大型海上风力机单叶片吊装对接技术综述

谢斯泓, 赵永生,2, 许移庆, 何炎平, 韩兆龙,2, 许玉旺,2

(1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 200240; 2.自然资源部第二海洋研究所极地深海技术研究院,杭州 310012; 3.上海电气风电集团股份有限公司,上海 200233)

近年来,海上风力发电(简称风电)在新能源领域中异军突起,呈现高速发展的态势.据统计[1],2021年全球新增海上风电装机容量约21.1 GW,其中我国占比80%,约16.9 GW.然而,全球近海风能开发日趋饱和,海上风电向深远海、大型化方向发展的趋势愈发明显.海上风力机巨头企业Vestas、Siemens、明阳、上海电气等最新研制的大型海上风电机组的单机容量已经达到15 MW以上[2],而针对20 MW级别的巨型海上风力机设计已在进行中.体积和质量越来越庞大的海上风电机组也给传统海上风力机安装技术带来更大的挑战.

目前主流的海上风电机组安装方式为分体式安装,即将风力机塔筒、机舱、轮毂和叶片等零部件预组装后起吊并进行对接[3].其中,叶轮部分吊装最困难,未来20 MW级别的大型海上风力机叶片预计展长将达到120 m以上,单叶片质量也将达到 60 t 以上[4].由于叶轮整体体积大、质量大、受风面积大、起吊高度高,所以将叶轮吊装拆分为多次单叶片吊装的方式更为合适,欧洲和我国的大型海上风电场也多采用这种方式[5].

单叶片吊装对接过程要求在高空将叶片根部螺栓准确插入轮毂变桨轴承的螺栓孔中.由于风力机叶片外形特殊,运动姿态易受风载荷影响,稳定控制难度较大,所以单叶片吊装的安装时间通常需占总有效安装作业时间的1/3左右[6].除了等待合适的海况窗口期以外,通常还会在叶片吊具上固定多条缆风绳,利用动力绞车或人力辅助稳定叶片姿态,该方式不仅效率低,也存在一定危险性[7].

从现有大型海上风力机单叶片吊装特点、难点出发,调研分析单叶片吊装对接技术的吊具设备、仿真模型和主动控制系统等关键技术,讨论单叶片吊装对接技术的未来发展趋势和前景,并针对单叶片吊装对接难题提出具有动力定位功能的单叶片吊具和双抱箍垂直叶片安装辅助装置两种技术思路.

1 大型海上风力机单叶片吊装的优势与难点

1.1 海上风力机叶轮吊装方式

大型海上风力机主要采用分体模块化吊装的方式,一般将一台风力机分为塔筒、机舱、轮毂和叶片4个部分.其中塔筒通常分解为1～2段进行吊装,而机舱、轮毂和叶片则根据不同吊装模式采用不同预组装方式[3].根据预组装叶片的数量,叶轮部分的吊装模式可以分为叶轮整体吊装、兔耳式吊装和单叶片吊装[8-9],3种叶轮吊装模式对比如表1所示.

表1 不同叶轮安装模式对比Tab.1 Comparison of different impeller installation modes

1.1.1叶轮整体吊装 叶轮整体吊装方式即在塔筒、机舱分别安装完毕后,预先在安装平台甲板上将风力机叶片、轮毂对接组合,而后利用吊车将叶轮翻身、起吊并与机舱对接,如图1(a)所示.由于不需要进行多次高空对接合拢,所以该方式更适合于近海风电场的中小型风力机安装[10].丹麦Middelgrunden海上风电场、福清兴化湾二期海上风电场等均使用此类吊装方式.然而,叶轮整体吊装方式占用的安装平台甲板面积较大,起吊过程需要主辅起重机相互配合,并且由于叶轮受风面积较大,所要求的窗口期风速低(约为8～10 m/s),所以吊装危险性偏高[11].

图1 海上风力机叶轮部分吊装模式[11-13]Fig.1 Installation modes of offshore wind turbine impeller[11-13]

1.1.2兔耳式吊装 兔耳式吊装即在塔筒安装完毕后,预先将机舱、轮毂和两个叶片组装为兔耳型式,如图1(b)所示,而后将组合模块起吊并与塔筒对接,最后进行一次单叶片吊装,完成风力机的安装工作.与叶轮整体吊装方式不同,兔耳模块预装一般在港口进行,而后将多台风力机兔耳模块和剩余的叶片堆叠装载,前往安装海域.兔耳式吊装相比叶轮整体吊装的方式堆叠装载效率更高,可充分利用吊装平台甲板,但兔耳式组装模块质量较大,需要有较好的预拼装码头和出运能力,并且仍然需要进行一次单叶片吊装[12].兔耳式吊装方式主要在德国Meerwind和Innogy Nordsee等海上风电场应用.

