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CN102369134A - 海上风机的安装方法及回收方法 - Google Patents

海上风机的安装方法及回收方法 Download PDF

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CN102369134A CN2010800026213A CN201080002621A CN102369134A CN 102369134 A CN102369134 A CN 102369134A CN 2010800026213 A CN2010800026213 A CN 2010800026213A CN 201080002621 A CN201080002621 A CN 201080002621A CN 102369134 A CN102369134 A CN 102369134A
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Abstract

一种海上风机的安装方法，包括预制基础、码头安装、船运和海上安装步骤。所述基础提供漂浮力及扶正力，使整体结构在不依靠外力的情况下保持垂直状态；码头安装步骤包括组装成整机并完成整机状态下的调试；运输步骤包括通过整机漂浮在水上而运输到海上现场；海上安装步骤包括在海上现场通过重力沉放整机到海床，固定基础并完成安装。还提供了一种海上风机回收方法，基本按照与安装方法相反的步骤进行。实现了风机整机一步式安装或拆除，降低了风机整机损坏风险，操作易于实现且成功率高，大大降低了成本，并带来良好的环保性。

Description

海上风机的安装方法及回 i|t方法 技术领域
本发明涉及海上风机的安装技术，尤其涉及一步式的海上风机的安装 方法及海上风机的回收方法。 背景技术
在自然界中， 风能是一种可再生、 无污染而且储量巨大的能源。 随着 全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风能的开发和利用，尽量减少 二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。风能的利用主要 是以风能作动力和风力发电两种形式， 其中又以风力发电为主，
目前， 海上风电的建造技术分主体工程为基础施工、 海上安装、 整机 调试三个部分。 工程中海上风电基础采用的结构型式通常为单桩基础、多 桩基础、重力式、导管架式基础。安装方式有分部^装、整机吊装等方式。 调试基本采用海上调试的方式。这导致海上风电的建造大部分工程在海上 完成，其基础构建和海上施工费用高昂，致使海上风机基础结构的投资费 用较陆上基础大幅度增加， 从而限制了海上风电的发展。
请参见 2008 年 4 月 30 日公开的中国发明专利申请公布说明书第 CN101169108A 号， 其公开了一种海上风力发电风塔结构为风塔基础与风 力发电塔架及发电机组为一体的设计，海上安装施工为风力发电塔整体一 次安装。该发明的海上风力发电塔底部为单筒吸力锚基础或多筒吸力锚基 础，吸力锚顶部为压载仓，通过压载仓内充填钢砂用来对整个海上风力发 电塔的重心进行调整，使整个风塔重心控制在吸力锚基础上以便在安装施 工中能够在重力作用下使风塔由水平放置，容易翻转成竖直状态便于沉 放。 然而， 这种安装方法， 在运输时， 发电机组的存放状态是倾倒的， 与 发电机组的使用状态不相同，容易对精密的风力发电机组造成损坏。另夕卜， 在运输与海上安装过程之间需要进行大幅度地姿态转变，即从垂直姿态到 水平姿态的转换，这不但要求风塔具有较高结构强度， 而且需要使用大型 的专用设备进行操作， 甚至对于很大型的风塔难以进行操作。
因此有必要进行改进， 以克服现有的技术问题。
确认本 发明内容
