不同基础的海上风机整体安装精定位技术应用

杨超，刘玉霞

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

0 引言

海上风电机组主要安装技术为分体安装[1]与整体安装[2]。相比分体安装技术，目前整体式安装技术海上拼装时间短，受海上施工窗口期短影响较小，具有施工安全、效率高等特点。我国自东海大桥海上风电示范项目首次使用整体式安装技术以来，风机整体安装技术先后在东海大桥二期、三峡响水海上风电场、珠海桂山海上风电场示范项目等风电场使用，安装数量已居世界首位[3]。

目前国内已建成的海上风电场基础形式主要为高桩承台结构、导管架结构和单桩结构[4-5]。海上风机整体安装施工分为风机的海上运输、起吊、安装、拆除4个过程，其中安装过程依次是粗导向、缓冲、同步升降、精定位对中、法兰连接[6]。风机整体安装专用设备的下部就位系统通过同步顶升降装置无碰撞承接风机整机以后，基础承台塔筒法兰螺栓孔不一定和风机下塔筒法兰螺栓孔吻合[7]，需要依靠精定位系统，拖动上部吊架系统平面移动和转动，实现上下法兰的精确对中。不同的风机基础，精定位技术在应用中也不尽相同，因此，有必要根据现有的风机整体安装施工情况，进行归纳总结，为后续海上风机整体安装技术的推广使用提供便利。

1 精定位技术原理与系统构成

1.1 技术原理

精定位技术是通过径向油缸与切向油缸共同拖动风机法兰运动实现，如图1所示。图1中C、D处为精定位销轴套筒，在风机整体缓冲下落完成后，精定位销轴落入精定位销轴套筒中，实现风机法兰与基础法兰的初步对中；通过图1中的液压缸1至液压缸4的动作，实现风机塔筒底座在安装平面内的x方向平移、y方向旋转，即风机塔筒底座螺栓孔与基础法兰螺栓孔精确定位[8]。

图1 精定位技术原理示意图Fig.1 Schematic diagram of fine positioning technology

1.2 系统构成

精定位系统由精定位装置、液压系统、视频监控系统组成。

精定位装置结构见图2，每套装置由安装法兰、精定位销轴套筒、一个径向液压缸及一个切向液压缸组成。安装法兰用于将精定位装置固定安装在上部吊架系统或下部就位系统上，具体以实际设计情况确定；销轴套筒套在精定位销轴上，如图3所示，实现风机法兰的初步定位；径向液压缸用来调整风机的左右位移，切向液压缸用来调整风机的前后位移和旋转角度，径向和切向液压缸均可绕各自铰接点旋转6毅，径向液压缸与切向液压缸运动最终实现风机法兰的精确定位[9]。

精定位系统与同步升降液压系统共用泵站，2套不同的电机和泵分别用来给精定位和同步升降供油。精定位液压系统能完成液压缸锁紧和浮动功能。

精定位中，视频监控系统反馈的误差信号经计算机计算后，计算机端发出控制信号，控制一对精定位装置上的2组纵向油缸和2组切向油缸动作，带动风机塔筒底座沿x方向平移、y方向顺时针或逆时针旋转微调，达到风机的精确定位。

图2 精定位自动对中装置结构Fig.2 Structure of fine positioning automatic centering precision

图3 精定位销轴套筒与精定位销轴装配示意图Fig.3 Assembly diagram of precision device positioning pin sleeve and positioning pin shaft

2 不同桩基的海上风机整体安装精定位技术

2.1 高桩承台基础的精定位

高桩承台基础的上平台由混凝土浇筑而成，平台形状类似于圆柱体，平台上底面所占平面空间较大，便于为用于海上风机整体安装的大型工装（软着陆系统的下部就位）提供更多的支撑点及较大面积的支撑面。用于整体安装的精定位系统中的一对精定位装置都布置在下部就位上（图4），精定位销轴固定在与风机塔筒相固定的上部吊架上。当风机塔筒法兰面与桩基法兰面相距200 mm时，按精定位技术原理开始操作，让精定位装置、精定位销轴以及视频监控系统相互协同完成风机塔筒底座法兰面和基础法兰面螺栓孔对中。

