山地风力发电设备安全安装技术要点分析

张瀚文

（兰州有色冶金设计研究院有限公司）

0 引言

风力发电作为绿色、可再生能源，其对于减少传统能源使用带来的环境污染实现可持续性发展以及调整现有能源结构具有重要意义［1］。现阶段，随着土地资源的日益消耗，拥有较高土地使用面积的风电机组逐渐向着偏僻地带如山区、海上等地进行建设。并且为了降低风电的成本，机组发电量在不断提高，随之而来的是高塔筒、长叶片的大兆瓦风电机组逐渐成为风电行业的主流。

风电设备在安装过程中技术要求较高，需要综合考虑各方面因素，包括但不限于场地空间、主导风向、吊装方式、气候条件和起吊设备等。而在山地进行风力发电设备安装时，由于山地环境的制约，对于风力发电设备的安全安装提出了更高的要求。因此，充分掌握风力发电设备的安全安装技术要点，实现发电设备高效、低成本的安装尤为重要。

1 山地风力发电设备安全安装难点分析

1.1 工程案例概况

中节能天水秦州50MW 风电项目位于天水市秦州区西南部境内，场区属低中山梁卯区，境内沟谷纵横，岭梁交错，地形条件较复杂。场址区有X442县道可通至藉口镇，由藉口镇至天水市，G30连霍高速经过天水市，风电场所需设备、物资均可通过公路运输至工程区，对外交通条件尚可。工程区距天水市公路里程约50km，距兰州市公路里程约314km。工程规划装机容量50MW，施工工期一年，风电场本期工程拟推荐方案为安装单机容量为5.0MW 风电机组10台。

1.2 安装难点分析

风力发电设备安装难点主要体现在两方面：一是风力发电机组的安装技术难度大。风力发电机组作为“风－电”能量转化设备，是风电场建立的核心。以工程选择的WTGS3型5.0MW 的风电机组为例，单台风电机组（不含塔筒）主机综合造价为2000元／kW，10台机组总投资占整个风电场投资的60%以上，一套5.0MW 的风电机组的单套价值在13000万元以上。风力发电机组的安装难度大主要体现为单件重量大、单件尺寸大以及安装高度高。其中，以工程选择的WTGS3型5.0MW 的风电机组为例，标况下单套机组的总重在800t以上，其中塔筒总重为276.25t、机舱（包含发电机）约130t，单件重量大；由轮毂叶片组合的风轮直径为193m，单件尺寸大；塔架的高度为110m，风轮安装高度在110m以上，安装高度较高。二是山地施工条件恶劣。风电场场址的海拔在1900～2600m，工程区位于秦岭纬向构造带与陇西旋卷构造带的复合部位，属西秦岭北缘剥蚀中山区，呈现沟谷纵横，岭梁交错的复杂地形条件，供施工作业使用的场地较为狭小。此外，对于山顶气候的预测有一定的难度，雨、雾和大风气象条件会为设备的吊装造成一定的困难［2］。

2 山地风力发电设备安全安装技术要点

2.1 施工工序的安排

对于风机的安装应遵循“先下后上”的原则进行，其施工工序安排如下：首先将设备转移至完成地基施工的施工区域内，然后将预制的塔筒部分以及机舱内部的发电机、齿轮箱等部件进行组装，使用专业工具将叶片逐个安装到风力发电机组叶轮上，随后，使用起重设备将塔筒安装到地基上，将机舱吊装至塔筒之上，安装紧固后，对叶轮进行吊装，完成叶轮轮毂与电机主轴之间的固定，最后，将发电机组的电缆与电网进行连接，确保发电机组能够正常输出电能。并对已安装好的风力发电机组进行系统调试和性能测试，确保其运行正常且达到设计要求。

2.2 吊装平台处理及吊车选择

为满足风机吊装时的施工要求以及作为设备的临时堆放场地，应根据实际需要（例如需保证吊车吊臂在起吊过程中不碰到塔架、物件可临时堆放等），确定平台的面积，本工程共10个风机位，确定平台总面积为24000㎡。由于山地地形的复杂性，对于吊装平台可依据山形地势布置，坡度应控制在5%以下，对于未满足受力荷载要求的平台，需要对部分山体进行开挖、碾压以及平整。此外，由于吊装位置位于山顶，存在人员临边作业等危险因素，需要做好边坡、邻边的防护措施［3］。