本发明要解决的技术问题是现有海上风机基础工程和安装造价高、受 海洋条件影响显著、 工程风险大、 施工周期长等问题。
为解决以上技术问题， 本发明提供如下技术方案。
1 : 海上风机的安装方法， 其包括以下步骤：
预制基础步骤， 其包括制造基础， 所述基础包括多个舱体， 所述多个 舱体提供了整体的漂浮力及扶正力，使整体结构在不依靠外力的情况下保 持垂直状态；
码头安装步骤，其包括将基础下水，在码头将塔柱及风机机组安装在 所述基础上组装成整机， 并完成整机状态下的调试；
运输步骤，其包括通过固定系统将所述整机固定到安装船，在所述基 础内注入空气的情况下，所述整机漂浮在水上，通过安装船把整机运输到 海上现场，在所述基础和船体分别设置纵摇和横摇感应器，安装船运输整 机的过程中通过控制系统调整船体压载；
海上安装步骤，其包括在海上现场释放固定系统，释放所述基础内空 气， 通过重力沉放整机到海床， 固定基础完成安装。
技术方案 2: 根据以上技术方案任一项所述的方法， 其中， 所述运输 步骤包括通过吊机起吊整机到设计高度， 通过固定系统固定上部塔柱。
技术方案 3: 根据以上技术方案任一项所述的方法， 其中， 所述预制 基础步骤包括预先勘探海上现场确定安装要求，根据安装要求将基础设计 为圆形或多边形结构，在陆地预制场制造所述基础， 然后进行结构测试并 检验合格。
技术方案 4 : 根据以上技术方案任一项所述的方法， 其中， 所述多个 舱体包括至少一个中舱及多个边舱，所述多个边舱比所述至少一个中舱更 远离所述基础的几何中心，在所述基础下水后，通过所述至少一个中枪提 供主要浮力，通过所述边舱提供扶正力以控制基础及在基础上安装的物体 的平稳漂浮。
技术方案 5 : 根据以上技术方案任一项所述的方法， 其中， 所述根据 海上现场安装要求设计基础包括设计使整机的重心高度与基础直径或者 多边形跨距的比值不大于 0. 3， 所述基础的直径不小于 20米。
技术方案 6: 根据以上技术方案任一项所述的方法， 其中， 所述码头 安装步骤包括在将预制完成的基础下水后， 在基础的舱体中注入压缩空 气，利用基础自身的浮力与扶正结构起浮，用拖轮拖运到安装码头并固定。
技术方案 7 : 根据以上技术方案任一项所述的方法， 其中， 所述码头 安装步骤包括利用岸基吊机依次在基础上吊装塔柱、叶片及风机头， 完成 风机总装和风机机组带电调试。
技术方案 8: 根据以上技术方案任一项所述的方法， 其中， 所述运输 步骤包括将整机转运到风机安装船， 吊机起吊整机到预先设计的高度， 固 定上部塔柱。
技术方案 9: 根据以上技术方案任一项所述的方法， 其中， 所述运输 步骤包括通过所述安装船运输风机起运， 利用拖轮运输至现场。
技术方案 10: 根据以上技术方案任一项所述的方法， 其中， 所述海 ： 上安装步骤包括释放固定系统，通过吊机放下整机，开启放气阀门从所述 基础的舱体释放空气， 通过重力沉放所述整机到海床。
技术方案 1 1 : 根据以上技术方案任一项所述的方法， 其中， 所述运 输步骤包括通过定位系统监测整机与船体的相对位移，利用船体与整机之 间的牵引系统， 确保纵向的垂直度。
技术方案 12 : 根据以上技术方案任一项所述的方法， 其中， 所述海 上安装步骤包括通过定位系统实现精确定位，并采用锚定、动力定位等手 段固定所述整机的位置。
技术方案 1 3: 根据以上技术方案任一项所述的方法， 其中， 所述沉 放整机到海床的方法选自由重力沉放法、破土沉放法及负压沉放法组成的 集合。
技术方案 14 : 根据以上技术方案任一项所述的方法， 其中， 所述海 上安装步骤包括通过负压地基处理和 /或重力压载地基处理方式使土壤承 载力达到设计要求。
技术方案 15 : 根据以上技术方案任一项所述的方法， 其中， 所述海 上安装步骤包括将基础调平至设计要求。
技术方案 16 : 海上风机的回收方法， 其包括以下步骤：
