海上风电场海上升压站上部组块吊装技术要点分析

引言

2018年5月18日,国家能源局发布《国家能源局关于2018年度风电建设管理有关要求的通知》,通知指出:"从2019年起,各省(自治区、直辖市)新增核准的集中式陆上风电项目和海上风电项目应全部通过竞争方式配置和确定上网电价。"2020年,新型冠状病毒肺炎疫情席卷全球,全世界的能源面临重大考验:2021年,煤炭、天然气等能源价格持续飙升,同年9月,我国辽宁、吉林、广东等多个省份发出能源危机的通告,提出错峰用电等限电措施。

为了缓解我国日益严峻的能源形势,满足国内日益增长的电力需求,也为了碳中和目标的顺利实现,海上风电以其节能、环保、高效等得天独厚的优势在新能源领域获得了蓬勃发展。2021年1月,广东省政府明确了2022年海上风电中央补贴取消后,为扶持海上风电发展,将在广东省管辖海域对2022年及2023年全容量并网海上风电项目进行补贴,补贴方式为"全容量并网、先到先得"。

笔者基于多个海上风电项目的建设经验,认为海上风电项目不同于传统的核电、燃煤等陆上电力项目,海上升压站作为海上风电场的"心脏",其安全、顺利吊装就位对项目并网发电具有举足轻重的作用。本文首先介绍了传统海上风电海上升压站的构造和组成,然后对海上升压站上部组块吊装技术进行分析和探讨,简述吊装过程中可能遇到的风险及应对措施,最后对本研究进行了简要总结,对行业发展前景及国家战略政策进行了合理展望。

1海上风电场海上升压站简介

海上升压站是海上风电场的心脏,采用上部组块和下部基础的布置模式,其结构由桩基础、导管架、上部组块三部分组成。我国海上风电场海上升压站上部组块为钢结构平台,共设置三层(含甲板层),平台尺寸根据各风电场装机容量不同,最终以施工图为准。海上升压站效果图如图1所示。

上部组块各层设备布置简要介绍如下:

一层布置楼梯、电缆穿越层,在靠近甲板边缘处布置救生设备、事故油罐。

二层中间布置主变压器、主变散热器、低压配电室、蓄电池室、GIS室、消防泵房、应急柴油机房等。

三层中间为主变压器区域,一侧布置二次设备间、暖通机房和电抗器室,另一侧布置备用柴油机房、升压变室和应急配电室。

屋顶层布置悬臂吊、空调室外机、直升机平台等。

甲板层设有两个通道通向登船平台,可以通过救生艇等逃生,各层均设有两部疏散楼梯,楼梯直接从海上升压站顶层一直通到甲板层,宽度不小于1.10m,满足疏散通道要求:开关柜室、二次设备间等主要防火区域均设有两个出口,防火门均采用和墙相同的防火等级,所有防火门均向疏散方向开启。围护结构按照不同防火分隔等级采用不同结构及材料。

下部基础在钢结构制作厂制作完成后,整体运输至海上完成钢管桩沉桩、导管架吊装、灌浆等工作。

上部组块在钢结构制作厂完成钢结构建造、设备安装调试后,整体运输至海上完成安装工作。

2海上风电场海上升压站上部组块整体吊装技术要点分析

海上升压站上部组块整体吊装施工首先根据GPs抛锚定位,运输船运输海上升压站上部组块至海上风电场所在海域后抛锚定位,吊装船和运输船全部定位完成后,吊装船吊装海上升压站上部组块至导管架正上方,配合完成海上升压站上部组块安装工作,最后进行海上升压站与导管架连接皇冠板的焊接作业,焊后对焊接区域进行涂装保护。施工工艺流程如图2所示。

2.1施工准备阶段要点分析

(1)施工船舶的选型是海上升压站能否顺利吊装的关键,在施工船舶进场前,应对船舶进场路线及施工水域进行考察,施工船舶应根据施工水域水深、潮汐等情况进行吃水校核,起重机械应根据海上升压站总吊重进行起重能力分析,最终制订船机设备使用的最优方案。

(2)天气形势及其趋势预测对于海上风电施工来说至关重要,在吊装前应查询国家海洋环境预报中心、windy查询网等对施工水域的海洋气象预报,准确掌握未来12h、24h、48h和72h的天气预报,包括风速和风向、有效波/涌高、最大波/涌高、平均/最大周期、波/涌方向、能见度、气温等方面[3]。