图4 基于高桩承台基础海上风机整体安装精定位系统精定位装置布置Fig.4 Layout of fine positioning device for integral installation of offshore wind turbine based on high pile cap foundation

2.2 导管架基础的精定位

导管架基桩基础不像高桩承台基础可为用于整体安装的工装结构提供较大的支撑面，但导管架基础结构的特点是在用于固定风机的基桩法兰面下方周围有相对较多焊接牢固、承载能力较强的支架，下部就位系统放置和固定在导管架基础上的结构需根据导管架基础的结构作改动，现有技术导管架下部就位系统与导管架基础上的支架成抽屉式配合，便可以为整体安装的工装提供放置支撑点。精定位系统中的一对精定位装置布置在下部就位上（如图5），精定位销轴固定在上部吊架上，靠下部就位上的精定位装置提供的支反力推动上部吊架，从而带动风机整体围绕着桩基在其周向或直径方向微微调整。当精定位销轴顺利插入精定位系统中的一对精定位装置的精定位销轴套筒时，按照精定位技术原理操作便可实现风机塔筒底座法兰面与基桩法兰面螺栓孔对中。

图5 基于导管架基础海上风机整体安装中精定位系统的精定位装置布置Fig.5 Layout of fine positioning device for integral installation of offshore wind turbine based on jacket foundation

2.3 单桩基础的精定位

单桩基础既不像高桩承台基础有较大上底面积的平台，又不像导管架基础四周有支撑架，所以用于高桩承台基础和导管基风机整体安装的下部就位工装很难在单桩基础上找到受力支撑点。于是单桩整体安装中通过增设牛腿、外挂件的方式给下部就位工装提供受力支撑位置，同时下部就位被改成了分体式结构便于安装前后拆装。国华东台海上风电四期项目工程中14号机位海上风机整体安装中根据改进后的下部就位工装结构把精定位系统的一对精定位装置安装固定在上部吊架上（如图6所示），精定位销轴固定在下部就位上。风机塔筒底座法兰面螺栓孔和单桩基础法兰面螺栓孔需要对中时，按照精定位系统技术原理操作，当一对精定位装置的精定位销轴套筒插入精定位销轴后，作用在精定位销轴套筒上的支反力推动整个风机围绕着桩基直径方向或圆周向移动，直到上下法兰螺栓孔对中。

图6 基于单桩基础海上风机整体安装中精定位系统的精定位装置布置Fig.6 Layout of fine positioning device for the integral installation of offshore wind turbine based on a single pile foundation

3 不同基础的海上风机整体安装精定位系统的应用情况

目前国内200多台海上风机整体安装中都应用精定位技术。精定位技术在高桩承台基础海上风机整体安装中应用最早、数量最多、适用单机容量最大达5 MW；珠海桂山海上风电场示范项目中31台导管架式基础海上风机整体安装中全部成功应用了精定位技术；精定位技术助力国华东台海上风电四期中1台单桩式基础海上风机整体安装取得圆满成功。如表1、表2所示。

表1不同基础的海上风机整体安装精定位系统的应用情况Table1 Applicationofthefine positioningsystemfor the integralinstallationofoffshorewindturbine withdifferent foundations

表2 各基础精定位技术的对比分析Table 2 Comparative analysis of fine positioning techniques for each foundation

4 结语

本文主要介绍精定位技术在不同桩基基础海上风机整体安装中的应用原理、方式及情况。精定位技术在海上风机整体安装中应用可缩短安装时间、提高安装效率，可降低风机、安装设备及工作人员的安全风险。通过对比研究发现该精定位技术适用性广，虽然目前海上风机整体安装中有不同的3种桩基结构形式，但通过改变定位机构的布置位置后相同的精定位技术原理、精定位装置结构依然可以得到成功应用，可为今后海上风机整体安装中精定位工艺提供参考。