由于该工程单套机组的总质量在800t以上，安装高度在110m，安装的设备重量大、安装高度高，因此对于吊车的选择，既要满足吊装要求，又要避免性能浪费。在吊装设备时，由于机舱设备安装高度高，重量重，是风力发电设备安装工程中最重且安装位置最高的部件，所以，吊车的选择应根据机舱进行计算。工程机舱（包含发电机）约130t，最长风机设备叶片长约94.8m，经综合考虑，选用1200t的履带式主吊和300t胎式辅助汽车吊相互配合、辅助。

2.3 关键组件的吊装要点

风电机组关键组件为塔筒（架）、机舱、叶片以及轮毂等，本工程使用的机组为SI-093520双馈型风力发电机组，发电机位于机舱内部，其关键组件组成如图1所示。本文以工程使用的SI-093520双馈型风力发电机组的分段塔筒和风轮整体吊装方案为例，简述风电机组关键组件的吊装要点。

图1 双馈型风力发电机组关键组件

2.3.1 风电机组塔架安装要点

首先，需做好安装前的清洁、查验、存放工作。风电机组的塔筒多为锥形钢筒，由多节组成，每两部分之间用法兰盘连接。这些锥形钢筒是分段运输的，需在现场将筒内的配件安装好后，再进行吊装。在现场保存时应注意将塔筒放置于硬木上并防止其滚动，存放场地应尽可能平整无斜坡。必须在现场检查塔架及其配件在运输中损坏与否，为防止锈蚀，任何外表的损伤都应立即修补，所有污物包含但不限于筒体污物、基础环法兰上的尘土及浇筑混凝土的剩余物也需清洗干净，必要时可采用砂纸打磨抛光处理。在正式吊装前，需要对相关的基础环水平及沉降进行测量保证其在允许范围之内，没有严重的损伤和变形。同时，由于天气等因素对于山地风电设备吊装作业影响较大，因此在吊装时应按照有关规范、标准，在大雾天气、大雪天气、风速＞10m／s等时不进行塔架的吊装作业，此外需做好吊车各零部件的检查工作，选用正确的吊具，并进行试吊。

其次，在起吊时利用1200t的履带式主吊和300t胎式辅助汽车吊相互配合，将塔筒进行翻转，使其处于垂直状态，放开300t胎式辅助汽车吊。由主吊提起塔筒，进行旋转调整，保证塔筒的横截面与基础相对应，以便于后期的固定。当塔筒门与塔筒和基础环连接的两法兰处的接地螺栓柱对齐后，对塔筒进行微调，使其孔位相对齐，当对齐后需将紧固所用的螺栓、平垫及螺母套入连接两个法兰。

最后，调整吊车高度，使塔筒缓慢下落，当塔筒的法兰面与基础环相互接触后，进行螺栓预紧固，注意此时需降低起重吊机的负荷，但不可完全移开吊车。利用专业的液压扳手等工具，分两次进行塔筒螺栓的最终紧固工作，第一次紧固螺栓力矩到额定力矩的50%，第二次紧固螺栓力矩到额定力矩的100%。当紧固完成后即可松开吊具、吊车。做好螺栓拧紧力矩的抽查，保证其符合要求，此外测量塔身垂直度，确保其满足标准。

2.3.2 风电机组机舱吊装要点

对于风力发电机组采用分部件吊装的方式，在机舱吊装时，应选择除雷雨、大雨、大雾等天气，并且机舱安装需在风速＜8m／s时进行。

首先，需做好机舱的验收以及地面组合等工作，当机舱部件（含发电机）在地面组装完成后，固定吊具与机舱吊链后，进行机舱的起吊。

其次，需将机舱高度提升至超过上塔筒的上法兰高度，当达到指定高度后，需按照塔筒上安装人员的指挥，由吊车操作人员调整吊车的扒杆，使机舱处于塔筒的正上方，控制吊车使机舱缓慢下降，当机舱与塔筒的上法兰的间距为1cm时，即可停止吊机。为了便于后期叶轮的吊装，需利用引导绳，对机舱角度、位置进行调整，保证机舱纵轴线处于偏离当前风向90°的位置。