海上起浮步骤，其包括通过向基础内部注入压缩空气提供基础上升浮 力，通过安装船固定系统扶正风机整机避免倾覆，完成基础起浮后将风机 整机固定到安装船； 运输步骤，其包括在通过固定系统将所述风机整机固定到安装船，并 保持在所述基础内注入空气使所述风机整机漂浮在水上的情况下，通过安 装船把风机整机运输离开海上现场，在所述基础和船体分别设置纵摇和横 摇感应器， 安装船运输风机整机的过程中通过控制系统调整船体压载； 码头作业步骤， 其包括在码头对风机进行维修或者拆卸处理。
技术方案 17 : 根据技术方案 16所述的方法， 其中， 所述海上起浮步 骤包括注入高压水使基础从海床松动。
根据本发明的方法可以实现整机一步式安装及拆除，使得海上作业过 程不需要使用大型的起重机械和运输船舶，很容易对大型的海上风机进行 作业， 操作易于实现而成功率高， 相对于现有的安装技术大大降低成本。 由于基础、塔柱及风机机组从制造及运输到使用都可保持同样的位置，最 大限度降低了损坏风机各组成部分的风险，从而可以降低结构抗损坏的要 求， 进而降低制造成本。 而且， 本发明的技术方案具有海上作业施工噪音 小、 海床扰动面积少、 无污染物泄漏等优点， 具有很好的环保性。 附图说明
参照以下优选实施方式的详细说明，并与附图一并阅读，将更加充分 地理解本发明，附图中同样的附图标记始终指代附图中同样的零件。其中： 图 1显示根据本发明一种具体实施方式的基础结构示意图；
图 2显示根据本发明一种具体实施方式的基础分舱结构示意图； 图 3显示根据本发明一种具体实施方式的基础拖运示意图；
图 4 显示根据本发明一种具体实施方式在码头安装完成风机整机后 示意图；
图 5 显示根据本发明一种具体实施方式在安装船装载风机整机后示 意图；
图 6显示根据本发明一种具体实施方式运输风机整机示意图； 图 7 显示根据本发明一种具体实施方式海上安装风机整机安装示意 图。
附图标记列表：
整机 100 基础 1
舱体 10 边枪 101、 102、 103、 1 04 中舱 1 08 承台 12
塔柱 2 风机机组 3
叶片 30 风机头 32
拖轮 4 码头 5
安装船 6 具体实施方式
根据本发明一种实施方式的海上风机的安装方法包括预制基础步骤、 码头安装步骤、 运输步骤及海上安装步骤。
在预制基础步骤，在陆地的预制场制造基础，在陆地预制场完成基础 制造后， 进行结构测试， 检验合格后再进入下一步工序。 基础结构在陆上 预制， 解决了海上施工受限制因素多、 成本高、 质量管理困难、 风险大等 问题。
在优选的具体实施方式中，预先勘探海上现场确定安装要求，根据安 装要求设计基础的结构。 基础的结构通常是柱体， 其横截面可以是圓形， 也可以是多边形或者其他形状。请结合参照图 1及图 2所示，在一种具体 实施方式中， 基础 1 包括舱体 10及承台 12。 舱体 10包括一个中枪 1 08 及四个边舱 101、 102、 1 03、 104。 中舱 1 08靠近基础 1的中心， 也可以 把中舱 108设计成多个分开的舱体，从而提供更佳的结构强度和可以控制 的程度。 四个边舦 1 01、 102、 103、 104比中舱 1 08更远离基础 1的中心。 在基础 1 下水后， 通过至少一个中舱 108提供主要浮力， 通过多个边舱 101、 102、 103、 1 04作为扶正结构以提供扶正力， 从而控制基础 1及在 基础 1上安装的物体的平稳漂浮。优选地，基础 1的直径或者多边形的跨 距不小于 20米， 以便满足运输浮稳性及满足海上现场安装及使用时的稳 定性要求。设计基础 1适当的结构重量， 以具备足够大的自重， 并预先考 虑塔柱 2和风机机组 3的结构及重量，使整机 1 00的重心不高于承台 12。 优选地，使整机 1 00的重心高度与基础直径或者多边形的跨距的比值不大 于 0. 3 , 从而整机 100具有好的浮稳性， 并且便于海上现场的安装。
