电工程施工规范[S]作者简介：荣洪宝（1980－），男，黑龙江省双城人，高级工程师，主要从事海上风电场工程施工组织设计工作。
论文作者:荣洪宝
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/30
标签：风机论文; 设备论文; 码头论文; 工作论文; 桨叶论文; 物资论文; 海上论文; 《防护工程》2018年第15期论文;