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技术干货丨山地风场风电机组吊装优化方案

来源: 2021-03-03

  摘要:山地风电场平台设计尚未发布设计指导手册或者相关设计标准,平台设计的参数参照平台有效面积的经验取值。本文通过研究吊装设备与平台的契入度,对平台尺度进行优化设计,以期降低平台开挖工程量,减少平台占地面积,减小对环境的扰动,节省工程投资。

  关键词:山地风电;吊装;契入度;平台优化

  山地风电场平台设计考虑的因素主要有地形、吊装设备、风电机组设备的尺寸、叶轮组装空间等。因地形的原因,风机平台异于平原项目,每个风机平台的大小不一,但平台有效面积(不包含风机基础)经验取值为2MW(35*35m)、2.5MW(50*40m)、3.0MW(55*45m)。山地风电场平台通常采用差异化设计思路,确保有效面积在平台实际的设计范围以内。设计成果与设计人员的经验有很大的关系,目前还未有一个指导山地风电场平台设计的手册或者标准发布。

  随着风电场电价补贴逐步退坡,十四五将面临全面平价。同时,伴随着风电可能参与市场化竞争交易。为保证项目合理的收益,优化各单元工程降低工程投资尤为重要。另外,环保要求及资源节约的道德约束,造成林业、环保、水利、国土相关主管部门对风电场占地有了更高更严苛的标准。

  本文结合时下投入建设广泛的单机2.5MW、3.0MW直驱机组吊装设备与平台契入度对山地风电场平台优化设计进行可行性和经济性论述,引入不同机型最优契入度思考,供后续项目建设策划、决策使用,供业内同行讨论。

  1.大容量机组对吊装平台需求

  随着风电行业不断发展,风力资源的开发利用已经趋步成熟,低风速、高塔架、大叶片机组陆续投入建设,随机组单机容量增大,塔架、叶片安装对机组吊装平台面积需求随之变大,结合南方某省山地风电场工程建设案例,2.5MW机组轮毂高度90m,叶片长度68.60m,吊装平台使用面积约1904~2524㎡;3.0MW机组轮毂高度90m,叶片长度68.65m,吊装平台使用面积约2080~2682㎡。

  2.吊装机械布置论述

  2.1吊装机械常规布置

  对山地风电场来说,2.5MW及以上机型主吊选择一般为600T及以上履带吊或800T以上汽车吊,受场内道路路况限制,一般选用600T及以上履带吊较为常见;配置3台辅吊(80T或100T)辅助开展吊装,主要用于卸货及配合进行设备抬吊、溜尾等。因常规设计平台面积较大,主吊一般沿平台中轴线左侧或右侧布置,辅吊根据主吊站位情况按组装时叶片扩展方向进行布置,常规吊装时机械布置如下:


  2.2吊装设备优化布置

(1)2.5MW、3.0MW机组优化布置

  通过现场连续观测南方山地某项目主吊起吊情况来看,主吊沿风机平台纵轴线开展吊装作业时设备布置为最优,主吊起吊时臂杆仰角按规程取值为78°,根据机组设备尺寸通过三角函数计算得出起吊塔筒、机舱、发电机、叶轮时从基础中心到主吊尾部距离分别为28m、28m、33m、35m,对比可看出,起吊叶轮时基础中心到主吊尾部最大距离为35m;基础半径取值为10m,考虑靠近下边坡临边、临崖布机时基础临边受力情况影响,基础边缘至临边侧取抗滑移安全距离为4m,计算得出平台中心纵轴线有效利用距离为49m。

  组装叶轮时轮毂位置可于平台纵轴线的左侧或右侧布置,但始终有一只叶片沿横轴线方向向外扩展,此时需考虑辅吊到叶片支架吊点进行叶片固定的距离。当叶片沿垂直平台纵轴线向左扩展时,轮毂位置应靠右布置,反之则向左布置时方案为最优,此条件下叶片根部可向垂直纵轴线支架吊点的反方向延伸3~5m,不同长度叶片根部到叶片支架吊点的距离不相同,叶片支架吊点与叶片配重相关,本项目叶片根部到支架吊点距离为43m,80T汽车吊沿叶片伸展方向布置固定叶片时工作幅度(已考虑安全系数)取值为23m,由此推算半幅平台横轴线距离为17m,即横轴线上全幅平台最大利用长度为34m,计算出2.5MW、3.0MW机型吊装设备与平台的最优契入度时风机吊装平台有效利用面积约1666㎡,此种设备布置在已建项目吊装作业时得以实践,符合吊装作业规程、规范要求,吊装设备与平台最优契入度布置图如下:


