近海风电安装工程起重机

石胜征

（南通润邦重机有限公司，江苏南通 216013）

0 引言

风力发电作为无污染可再生能源，是世界各国普遍关注的绿色能源之一，随着岸上风力发电场选址的逐渐减少及技术水平的发展，风力发电由陆上延伸到海上，已经成为世界各国风力发电发展领域的一种方向。在我国，近海风力发电发展迅速，相比陆上风力发电，我国近海风力发电有风能条件好、投资成本低、更靠近东部沿海用户等特点[1-3]。

但是，相对于陆上风机的安装，海上风机安装施工难度更高，现阶段的近海风电场项目大多集中在水深30 m、离岸30 km左右的海域内，无论工程建设还是运行中的维护，均需用到大型的起重设备。因此，大型的海洋起重设备是近海风电安装及维护的关键设备。

1 海上风电起重设备的工况特点

由于近海风电场处于海上开敞无遮避水域，这些水域海上风力通常大于蒲氏2级，风急浪高，给风电场的安装及维护作业带来很大困难，专业的自升式海上风电船（平台）虽然升腿作业时消除了和安装基础间的相对运动，但无遮避水域的风况一般较大，对起重设备运动机体及被吊设备带来安全隐患。

我国近海风电场所用的风力发电设备，目前主要有2 MW、3 MW、5 MW几种类型风机，这几种风机除桩基外总质量达到了350 t到610 t不等，更大的6 MW、7 MW也已经在欧洲开始应用，总质量更大，起重安装设备研制时需要考虑具备整机安装的大起重量的能力。

海上风电设备安装后轮毂中心线离海平面高度高达70 m到95 m不等，国内主要几种风电设备质量及安装后高度数据如表1[4-5]。

同时，安装起重设备的作业船舶（平台），为了安全作业，必须保持和风电塔一定的安全距离，按实际使用情况来看，安装在作业船舶（平台）上的起重设备，基本上和作业的风电塔中心保持在不低于20 m的距离上。

表1 国内主要风电设备参数表

因此，用于近海风电安装的海上起重设备，在研制时除需考虑满足适应设备防腐、海上恶劣的风、浪作业工况外，还需具有大的回转角度、大起重量、大工作半径及大起升高度的能力要求。

2 海上风电起重设备的发展

包括1991年丹麦建成的第一个近海风电场，近海风电安装所用的起重设备主要是全回转浮吊及专用风电安装船（平台）起重机，由于安装时存在和风电塔之间的相对运动的风险，浮吊并不是安装海上风电设备的理想起重设备。由于技术的进步，带自升式桩腿及满足风电设备起重要求的起重机的移动平台逐渐被用于近海风电场的安装[6]，由于平台被桩腿固定，作业时，海浪对作业船（平台）的影响基本被消除，作业船（平台）与风电塔之间没有了相对运动，基本是一种理想状态，近10年来，带自升式桩腿及满足风电设备起重要求的起重机的移动平台已经被大家接受首选用于海上风电场的安装及维护。

从20世纪90年代海上风电场建设诞生起，应用于海上风电设备吊装作业的起重设备从技术特点区分，至今已经发展了三代产品。

第一代产品主要是以浮动船（平台）为载体，安装或放置于浮动船（平台）甲板上的起重设备。典型例子是海上浮吊，固定安装于甲板上，具备了大回转角度、大起重量、大起升高度及大工作半径的要求，但第一代产品没法消除与风电塔之间的相对运动，存在安全隐患；同时对作业人员要求高，作业效率低下。

第二代产品是以自升船（平台）为载体，完全具备了海上吊装风电设备能力的起重设备[7]。第二代产品发展于海上风力发电应用较早的欧洲，应用于本世纪初期。第二代产品与前代产品相比，安全性能高、工作效率大幅度提高是明显特点，使安装成本大为降低。如：我国首座专业的风电安装平台——“华电一号”及携带的QYG700t海上风电工程起重机2013年5月在东海大桥风电场进行安装维护作业，只用6 d时间就完成了原计划15 d的海上风电安装、维护工作，获得客户及业内同行的一致好评如图1所示。