参照图 3及图 4所示， 在码头安装步骤， 将基础 1 下水， 在基础 1 的舱体 10中注入压缩空气， 利用基础 1 自身的浮力与扶正结构起浮， 用 拖轮 4拖运基础 1到安装码头 5 , 并且优选将基础 1固定在码头 5。 在码 头 5将塔柱 2及风机机组 5安装在基础 1上组装成整机 1 00。 具体地， 利 用岸基吊机（未图示）依次在基础 1上吊装塔柱 2、 叶片 30及风机头 32， 完成总装。 优选地， 塔柱 2呈中空圆筒状。 更优选地， 塔柱 2有一定的锥 度，下部直径大于上部直径。这样塔柱 2的结构强度较好，而且自重较小， 有利于在满足强度要求的同时降低整机 100的重心。在优选的具体实施方 式中， 在码头 5 完成整机状态下的全部或部分调试， 包括对风机机组 3 的带电调试。
通过在码头 5对整机 1 00 (包括基础结构）完成总装与调试， 可采用 陆上吊装设备作业。 相对海上吊装设备， 陆上吊装设备更加简单、 租金更 低、 维护简便、 可靠性高。 陆上完成全部或部分调试， 与海上调试相比， 提高调试的效率和提供更好的相关保障设备及配件，调试时间短，调试环 境好， 人员工作强度低， 作业成本低。
参照图 5及图 6所示，在运输步骤，将整机 1 00转运到风机安装船 6， 通过固定系统将整机 1 00固定到安装船 6。 在具体的实施方式中， 在基础 1内注入空气的情况下， 使整机 1 00漂浮在水上。 而且， 通过吊机起吊整 机 100到设计高度， 通过固定系统固定上部塔柱 2。 通过安装船 6把整机 1 00运输到海上现场， 在基础 1和船体 6分别设置纵摇和横摇感应器， 安 装船 6运输整机 1 00的过程中通过控制系统调整船体 6压载。优选地，通 过定位系统监测整机 1 00与船体 6的相对位移， 利用船体 6与风机整机 1 00之间的牵引系统， 确保纵向的垂直度。
由于风机精密设备比较贵重， 通常不允许倾倒， 否则可能对风机 3 造成损坏。 而且，基础 1和塔柱 1通常采用制造成本相对比较低的钢混结 构， 钢混结构适合承受较高的压应力， 而只能承受相对较小的拉应力。 因 此在运输过程中保证风机 3的垂直度，有利于降低损坏风机 3及整机 1 00 的风险。 如果要让整机 100能够承受倾倒姿势， 侧需要对风机 3、 塔柱 2 甚至基础 1的结构进行改进， 因而增加成本。本发明采用专用运输安装船 6， 利用吊机扶正风机基础， 上部可以采用桁架扶正的方式。 优选地， 在 风机整机 100及安装船 6上安装多点传感器，使整机 1 00在运输时保持与 使用状态下相同的垂直位置。 由于基础 1、 塔柱 2及风机机组 3从制造及 运输到使用都保持同样的位置， 最大限度降低了损坏风机整机 1 00 的风 险。 另外， 由于基础 1本身可以提供漂浮力， 在运输时允许运输船不负载 或减小负载风机整机 100的重量， 大大降低对运输船运载力的要求， 降低 运输成本。
在把整机 1 00运输到海上现场后，参照图 7所示，进行海上安装步骤， 其包括在海上现场释放固定系统， 释放基础 1船体 1 0内的空气以减小浮 力， 整机 1 00通过重力沉到海床， 固定基础 1完成安装。 由于释放基础 1 的航体 10 内空气后， 海水可以进入基础 1， 通过自身重力即可沉放整机 100 , 不需要使用大型的施工机械使基础 1下沉。 在优选的具体实施方式 中， 基础 1预制设置与舱体 10连通的管道及阀门。 在释放固定系统后， 开启基础 1的放气阀门释放空气并通过吊机放下整机 1 00，整机 100通过 重力沉到海床。安装过程用安装船 机扶正，确保下沉过程的安全和安装 垂直度。 优选地， 通过定位系统实现精确定位， 并采用锚定、 动力定位等 手段， 固定位置。 优选地， 通过重力沉放、 破土沉放、 负压沉放相结合的 方式将整机 1 00安装到设计深度。在沉放到预定位置后，将基础 1调平至 设计要求， 通过负压地基处理和 /或重力压载地基处理方式使土壤承载力 达到设计要求。 利用安装船 6的辅助机具， 下沉泥面采用多种沉放技术、 地基处理技术， 可以实现安装完成后的纵向垂直度和基础承载力。