(3)海上升压站上部组块出厂要求直接影响风电场并网发电,因此在出厂前应完成所有焊接、涂装工作,非必要不得进行海上焊接和涂装,以免因海洋气候腐蚀影响施工质量。

(4)海上升压站上部组块在基地码头总体拼装前,必须确认上部组块在码头的摆放方向、装船方向、海上安装方向等与导管架方向保持一致,装船前需测量4个柱子桩顶水平度(控制在3%以内),并准确称重、做好记录。

(5)上部组块海上安装前,施工单位应对已完成施工的下部结构进行复测,确保导管架的平面位置和相对高差符合安装要求。

(6)施工方应结合施工水域海缆敷设路由线路图,绘制出船舶的停靠、抛锚布置图,并在海缆处设置浮标以便海上施工辨认,施工时在周围设置警戒船只、警戒区域。

2.2吊装施工阶段要点分析

(1)施工船和运输船的精准定位是顺利完成吊装的决定性因素,应在船舶进场前对所涉及的锚点及停船位置海域的水深等进行复测。起重船拖航至离安装位置附近300m位置后,起重船解拖,赠锚和舰锚就位,起重船定位完毕。随后,运输船定位在海上升压站机位。吊装时,运输船船长方向与浮吊船船长方向均顺流布置,海上升压站导管架在运输船一侧,起重船抛锚就位好,运输船到达起重船船舰附近抛锚就位。

(2)海上吊索具与海上升压站安装操作过程中,涌浪一般应不大于0.8m,以便尽量减小浮吊和运输船的升沉运动,以免影响索具安装质量。

(3)上部组块起吊后,海上风浪流等环境因素影响较大,起吊后应进行吊装观察。按照技术规范书提出的吊装时4个柱底部的水平和竖向加速度极限值,吊装时应实时监测水平和竖向加速度,当加速度超过设计值时应立即停止相关吊装工作。

(4)上部组块离开运输船后,起重船通过起升调节臂架仰角将上部组块吊装至导管架上方,然后主钩头缓缓下降,上部模块降至距离导管架上方1~2m时停下,通过缆风绳进行微调定位,使上部组块下方4个立柱对准基础桩插入。4根立柱定位,确认无误后,缓缓降下钩头,4个立柱准确进入基础桩内。

(5)上部组块安装结束后,应使用水准仪对海上升压站整体沉降进行定期观测并形成观察记录,如发现总体沉降超出技术要求,应及时采取措施加以解决[4]。

3海上风电场海上升压站上部组块整体吊装重大风险分析及应对

传统海上风电场海上升压站上部组块整体吊装时,总吊重通常达3000t及以上,因此海上吊装属于危大工程,极易发生海上大件吊装事故。发生此类风险的原因主要是在大件吊装过程中容易发生吊带或钢绳断裂、吊耳损坏等情况,由此可能造成吊机倾斜甚至倒塌的风险,导致高空坠物,甚至出现人员高处坠落的人身伤亡事故。应对此类风险,作为施工方应在施工前编制专项施工方案,充分分析海况条件并选择适宜的施工船舶,组织专家论证。在施工船进场后,开始施工前应由施工单位、监理单位等对起重船舶及吊索具进行安全专项检查,检查其出厂合格证及有效期,检查外观质量等。在施工时实时监控吊装环境因素,避免大风或大涌浪条件下施工,并做好施工警戒,避免非相关船舶进入施工现场,发生船舶碰撞,从而造成不可估量的损失。

此外,海上施工还可能发生人员落水的风险,严重时可能造成人员伤亡事故,作为海上风电场参建单位,应在出海码头和各类参建船舶上配备足额的救生设备,同时要求本单位出海人员必须穿戴救生衣。长期在海上作业的施工人员应经过专业培训,懂得基本的应急救援常识和自救措施,一旦发生落水事件可以尽最大可能保障生命安全。

4结语

"十三五"期间,近海海上风电项目稳步发展,以"抢装潮"为催化剂,深海项目已悄然孕育:"十四五"则提出了"海上风电＋海洋牧场"的大胆创想,将新能源产业和现代农业跨界融合。伴随产业链升级与多元化发展,海上风电迅猛发展必势不可当。

本文分析了海上风电场海上升压站吊装技术、所面对的难题和应对策略,相比常规陆上电力项目的大件设备吊装,海上吊装最突出的问题是对海洋气象环境依赖较大,危大工程作业具有极高的安全风险,一旦发生人员落水或船舶倾覆将造成难以估计的损失,因此在施工前应做好充足的施工准备,在施工过程中应实时关注气象信息,严禁冒险作业,各参建单位应始终将人民生命安全放在第一位。