第三代产品是以自升船（平台）为载体，环安装于桩腿的起重设备。与第二代产品相比，主要在于在船（平台）安装位置的改变，第三代产品布置在环桩腿外，桩腿穿设备而过。与前代产品相比，占用空降更小，自身重量明显下降，起升量/自身重量降到了不大于1.2，使平台制造成本明显下降；同时，有效增加了船（平台）上甲板空间。第三代产品已经成为世界上海上风电自升船（平台）的主流及首选机型，典型产品是荷兰的GustoMSC品牌产品。

表2 国内主要在用的专业风电工程安装船及其主吊情况[8]

图1 第二代典型海上风电安装起重设备

图2 第三代典型海上风电安装起重设备

3 主要机型及结构介绍

海上风电起重机按结构型式区分主要有基座式、桅杆式及绕桩式。

1）基座式海上风电起重机。基座式海上风电起重机主要由基座、回转平台、人字架及吊臂等结构部件组成。基座一般为圆筒型，用船板弯制而成，采用法兰或焊接方式固定安装于船（平台）甲板上。回转平台通过转盘轴承安装于基座上，吊臂、人字架、司机室、绞车、回转机构等安装于回转平台上，回转平台通过转盘轴承与底座实现相对转动。人字架和吊臂一般用高强度钢管焊接制作，平面桁架式结构，使外型空间挡风面积小，承风能力强，全密封的钢管适于海上工作环境。

2）桅杆式海上风电起重机。桅杆式海上风电起重机主要由桅杆、回转平台、吊臂等结构部件组成，桅杆一般为圆锥柱体结构，用高强度船板板材纵向轧制焊接而成，与底座焊接在甲板上，是设备的主要受力构件。回转平台外形为板梁结构，动力泵组、机房、回转机构、绞车、吊臂及司机室等均布置在回转平台上，回转平台及吊臂等安装在桅杆外面，通过回转机构驱动，实现与桅杆的相对转动。吊臂的外形为桁架式结构，使用超高强度钢管材料焊接而成，整体挡风面积小，承载能力强，适于海上工作环境。

图3 基座式海上风电安装起重设备

图4 桅杆式海上风电安装起重设备

3）绕桩式海上风电起重机。绕桩式海上风电起重机主要由基座、回转平台、人字架及吊臂等结构部件组成，基座一般为圆筒型，用船板弯制而成，采用法兰或焊接方式固定安装于船（平台）甲板上。回转平台通过转盘轴承安装于基座上，吊臂、人字架、司机室、绞车、回转机构等安装于回转平台上，回转平台通过转盘轴承与底座实现相对转动。人字架和吊臂一般用高强度钢管焊接制作，平面桁架式结构，使外型空间挡风面积小，承风能力强，全密封的钢管适于海上工作环境。

4 主要机构介绍

1）起升机构。起升机构由卷筒、支架和行星减速箱组成。卷筒采用钢板弯制，表面一般制作螺旋槽或安装篱笆皮方式，确保钢丝绳排列整齐，不乱绳，同时提高钢丝绳寿命。海上风电起重设备的起升高度比较大、绕绳组数较多，因而容绳量较大，绕绳层数较多。起升机构的减速箱一般采用内藏式行星减速箱，常闭式制动器，通过弹簧制动器进行，制动器设有摩擦片磨损补偿装置。在失压情况下，制动器可马上接（咬）合，以实现安全制动。起升机构和液压马达（或电动机）、钢丝绳、滑轮、吊钩及其它附件等组成起重设备的起升系统。

2）变幅机构。变幅机构与起升机构一样，由卷筒、支架和行星减速箱组成。卷筒也采用钢板弯制，表面一般制作螺旋槽或安装篱笆皮方式。变幅机构的减速箱也采用内藏式行星减速箱，制动是常闭式制动器，通过弹簧制动器进行，制动器设有摩擦片磨损补偿装置。在失压情况下，制动器可马上接（咬）合，以实现安全制动。变幅机构设有逆向棘轮棘爪安全装置，保证吊臂不会因为失压掉落。变幅机构和液压马达（或电动机）、钢丝绳、滑轮及其它附件等组成起重设备的变幅系统。