1.1.3单叶片吊装 单叶片吊装[13]即在塔筒、机舱和轮毂均安装完毕后,将3个叶片依次起吊并与轮毂对接,如图1(c)所示.相比其他吊装方式,单叶片吊装具有明显优势.

(1) 装载效率高.在风力机型号和安装平台一致时,不同安装模式下的风力机组件在安装平台甲板装载布置[8]如图2所示.单叶片吊装方式占用的安装平台甲板面积最小, 部件堆叠装载效率最高,风电安装平台可一次搭载多台风电机组出海作业,显著提高安装效率,降低安装成本.

图2 不同叶轮安装模式下组件甲板装载布置示意图[8]Fig.2 Configurations of deck load in different impeller installation modes[8]

(2) 吊装安全性高,窗口期长.由于单个叶片的受风面积相对较小,所以吊装窗口期最大平均风速可达到10～14 m/s,作业海况窗口期更长[14-15].

(3) 起吊质量低,易于施工.面对大兆瓦级海上风力机和愈发庞大的叶轮组件,采用单叶片吊装可以利用起吊质量较小的起重设备进行作业.

从吊装难度、成本、效率等各个角度考虑,单叶片吊装方式都更适合大型海上风力机安装,将是未来海上风力机安装的主流方法,目前主要应用在Nordsee Ost海上风电场、福建长乐外海海上风电场、华能如东H3海上风电项目等.

1.2 单叶片吊装对接过程与突出难点

单叶片吊装方式需要在高空进行叶片和轮毂的精确对接合拢,其中叶片根部的螺栓需准确插入轮毂对应的螺栓孔中,一般轮毂法兰螺栓孔直径为 16～48 mm,对接过程要求短时间内二者相对运动仅为毫米级.Jiang等[16]认为对接成功的要求是螺栓-螺栓孔相对运动4 mm的超越率小于1.67×10-2Hz,即约为每分钟出现1次.叶片根部通常设有若干较长定位销,用于观察员判断调整叶片姿态,辅助和引导叶片对接操作.对接过程中,一旦叶片和轮毂相对运动过大引发碰撞,极易损坏叶片根部螺栓和叶片结构,Verma等[17]通过叶根螺栓碰撞仿真研究指出,仅0.63 m/s的相对碰撞速度造成的螺栓变形就需要修理更换并重新吊装,从而严重拖延吊装进度.为保证吊装对接过程的稳定,通常在单叶片吊具上引出多条缆风绳,通过安装平台甲板或吊车上的动力绞车以及直接使用人力辅助稳定叶片的空中姿态[18].目前海上单叶片吊装的平均风速阈值一般在10～14 m/s,但出于安全性考虑,实际吊装过程一般会选择更低的风速条件(8～10 m/s),以福清兴化湾为例,一年中符合吊装条件的海况窗口期仅为150 d[5].

目前单叶片吊装过程主要面临以下突出难点:

(1) 安装精度要求高.风力机叶片的吊装需要在近百米的高空将叶片根部的螺栓准确插入轮毂法兰盘处的螺栓孔,精度要求达到毫米级.

(2) 吊车移动叶片对接困难.在叶片吊装对接阶段,叶片根部和轮毂对准之后通常还有一段距离,此时吊车无法直接通过平移叶片将其插入轮毂,而是需要通过吊车回转、微调吊角、微调吊高以及机舱转动、缆风绳辅助拉动等操作逐渐实现叶片和轮毂的对接.

(3) 叶片起吊、对接过程中易受风影响而摇晃,叶片根部与轮毂相对运动幅度大,采用缆风绳和部分人力辅助的方式控制能力不足,存在一定危险性.

(4) 作业窗口期长度不足.虽然相比其他吊装方式,单叶片吊装方式的窗口期更长,但深远海风电场安装海况更恶劣,叶片安装窗口期仍非常紧缺.

