自升式海上风机安装平台桩腿升降系统设计

2014-04-29唐蔚平裘继承薛雷刚

广东造船 2014年5期

关键词：自升式

唐蔚平裘继承薛雷刚

摘要：本文主要介绍自升式平台桩腿升降系统形式，分析海上风机安装平台的特点，优先选择和设计一种适用风电安装平台使用的升降系统。

关键词：海上风机安装；自升式；升降系统

中图分类号：TK89 文献标识码：A

1 前言

海上风电在上世纪90年代初率先从欧洲起步，我国的海上风电发展则相对较晚，直到2007年，我国海上风电示范项目才建成发电，随后发展速度也十分缓慢。但随着海上风电上网电价的明确，特别是国家能源局最新规划的出台：到2020年，海上风电装机容量将达到 30 MW。海上风电工程将迎来新的发展机遇，开展关键技术研究和开发显得非常必要和迫切。

2 自升式平台桩腿升降系统形式

自升式平台桩腿升降系统，用于桩腿插入海底并支撑起平台离开海平面一定高度，进行各种作业。其主要形式有液压顶升式和齿轮齿条式。

2.1 液压顶升式

液压顶升式桩腿升降装置，由液压驱动系统提供动力，确保桩腿能够克服泥土、砂石等带来的阻力和升降平台自身的重力，将桩腿插入（拔离）海床以及升降整个平台。平台桩腿在工作过程中需运行平稳，无卡死现象；插桩（拔桩）过程中，液压执行机构需满足一定节距的行程要求；系统设计为自锁式桩腿液压升降系统，在各种工作及非工作状态下，系统可实现自锁；通过操作计算机或中央控制台，完成平台的升降作业。

2.2 齿轮齿条式

齿轮齿条式桩腿升降装置，由动力驱动系统、动力传递系统（主要包括齿轮齿条及相应的减速机构）和平台升降控制系统三大部分组成。该系统是在平台适当位置的桩腿上设置一定数量的齿条，并对应在每根齿条上安装几个小齿轮，齿条及其对应的小齿轮数量根据所要求的举升能力和平台总体要求加以确定。动力通过桩边马达驱动齿轮减速箱，然后传递给与齿条啮合的小齿轮，从而带动平台的升降。齿轮齿条式升降系统的最大优点是具有升降速度快、操作简单和易对井位。

3 国外自升式平台桩腿升降系统简介

3.1 英国 “Resolution”安装船

由英国五月花能源公司设计、我国山海关造船厂承建的“果敢”号安装船，是第一艘专为海上风电场基础施工及风力发电机安装而建造的海洋工程船。该船长130.5 m、宽 38 m、型深 8 m，航速 10.5 kn，最大载重量9 240 t，船舶总吨位 14 000 GT。该船6个液压升降腿分布于全船两侧，提升系统由桩腿及电力液压升降系统组成。每个桩腿（含桩靴）高71.6 m，截面为4 m×4 m ，重450 t，所用钢板最厚达150 mm，80%为超高强度钢。桩腿提升速度最大为1 m/min，单桩提升能力3 750 t，支承能力5 000 t。6条桩腿由中央进行集中控制，既可联动又可以单动，可在3.25～35 m 水深及大风浪海况下满负载工作。桩腿升降系统由 4 台主液压缸及 4 台从液压缸联合工作（图1），每个桩腿由一个主环梁和次环梁构成，每个环梁由四个起升油缸驱动，每个环梁由四个抓取油缸带动两个抓取横梁实现抓紧动作，起升油缸支撑基座固定在船体甲板上。升降系统还包括上、下导向结构紧固装置，以保证桩腿运动时的垂直度。整个液压系统中压力达300 kg/cm?。为适应海底土壤状况，设计了箱型桩靴，桩靴位于桩腿底部，卧在船底凹槽内，长 9 m、宽 7 m、高 6.305 m，重 132 t。

3.2 NG-2500X安装船

NG-2500X安装船可用于海洋油气基础结构建设及风电场安装。其桩腿为三角形桁架式结构，长85 m、工作水深41m。升降装置为齿轮齿条系统，电气驱动，升降速度为0.8 m/min。设计参数为：波高13.1m，风速38.8m/s，表面潮流1.64m/s，桩腿插入土壤深度3～5 m。总举升重量5 500 t，单腿升降能力1494 t，可变载荷约9000 kn，18套齿轮齿条驱动装置。图2为其结构与升降系统图。

4 自升式平台桩腿升降系统对比分析与发展方向

4.1 桩腿升降系统对比分析

液压顶升式桩腿升降系统与齿轮齿条式桩腿升降系统相对比，液压顶升式升降系统的升降动作完全通过液压系统驱动和控制，这种驱动方式具有能吸收振动、工作平稳、安全可靠等优点；同时采用销子和销孔配合，升降时销子和销孔之间不存在相对运动和摩擦力的问题，所以对桩腿的制造工艺要求较低；但液压顶升式升降系统由于工作时是通过间断步进式升降的方式来实现的，所以升降速度慢、操作繁琐、工作效率较低。

齿轮齿条式桩腿升降系统可采用液压马达或电机方式驱动齿轮：

液压马达驱动的优点是传动简单，受载均匀，升降运动连续，同比电机体积小，齿轮受载柔和，运动平稳；缺点是升降系统刹车时受到冲击力，需单独油源供给。

电机驱动的优点是速度快、操作灵活，并有平稳地连续运动的能力；其缺点是为缓冲桩腿站立时齿条受的冲击力，需在桩架上下加上缓冲装置或采取其他措施补偿冲击力；传动机构体积大，占用甲板面积大；平台升起后采用刹车进行固定，升降机构一直处于受力状态。

4.2 桩腿升降系统的发展方向

（1）安全可靠性更高。由于升降系统的工况非常复杂，而且升降系统直接关系到整个平台的安全，所以在制造及检验过程中，对升降系统各机构的安全可靠性提出更高的要求；

（2）配备自动化程度更高、更先进的控制系统。控制系统按照程序要求对各执行机构进行控制，实时检测系统的工作状态，并对系统的故障进行诊断、报警、处理；

（3）采用高强度钢和超高强度钢，以降低平台自重；

（4）增大可变载荷和自持能力。

5 自升式平台桩腿升降系统的选择

某海上风机安装平台具有较强的海上作业能力，最多可同时运输3台6 MW整体式海上风机，最大载重量约为6 500 t。风机安装装置最大起重能力1 200 t，可满足目前国内最大的6 MW海上风机整体安装要求。

本平台要求升降作业的频率较高，并且处在海况频变的风电场区域，要求系统的工作更加可靠。另外，适合风机安装作业的时间窗口并不多，因此对平台的升降速度也提出了较高的要求。

根据国外著名液压系统设备商Rexroth的资料显示，液压顶升式桩腿升降系统升降速度可以达到1m/min，与齿轮齿条式升降系统的升降速度相差不大，并且通过操作计算机或中央控制台完成平台的升降作业，自动化程度较高。