3）回转机构。回转机构是带圆盘制动器的行星齿轮减速器，由液压马达或电动机驱动，小齿轮输出（带动整机回转），小齿轮与回转支承轮齿间隙的调整可通过装置的偏心安装法兰来进行。回转机构和液压马达（或电动机）、转盘支承装置等组成起重设备的回转系统。

5 动力系统介绍

海上风电起重机的动力系统一般采用电动机-液压驱动、柴油机-液压驱动或电动机驱动三种方式。电动机-液压驱动是以电动机作为原动力，通过分动箱驱动液压泵组为各机构提供液压动力，分别驱动各执行机构，达到直线运动或曲线运动的目地。柴油机-液压驱动是以柴油机作为原动力，通过分动箱驱动液压泵组为各机构提供液压动力，分别驱动各执行机构，达到直线运动或曲线运动的目地。电动机驱动是以电作为原动力，通过电动机驱动各执行机构，达到直线运动或曲线运动的目地。

因为技术原理的发展成熟程度、制造成本及后期的维护保养等因素的制约，第一、第二代的海上风电起重机动力系统基本采用电动机-液压驱动和柴油机-液压驱动两种动力驱动方式。进入新世纪以来，随着变频控制技术的不断成熟及成本的不断下降，电动变频控制也不断开始应用于海上起重设备，以电动机驱动的方式得到很大的发展，现在，海外品牌的第三代海上风电起重机动力系统基本上采用电动机驱动方式。

图5 绕桩式海上风电安装起重设备

6 控制系统介绍

海上风电起重设备的控制方式主要采用液压控制及电动变频控制两种。

液压控制的系统一般由动力元件（电动机或柴油机）、分动箱、柱塞泵、多路阀、液压马达、其它阀件、管路管件、接头等组成，相对电变频的控制方式，液压控制成熟程度高、制造成本及后期的维护保养较低等优势，第一、二代海上风电起重设备的控制基本采用液压控制方式。

进入新世纪以来，随着变频控制技术的不断成熟及成本的不断下降，电动变频控制也开始应用于海上起重设备，现在，海外品牌的第三代海上风电起重机动力系统基本上采用电动变频控制。

相对于液压控制方式，电变频控制有着绿色环保、节能、界面友好、模块程度高、后期维保方便等优点，是后续产品发展的主要方向。

7 结语

大型的海上起重设备是海上风电船（平台）的关键设备，已经影响着海上风电场的投资成本及进度，进而影响到海上开发的推进、利用。可喜的是，进入新世纪以来，海上风电在世界各国得到了大力发展，也推动了大型海上起重设备的技术发展，在中国，专业的风电起重设备更是蓬勃发展，近十年来，我国海上风电起重设备从第一代已经发展到最新的第三代，已经同步于国外的产品。我们相信，随着海上风电开发在我国不断得到推进，海上起重设备及相应技术也会不断取得发展。

[参考文献]

[1] 张平.中国海上风电面临的机遇与挑战[C]//第二届海上风电技术与投资论坛.2011.

[2] 北京太阳谷经济信息中心.2011-2015年中国海上风机调研报告[Z].

[3] 中投信得.2011-2015年中国核电风机行业投资分析预测报告[Z].

[4] 华锐风电科技（集团）股份有限公司相关产品样本资料[Z].

[5] 新疆金风科技股份有限公司相关产品样本资料[Z].

[6] 丁金鸿,谭家华.近海风电专用安装船概述[J].中国海洋平台,2009,24(5):6-10.

[7]张太佶,汪张棠.一种新船型——海上风电设备安装船的开发[J].船舶,2009,20(5):38-43.

[8] 北极星风力发电网.国内八大主要风电工程安装船[EB/OL].(2016-05-03)[2017-06-01].