最后，利用导向棒对准安装螺孔，利用螺栓连接机舱与塔筒，此时螺栓仅进行手动紧固即可，预紧固后，降低起重机载荷，控制在原载荷的一半即可，分两次进行机舱底部、塔顶顶部法兰螺栓的最终紧固工作，第一次紧固螺栓力矩到额定力矩的50%，第二次紧固螺栓力矩到额定力矩的100%。当紧固完成后即可松开吊具、吊车，拆除机舱内的引导绳，并做好螺栓拧紧力矩的抽查，保证其符合要求。

2.3.3 风电机组叶轮吊装要求

叶轮由轮毂与叶片在地面组装而成。在进行叶轮吊装前，需将转子叶片安装在轮毂上。当转子叶片由载重汽车运输到安装现场后，需要注意避免叶片与地面的接触，可采用运输支架等对其进行固定，并在叶片安装前，对其进行全面检查，查明是否存在损坏等问题。

在叶片安装前，需利用支架对叶片进行支撑，使其处于水平状态，并利用清洗设备对叶片的法兰以及轮毂法兰进行清洗，涂抹防锈油，紧固叶片与轮毂的连接。

叶轮组装完毕后，采用专用夹具夹紧轮毂，同时用绳索系在其中的两片叶片上，剩余的一片叶片尖端架在可移动式专用小车上，由主吊吊住两片叶片的根部［4］，注意在吊具与叶片接触位置需垫好专用的护垫，避免因吊装对叶片造成损伤，叶轮吊装示意图如图2所示。

图2 叶轮吊装示意图

通过主吊与小车相互配合，缓慢将叶轮抬起，使叶轮由水平状态转变为垂直状态，在叶轮垂直化过程中需注意防止叶片尖端着地。当下方的叶片完全脱离地面时，由主吊自身完成叶轮的高度提升。

在高度提升时，为了避免叶片在提升过程中摆动，用圆环绳索 （揽风绳）分别套在三片叶片上，每片叶片用3～6名装配人员在地面上拉住。在提升过程中，禁止叶片与吊车、塔架、机舱发生碰撞，应确保绳索不相互缠绕，如图3所示。

图3 揽风绳布置示意图

当叶轮吊装至机舱高度时，利用导向索的牵引以及吊车的配合，调整叶轮的方向和位置使其靠近机舱中齿轮箱法兰，此时，对齿轮箱法兰面进行调整，通过定心螺栓和螺杆引导叶轮与齿轮箱的导入与连接。当叶轮导入后，启动叶轮锁和制动器，锁定叶轮。

需要注意的是，当叶轮导入齿轮箱法兰时，所用的固定方式为定心螺栓，需对其进行更换，当拧紧第一颗螺母后，需利用连接螺杆对定心螺栓进行替换，并依次安装剩下的螺栓，进行预紧固。若操作空间较大，可采用液压扳手，使螺栓力矩达到额定力矩的50%，若操作空间较为狭小，不具备液压扳手等工具的使用条件，可采用人工扳手进行螺栓的紧固。

当完成叶轮轮毂与机舱主轴的固定后，即可卸掉吊车的荷载，拆除吊具后，打开主轴的制动器，验证转子是否能带动叶轮缓慢转动。将剩余的紧固位置按照要求装上固定螺栓，当所有螺栓安装完成后，分两次进行紧固，第一次紧固螺栓力矩到额定力矩的50%，第二次紧固螺栓力矩到额定力矩的100%。紧固完成后，利用转动高速联轴器的方式使叶轮进行转动，带动叶片向下，取掉朝下方向叶片上的保护套、牵引绳等［5］。

在山地风力发电设备安装后，机组运行平稳，年均上网电量1.317×108kW·h，具有良好的经济效益以及社会效益，利用廉价的土地资源，大力发展风电具有显著的社会效益。不仅提高了新能源在电网中的份额，同时能缓解当地电力供应紧张的状况，对发展当地经济具有深远的意义。

3 结束语

由于山地风力发电场的地理条件较为恶劣，导致设备安装时的施工环境并不理想，因此充分掌握山地风力发电设备安全安装技术要点，对于风电机组的低成本、高效安装具有重要意义。通过合理安排施工工序，正确选择吊装平台、吊车，做好关键组件的正确吊装，保证吊装过程中各环节紧密配合，可有效保证风力发电机组的安全、稳定运行，进而推动山地风力发电行业的进一步发展。