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插桩式、坐底式 详解海上风电安装平台的作业方式

国际新能源网  来源:风电全搜索  日期:2018-09-14
  海上风力发电可谓是时下最为热门的词汇了,然而你知道吗?这个造福世界的新能源实际上才存在了27年。1991年,位于丹麦Lolland岛附近的Vindeby的低水位海域的海上风力发电厂首次实现11台风电机组并网运行,这也是世界上第一个海上风电项目。风雨无阻地运行了25年之后,目前世界上第一个海上风力发电场—丹麦东能源公司旗下的Vindeby海上风电场已退出世界舞台。在整个运行期内,Vindeby海上风电场共发出了2.43亿度电。
 
  2010年7月,我国建成了第一个海上风电场——上海东海大桥海上风电示范项目,这也是全球除欧洲以外的第一个海上风电场。
 
  相比陆上风电,海上风电具有风力平稳、风机利用率高、不占地、不扰民等优点。但是海上风急浪高,风机安装一直是难点。在2013年之前,我国海上风机的安装通常由起重船来进行,安装成本是陆上风机的两倍。
 
  起重船对作业环境非常敏感,极其依赖天气和波浪条件,安装作业效率低,稳定性差,安装一台风机往往需要10天左右的时间。
 
  今天港机圈就和大家一起聊一聊目前最新的风电安装技术,详解一下插桩式和坐底式海上风电安装平台的区别。海上风电安装作业平台和普通起重船的最大区别是,一个是有本之木,一个是无根浮萍。
 
  在海上风电场施工中面临最大的一个问题就是桩柱的安装。将直径3~8米、重达500~2000吨,甚至更大的桩柱用桩锤强力打击插入水下泥中,也就是我们常说的“打桩”。桩打的不好,直接影响风电项目的作业效率和工程质量。
 
  当前,世界各国普遍采用插桩式海上风电作业平台,但面临着不能迅速插拔桩,作业程序复杂严格,桩靴必须座落在承载能力为80~100t/m2的硬质土层或者密实的砂层上,碰上粘性土壤产生粘附力吸住桩靴,拔桩力远大于压桩力难以拔出等问题。
 
  现用的海上风电安装平台是一种全新的海洋工程船舶,主要由起重机、船体、桩腿和桩靴、抱桩机以及升降系统等组成,主要用于海上风力发电的打桩作业、风机安装和桩柱、桩锤等物料附属设备的运输。现代风电安装平台将起重船、海上作业平台和运输船、抱桩机以及生活供给船所具有的各项功能完美地融为一体,便于出海独立工作和工作人员持续近月余的生活。另外还装有先进的动力定位系统和自动控制系统,操作灵活自如,可以独立完成上述桩的安装作业和运输任务,全过程无需其它船舶协助。
 
  海上风电场施工最大的难点就是桩柱的安装。将直径3~8米重达500~2000吨甚至更大的桩柱用桩锤强力打击插入水下泥中,桩柱的安装不仅需满足桩柱的吊高(80~120米左右)、吊重和位置的要求,还要保证桩柱的垂直度,即垂直于海平面。同时由于抱桩机是安装在船体上,因此要求船体在打桩的全过程不能移动,过去曾用抛锚绞车来稳定船体,但它是柔性系统,无法保证船体固定不动,不适用风电打桩作业,早已被淘汰。
 
  目前主要采用两种方式,其一是将安装平台自身带有桩靴的桩腿深深插入泥中使其在海上风浪涌袭击下保持稳定,其二令安装平台的船体“座底”,即下船体(中空浮体)坐在水下泥层面上,由泥层和下船体承载船的重量并依靠与泥层的摩擦力以及同时插入泥中的无桩靴的小桩保持水平方向的稳定。目前,世界上的安装平台,都采用前一种方式即插桩来稳定自身,即所谓插桩式海上风电安装平台。
 
  插桩式海上风电安装平台的难题和缺点
 
  海上风电装置利用3~8米直径、厚50~100毫米重达500~2000吨或更高的单桩柱插入海面泥中数十米,以支承海上风力发电装置(重150~300吨)和承受风压以及涌浪冲击。打这种巨大的桩。插桩式海上风电安装平台的特点将自身也用桩腿插入泥中,并配有起重机和打击力强大(200~400吨米)频率高(30~50/分)的特殊桩锤,以及抱桩机等附属装备。
 