现有技术已经公开一些基础下沉方法及加固方法， 例如， 名称为《一 种厚壁筒型基础注气破土下沉方法》 的申请号为第 200910244841. 6号的 中国发明专利申请及名称为《一种气置换水的筒型基础下沉方法》的申请 号为第 20091 0244849. 2号的中国发明专利申请公开了基础下沉方法。 名 称为 《一种气置换水的筒型基础地基加固方法》 的申请号为第 20091 0244844. X 号的中国发明专利申请及名称为 《基于筒型基础负压技 术的地基加固方法》 的申请号为第 20091 0069424. 2号的中国发明专利申 请公开了基础加固的方法。 请详参所述的专利， 不再赘述。
如果风机 3出现一定的故障需要维修， 或者达到服务期限需要更换， 可以用大致相反的过程，整体地回收该海上风机。海上风机的回收方法包 括海上起浮步骤、 运输步骤及码头作业步骤。
在海上起浮步骤， 通过向基础 1的舱体 10内部注入压缩空气提供上 升浮力。优选地， 海上起浮步骤包括注入高压水使基础 1从海床松动。 通 过安装船 6固定系统扶正风机整机 1 00避免倾覆，完成基础 1起浮后将风 机整机 100固定到安装船 6。 由于通过自身浮力即可使整机 1 00上升， 不 需要使用大型的施工机械起吊基础， 施工成本很低。
在运输步骤， 在通过固定系统将风机整机 100固定到安装船 6， 并保 持在基础 1内注入空气使风机整机 1 00漂浮在水上的情况下，通过安装船 6把风机整机 100运输离开海上现场，在基础 1和船体 6分别设置纵摇和 横摇感应器， 安装船 6 运输风机整机的过程中通过控制系统调整船体 6 压载。 类似前所述， 由于基础 1、 塔柱 2及风机机组 3保持与使用状态同 样的位置， 最大限度降低了损坏风机整机 100的风险。 另外， 由于基础 1 本身可以提供漂浮力，在运输时允许运输船 6不负载或减小负载风机整机 100的重量， 大大降低对运输船 6运载力的要求， 降低运输成本。
在码头作业步骤，在码头对风机进行维修或者拆卸处理。类似前所述， 这些维修或者拆卸的工作全部可以用码头的岸基设备完成，与海上作业相 比， 设备成本低， 而且工作条件好， 有利于降低施工成本。
根据本发明的方法可以实现整机一步式安装及拆除，对于风机整机损 坏风险低， 操作易于实现， 成功率高， 相对于现有的安装技术大大降低成 本。而且，本发明的技术方案具有海上作业过程所需船舶少，施工噪音小、 海床扰动面积少、 无污染物泄漏等优点， 具有很好的环保性。
本发明虽然以较佳实施方式公开如上， 但其并不是用来限定本发明， 任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的 变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所限定的范围 为准。

Claims (16)

  1. 权利要求
    1. 海上风机的安装方法， 其特征在于其包括以下步骤：
    预制基础步骤， 其包括制造基础， 所述基础包括多个舱体， 所述多个 舱体提供了整体的漂浮力及扶正力，使整体结构在不依靠外力的情况下保 持垂直状态；
    码头安装步骤，其包括将基础下水，在码头将塔柱及风机机组安装在 所述基础上组装成整机， 并完成整机状态下的调试；
    运输步骤，其包括通过固定系统将所述整机固定到安装船，在所述基 础内注入空气的情况下，所述整机漂浮在水上，通过安装船把整机运输到 海上现场，在所述基础和船体分别设置纵摇和横摇感应器，安装船运输整 机的过程中通过控制系统调整船体压载；
    海上安装步骤，其包括在海上现场释放固定系统，释放所述基础内空 气， 通过重力沉放整机到海床， 固定基础完成安装。
  2. 2. 权利要求 1所述的方法， 其中， 所述运输步骤包括通过吊机起吊 整机到设计高度， 通过固定系统固定上部塔柱。