因此,单叶片吊装对接技术的未来发展方向在于针对性地提高叶片吊装过程的姿态稳定控制能力,以具有主动性、操控性的技术替代当前的被动性、限制性技术,进而提高单叶片吊装过程的精度和效率,降低海上风力机安装成本.

2 大型海上风力机单叶片吊装对接设备及关键技术

2.1 国内外单叶片吊具装置技术对比

单叶片吊具是风力机叶片吊装最为关键的技术装备.面对不同的风力发电机驱动类型和吊装工况,可以采用水平、斜线和垂直的叶片吊装方式,所采用的吊具[7,17]则可以分为旋转式和水平式,如图3所示.

图3 风力机单叶片吊具和吊装方式[7, 17]Fig.3 Blade yoke and installation modes[7, 17]

水平式吊具主要由吊梁、吊索以及叶片的托举结构或吊带组成,其结构相对简单,一般不具备旋转调节能力.风力机叶片进行水平式吊装过程中需要调整轮毂角度,因此叶片水平式吊装适用于可安装大转矩盘车装置的双馈机组风力机.典型的水平式吊具包括Eltronic公司开发的C型托举结构吊具C-yoke-Basic和Siemens公司开发的吊带结构吊具Janett lifting yoke等.

旋转式吊具相对水平式吊具结构更复杂,一般造价更高且质量更大,通常设计有夹持装置、液压旋转机构和重心调节机构,同时还需配备相应的发电机和液电系统等,主要可以实现叶片安装姿态的调整[13,19].使用旋转式吊具进行叶片吊装通常不需要额外的盘车装置装卸操作,因此安装效率更高,单台机组安装可相对节省约10 h作业时间[6].旋转式吊具的出现降低了单叶片吊装的难度,使得单叶片吊装方式逐渐普及.目前旋转式吊具已在我国近海部分风电场建设中使用.

叶片吊具的关键参数主要包括其最大或额定工作载荷、旋转调节范围、最大平均作业风速、自重等,此外叶片固定或夹持结构也是设计关键之一.针对大型风力机叶片的吊具通常需要更大的设计工作载荷,其叶片固定或夹持结构需要考虑避免压坏叶片表面,例如emaTech公司开发的Rotor Blade Clamp吊具采用了14个液压驱动的万向夹持垫,其中10 m2的夹持接触面积使得该吊具在移动和旋转质量达40 t的叶片时不至于损坏其表面[20];旋转调节范围主要针对旋转式吊具而言,通常可分为适用于斜线和水平吊装的小角度可调吊具,调节范围为 -60°～30°,以及适用于所有叶片安装工况的全角度可调吊具.典型的小角度可调吊具如Liftra厂商开发的LT5061 Blade Eagle和Eltronic开发的C-yoke-extented,全角度可调吊具如Liftra开发的LT975 Blade Dragon以及巨力索具公司开发的50 t大兆瓦全角度单叶片吊具.目前多数吊具的最大平均作业风速均在12～15 m/s,阵风要求则可以达到18 m/s,要在较高风速下实现叶片吊装对接,通常需要配合缆风绳控制系统,以Blade Eagle为例,该吊具通常会和Liftra开发的Tagline System配合进行吊装.国内外典型的单叶片吊具主要技术参数对比[21-23]如表2所示.

表2 国内外典型单叶片吊具技术参数对比Tab.2 Comparison of technical parameters of typical single blade yokes

2.2 单叶片吊装动力学建模与仿真

建模与仿真方法在单叶片吊装技术的设计开发、测试和安全性验证等方面具有极为重要的价值.单叶片吊装过程涉及叶片、吊具、绳索、绞车等多个结构和环境之间的复杂相互作用,是一个典型的多体耦合系统,如图4所示.因此,多体动力学系统建模与仿真分析逐渐成为单叶片吊装对接的关键技术之一,国内外学者相继建立了不同复杂程度的单叶片吊装动力学模型,并利用仿真结果分析单叶片吊装的动力学特性,从而验证各类新型吊装技术的可行性.