  此外,为了减小海上涌浪对打桩船船体的冲击,为躲避此力,用桩腿将平台的船体稍抬离水面约4~5米,令涌浪从其下方穿过,为了满足桩柱垂直度的要求,必须稳定安装平台,其自身多采用长几十米的大直径(3~4米)桩腿和端部的巨大桩靴插入泥中(软质土壤条件下可能需20~30米)以承受其自重,并稳定它在水中的位置。
 
  这种插桩方式,虽能较好的实现打桩作业,但作业程序复杂严格,例如:总重达2万吨大型风电工程船(包括外载5000吨),它每只桩腿插到位后,仍需经过加载“预压”工序以保证它有可靠的地基承载能力。每只单桩预压载荷常需正常承压的一倍(8000~10000吨),为此需先将船体注水,以增加自重,这种设计主船体需具备很大容积的压载舱,对大型船舶往往难以实现,此时只能采用对角压载的方法完成预压(同时只压两只桩),对主船体结构提出很高要求,导致结构很厚重。而且桩靴必须座落在承载能力为80~100t/m2的硬质土层或者密实的砂层上,才能为船体提供有效支撑,这种优质的地基条件往往需要在海底以下数十米才存在,打桩作业完成后,再拔出被泥砂覆盖的桩靴。这些工序必须一丝不苟认真进行,否则打桩过程船体将会出现地基穿刺,导致歪斜甚至倾翻大祸。
 
  现代插桩式海上风电安装平台插入泥中的桩靴面积至少为100平米,而桩腿直径为4米左右,两者截面的面积相差六倍,拔桩时, 桩靴上覆盖的十几米砂土重量会带来巨大的下压力,拔桩时还要克服这些土体与周围土体相互间的摩擦和粘附载荷,以及桩靴底部上拔时产生的负孔隙水压形成的吸附力和粘聚力,需巨大拔起力。视不同土质,为消除负孔隙水吸附力和底部粘聚力,常常先要用高压水冲桩,以连通桩靴底部孔隙和外界海水,而在泥中插深较深时,外界水不容易补充进来,这种连通更为困难。在特殊情况下,甚至可能冲不动桩。例如:每只桩腿视土质和需插入深度(20米左右),通常其插入力需2000~3000吨,然后需加1倍于插入力进行“压桩”作业(视土质需保持12~24小时),如果碰上粘性土壤产生粘附力吸住桩靴,常使拔桩力远大于压桩力。有时,千方百计仍拔不出,不得已只好割掉,这是令操作者最为痛心,也是这种插桩式打桩船的致命缺点。
 
  新型坐底自升式海上风电安装平台继承了传统插桩式全部功能并实现了其技术参数,从外观上看它们的差异是:取消了桩靴和增加了下浮体。在漂浮状态时,下浮体收入船体之内,可以短程调遣也可以拖带远航,在工作时,仍由安在下浮体上的四只腿,将它抬离水面4~5米,以减小风、浪、涌对它的冲击。
 
  坐底自升式海上风电安装平台有别于插桩式的最大特征是没有桩靴。插桩式海上风电安装平台每根支承桩的底部均安装有桩靴,它能扩大支承面积,以支持打桩船高达1.5~2万吨的自重和外加载荷,若没有桩靴,无论插多么深,仅靠桩与土的摩擦力,是无法支承庞大且重的船体。
 
  若取消桩靴改为坐底式,因为坐底是个具有巨大排水量的中空浮体,实际上是这个浮体承受着打桩船的大部分自重,船的自重减去浮力剩余的重量,才是压在泥面上的力。调节浮体内水量,就可调节对泥面的载荷。泥面上并没有承受船的全部自重,而是部分载荷,视不同土质的承压能力可予以调节。
 
  坐底海上风电安装平台取消了插拔困难的桩靴有几个好处:首先是“打桩”作业全过程,无插拔压桩靴之“苦”,大大提高了工效。其次是对海底土的单位面积压力可调节,能适宜各种土质,特别是软粘土甚至淤泥土质条件的打桩作业,对海上风场作业不同土壤的适应性强。其三是桩腿上无桩靴,也不需对桩腿端的桩靴预压,不只减小了作业时间,也取消了为预压而加强的船体结构,简化了船体结构。综合各项优点,其生产效率能提高一倍甚至更高,从而大大提高其市场竞争力和经济效益。
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