  3. 3. 权利要求 1所述的方法， 其中， 所述预制基础步骤包括预先勘探 海上现场确定安装要求， 根据安装要求将基础设计为圆形或多边形结构， 在陆地预制场制造所述基础， 然后进行结构测试并检验合格。
  4. 4. 权利要求 1所述的方法， 其中， 所述多个舱体包括至少一个中舱 及多个边舱，所述多个边舱比所述至少一个中舱更远离所述基础的几何中 心， 在所述基础下水后， 通过所述至少一个中舱提供主要浮力， 通过所述 边舱提供扶正力以控制基础及在基础上安装的物体的平稳漂浮。
  5. 5. 权利要求 3所述的方法， 其中， 所述根据海上现场安装要求设计 基础包括设计使整机的重心高度与基础直径或者多边形跨距的比值不大 于 0. 3， 所述基础的直径不小于 20米。
  6. 6. 权利要求 1所述的方法， 其中， 所述码头安装步骤包括在将预制 完成的基础下水后，在基础的舱体中注入压缩空气，利用基础自身的浮力 与扶正结构起浮， 用拖轮拖运到安装码头并固定。
  7. 7. 权利要求 6所述的方法， 其中， 所述码头安装步骤包括利用岸基 吊机依次在基础上吊装塔柱、叶片及风机头， 完成风机总装和风机机组带 电调试。
  8. 8. 权利要求 1所述的方法， 其中， 所述运输步骤包括将整机转运到 风机安装船， 吊机起吊整机到预先设计的高度， 固定上部塔柱。
  9. 9. 权利要求 1所述的方法， 其中， 所述运输步骤包括通过所述安装 船运输风机起运， 利用拖轮运输至现场。
  10. 10. 权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述海上安装步骤包括释放固 定系统， 通过吊机放下整机， 开启放气阀门从所述基础的枪体释放空气， 通过重力沉放所述整机到海床。
  11. 11. 权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述运输步骤包括通过定位系 统监测整机与船体的相对位移，利用船体与整机之间的牵引系统，确保纵 向的垂直度。
  12. 12. 权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述海上安装步骤包括通过定 位系统实现精确定位，并采用锚定、动力定位等手段固定所述整机的位置。
  13. 13. 权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述沉放整机到海床的方法选 自由重力沉放法、 破土沉放法及负压沉放法组成的集合。
    14.. 权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述海上安装步骤包括通过负 压地基处理和 /或重力压载地基处理方式使土壤承载力达到设计要求。
  14. 15. 权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述海上安装步骤包括将基础 调平至设计要求。
  15. 16. 海上风机的回收方法， 其特征在于其包括以下步骤：
    海上起浮步骤，其包括通过向基础内部注入压缩空气提供基础上升浮 力，通过安装船固定系统扶正风机整机避免倾覆， 完成基础起浮后将风机 整机固定到安装船；
    运输步骤，其包括在通过固定系统将所述风机整机固定到安装船， 并 保持在所述基础内注入空气使所述风机整机漂浮在水上的情况下，通过安 装船把风机整机运输离开海上现场，在所述基础和船体分别设置纵摇和横 摇感应器， 安装船运输风机整机的过程中通过控制系统调整船体压载； 码头作业步骤， 其包括在码头对风机进行维修或者拆卸处理。
  16. 17. 权利要求 16所述的方法， 其中， 所述海上起浮步骤包括注入高 压水使基础从海床松动。
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