(2)不同型号机组最优契入度的思考
       结合以上论述,吊车的最佳位置应布置在平台纵轴线上,吊装设备与平台最优契入度主要与风机设备部件尺寸与重量、吊装设备性能参数、基础半径、临边安全距离等因素有关,将各影响因素参数化建立数学模型,过程如下:根据轮毂高度计算得出起重高度为:
       H≧h1+h2+h3+h4(1-1)
       计算起吊叶轮时基础环中心至主吊尾端距离为:
       L=(H/tan78°)+BJ +BF+By/2+DL/2(1-2)
       计算风机平台纵轴线方向最大利用距离为:
       DYMAX=L+R+Dk(1-3)
       计算风机机平台横轴线方向最大利用距离为:
       DXMAX=(Ly-r-Lz )×2(1-4)
       根据1-3 、1-4计算平台有效利用面积为:
       S= DXMAX× DYMAX(1-5)
       H:起重高度;
       h1: 塔筒高度;
       h2:安装间隙,视具体情况而定,一般取0.2-0.5m;
       h3:绑扎点至构件吊起后底面高度;
       h4:吊索高度,自绑扎点至吊钩面的距离,视实际情况而定,风电一般取值2~5m;
       BJ:机舱前端到重心点宽度;
       BF:发电机宽度;
       By:叶轮宽度;
       DL:主吊前履带到尾端距离;
       Dk:基坑离临崖/临边安全距离;
       R: 基础半径;
       L: 起吊叶轮时基础环中心至尾端距离;
       DYMAX:风机平台纵轴线方向最大距离;
       DxMAX:风机平台横轴线方向最大距离;
       Ly:叶根到叶片支架吊点的长度;
       Lz:叶根从垂直纵轴线支架吊点的反方向延伸距离;
       r:辅吊工作半径;
       S:平台有效利用面积。

  3.案例分析
       随着风电机组技术水平不断进步,大容量机组是必然趋势,面对平价上网,大容量机组搭配大基地项目将成为开发主流模式。山地风电场单机3.0MW已成主流,4.0MW以上已有个别案例,不久的将来4.0MW广泛使用。以某主机厂4MW-165m-100m的风机(推荐面积60m×60m)为例,计算特定吊装设备下所需平台有效面积如下:
     (1)风机平台纵轴线方向
       根据吊装高度:
       H≧h1+h2+h3+h4 ≧100+0.2+3+7.3=110.5m
       计算风机平台纵轴线方向最大利用距离为:
       L=(H/tan78°)+BJ+BF+By/2+DL/2 =23.5+2+3.2+2.3+8.9=39.9≈40m
       基础半径R取值为11m,基础临边安全距离Dk取值为4m,计算风机平台纵轴线方向最大利用距离为:

  DYMAX=L+R+Dk =40+11+4=54m            
     (2)风机平台横轴线方向
       叶片根部到支架吊点距离为51m,此时可择优选用100T汽车吊辅助沿轴线扩展叶片的吊装,辅吊沿叶片伸展方向布置固定叶片时的工作幅度(已考虑安全系数)取值为28m,计算得出:
       DXMAX=(Ly-r-Lz)*2 =(53-3-28)*2=44m 

  由(1)、(2)综合得出平台有效面积为:
       S= DXMAX × DYMAX =54*44=2376㎡
       4.在吊装设备与平台最优契入度下控制平台有效面积的优化设计思考
       对山地风电场来说,风机机位布置大多布机于山峰、山脊位置,设备安装对吊装平台的需求势必进行风机平台降高程开挖使其满足机械吊装作业面需求,单薄山脊机位更明显,土石方开挖随之大幅上升,控制风机吊装平台有效利用面积,可有效减少土石方开挖量。
       结合风电场地质勘查报告,风机基础区地层多为第四坡残层黏性土及花岗岩。第四系覆盖层性质较差,但厚度较薄,一般在3m以内,风机基础设计埋深位于该层之下,地基岩土性质自原始高程3米下伏可达到持力层。即在平台有效面积满足吊装需求的情况下,平台高程控制在原始高程3m下伏满足机位布机条件,结合现场挖方情况,地质勘查报告中持力层与开挖后岩土性质基本一致,在吊装设备与平台最优契入度下,吊装作业对平台的有效面积的需求量降幅明显。一般来说,只要不存在特殊地质,山地风电可布机的山脊原始高程小方量开挖后就可满足机组吊装有效面积需求,从而降低土石方开挖工程量和用地使用面积以及植被恢复措施等工程费用。
       5.平台优化后经济性比较
       结合地勘报告论述,合理优化后林地、植被恢复措施、土石方开挖等工程量大幅减少,以某项目二期为例,充分利用平台有效面积最少可节约费用约405万元,详见附表-1:

表-1吊装平台合理优化后经济性比较


  6.结语

  提高机组吊装设备与平台契入度对山地风电场平台优化可有效节省土地资源,减少对林木砍伐,降低工程造价,同时可以尽量减少平台标高的损失,有效利用风能资源,对工程建设进度有良好促进作用。但作为工程建设者需谨慎求证,不同风电场在项目前期应做好道路路径与主吊组臂合理规划,对布机范围加密勘察点位进行岩土分析,细化、量化每一台风机布机因素,逐一制定有效解决措施,确保项目有效切入,力争做到最优结合点。


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