图4 单叶片吊装仿真模型总览图Fig.4 Overview of single blade installation simulation model

单叶片吊装仿真模型一般包含叶片、绳索、绞车以及波浪、湍流风等独立模块.其中叶片和单叶片吊具之间可以认为刚性固定,则叶片-吊具系统的动力学方程可以表示为

(1)

国外学者Gaunaa等[28]首先提出包含叶片、吊具、吊索和缆风绳的单叶片悬吊模型,并在HAWC2中建立该模型,利用计算流体力学(CFD)方法得到叶片吊装过程中不同姿态和不同湍流风下所受风载荷特性,最后初步分析缆风绳系统在上述不同工况下稳定叶片所需的张力.在此基础上,Kuijken[29]进一步验证该模型,对DTU 10 MW海上风力机叶片悬吊工况进行多体动力学耦合建模仿真,并从平均载荷、叶根位移等评判角度出发分析叶片吊装过程运动响应的主要影响因素,为实际叶片吊装对接工作提供参考.Ren等[30]则在上述工作的基础上进一步进行优化并建立由多个独立仿真模块组成的MATLAB/Simulink仿真模型,可实现对叶片吊装多种工况的模拟计算,并提供海上风力机叶片安装及相关控制算法的开发接口.Jiang等[16]则将上述叶片吊装模型结合单桩式风力机在安装过程中风浪流联合作用下的运动响应,进一步分析叶根-轮毂的相对运动,着重讨论叶片-轮毂对接阶段的关键影响因素.单叶片吊装动力学建模与仿真技术研究历程和现状汇总如表3所示.

表3 单叶片吊装仿真技术研究现状汇总Tab.3 Summary of simulation researches of single blade installation

2.3 单叶片吊装主动控制技术发展现状

目前已有的单叶片吊装对接主动控制技术主要以引导绳索和缆风绳系统为基础,通过控制缆风绳张力的方式实现对叶片姿态的稳定控制.理论研究方面主要包括Ren等[31-32]进行的双缆和三缆风绳控制算法开发和仿真模拟,工程实践上已投入使用的有HighWind设计的吊钩-吊臂锁定系统Boom lock system、Eltronic设计的Tagline Master缆风绳主动控制系统等.此外还有相关概念设计,如澳大利亚Verton公司开发的Windmaster风舵控制系统等.

2.3.1单叶片吊装主动控制技术理论研究 目前单叶片吊装主动控制系统的理论研究主要以模型仿真为基础,对叶片悬吊和对接工况进行分析,设计主动控制缆风绳系统的控制算法、对比不同算法的优劣以及进行参数敏感性分析,为实际单叶片吊装技术的开发提供大量参考.

在MATLAB/Simulink单叶片吊装模型基础上,Ren等[31]采用叶片-吊具系统上固定的两条缆风绳作为姿态控制装置,考虑风载荷最大的正面迎风工况,进行吊装对接过程的主动控制算法研究.通过建立双缆风绳控制系统数学模型,应用扩展卡尔曼滤波器进行系统状态估计,并采用反馈线性化和极点配置方法设计比例积分微分(PID)控制器,在吊装仿真模型中实现了叶片位姿稳定控制.另外,Ren等[32]在另一个成果中也展示了三缆风绳系统进行的单叶片吊装稳定控制.考虑风力机叶片吊装过程中受到湍流风干扰、多体运动等因素影响,缆风绳张力会产生强非线性的尖峰和突变现象,一般的线性预测模型无法满足控制需求[25],对此Ren等[33]提出采用非线性模型预测控制方法的防过载叶片吊装控制算法,在叶片稳定控制的基础上使得缆风绳的控制张力减少40%.

2.3.2单叶片吊装主动控制系统实际应用 在海上风力机组件吊装过程中,吊车上普遍配备有可预设和调节张力的导线系统,其主要通过固定于吊车上的多条绳索和滑轮结构将辅助叶片稳定的缆风绳张力传导至吊车结构.该导线系统广泛应用在风力机各部件的吊装过程中,但主要依靠人工操控绞车,存在动作滞后、抗干扰能力不足的问题.

现有缆风绳主动控制系统如Liftra开发的Tagline System和如图5所示的Eltronic开发的Tagline Master[13,34],主要通过可固定于吊车或平台上的多台绞车控制缆风绳张力,代替人工操作实现自动稳定控制,该系统已得到验证并在陆地风电场建设中投入使用[35].HighWind开发了一种吊钩-吊臂锁定系统Boom Lock System[7,36],利用可随起重机塔架移动的悬臂将吊钩与起重机锁定,相当于缩短了悬吊的绳索长度,大幅减轻叶片摇晃[37].该装置已经过吊载试验并安装于自升式风电安装船Neptune号投入使用,如图6所示.上述已在实际单叶片吊装中应用的主动控制系统和装置均具有较好的实用性,能有效提高单叶片吊装的稳定性和安装效率,减少人工干预.

图5 Eltronic叶片吊装缆风绳主动控制系统——Tagline Master[13,34]Fig.5 Eltronic blade installation tagline active control system—Tagline Master[13,34]

图6 Neptune号自升式平台上的HighWind 吊钩-吊臂锁定系统——Boom Lock System[7,36]Fig.6 HighWind Boom Lock System on Neptune jack up vessel[7,36]

3 大型海上风力机叶片吊装技术发展趋势与前景

要解决海上单叶片吊装难题,开发新型吊装设备和主动控制系统是必要手段.现有叶片吊装设备和主动控制系统的发展思路主要分为两类:一是采用高效可控的姿态稳定控制装置;二是限制叶片和风力机或吊车相对运动以提高稳定性.

以开发新型叶片-吊具姿态稳定控制装置为思路,在旋转式单叶片吊具上添加若干涵道式空气推进器,推进器推力方向为水平面x和y方向,可为吊具-叶片系统提供x和y方向位移以及水平姿态角θ的控制能力,实现动力定位功能[38],如图7所示.通过设计控制器,该风力机叶片动力定位智能吊具可在较大湍流风环境中实现预设位置坐标的稳定,并在一定范围内调整自身水平位置,即可直接推动叶片根部插入轮毂,从而避开吊车水平移动吊载的困难,极大提高叶片吊装对接效率[39].此外,Verton公司提出一种基于风舵控制的风力机叶片吊装主动控制系统概念设计Windmaster,该设计提出在吊具吊梁上加装风舵,通过控制风舵的角度,利用风舵上的风力和力矩实现叶片稳定[40].

图7 具有动力定位功能的智能吊具辅助叶片对接场景示意图Fig.7 Blade yoke with dynamic positioning function assisting blade docking phase

以限制叶片和风力机或吊车相对运动为思路,采用油缸驱动的自适应塔筒滚轮抱箍设计可实现自主升降功能,而叶片抱箍的滚轮对心装置可在叶片垂直吊装过程中微调叶根位置,保证对接过程精确和平稳[41],如图8所示.该双抱箍装置针对叶片垂直吊装工况设计,而基于限制叶片和轮毂相对运动的思路也可以设计一种适用于风力机叶片水平安装的辅助装置,重点解决叶片吊装过程中与轮毂相对运动剧烈以及吊车难以移动叶片根部进行对接的问题[42].此外,文献[43]中提出在风力机轮毂处加装辅助缓冲板装置,逐渐限制对接过程叶片和轮毂之间的相对运动幅度,可减小对接的控制精度要求.

图8 双抱箍装置辅助叶片垂直安装Fig.8 Double hoop device assisting vertical installation of wind turbine blade

4 结论

针对大型海上风力机单叶片吊装对接技术进行回顾,总结单叶片吊装的特点和难点,调研分析单叶片吊装的设备和关键技术,讨论单叶片吊装技术的发展趋势和前景,结论如下:

(1) 面对未来深远海大型海上风力机安装场景,单叶片吊装相比叶轮整体吊装、兔耳式吊装方式在吊装效率、环境要求、安全性等方面均具有一定优势.单叶片吊装面临的主要难点在于吊装精度要求高、吊装过程扰动大、对接过程控制难,进一步开发和采用更为先进的吊装设备和技术是降低海上风力机安装成本的重要手段.

(2) 目前单叶片吊装旋转式吊具在技术上已相对成熟,是未来海上风力机叶片吊装的得力工具;研究者针对单叶片吊装过程进行建模仿真,深入分析叶片吊装对接过程的动力学特性,主要基于缆风绳系统设计和对比不同控制算法.相关企业亦开发有智能缆风绳系统Tagline Master和吊钩-吊臂锁定系统Boom Lock System,均已在实际叶片吊装中使用.

(3) 未来单叶片吊装设备和技术的发展仍将以提高吊装过程的抗风能力、主动控制能力和对接稳定性为主要目标.目前主要存在两种技术发展思路,其一是采用高效可控的姿态稳定控制装置;其二是限制叶片和风力机或吊车相对运动.对应两种技术思路,本文介绍具有动力定位功能的叶片吊具、双抱箍垂直叶片安装辅助装置等多个概念设计和专利发明,可为解决深远海巨型风力机安装难题提供参考.