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          山地風場風電機組吊裝優化方案

          文章出處:未知 人氣:發表時間:2021-03-03
          摘要:山地風電場平臺設計尚未發布設計指導手冊或者相關設計標準,平臺設計的參數參照平臺有效面積的經驗取值。本文通過研究吊裝設備與平臺的契入度,對平臺尺度進行優化設計,以期降低平臺開挖工程量,減少平臺占地面積,減小對環境的擾動,節省工程投資。
          山地風電場平臺設計考慮的因素主要有地形、吊裝設備、風電機組設備的尺寸、葉輪組裝空間等。因地形的原因,風機平臺異于平原項目,每個風機平臺的大小不一,但平臺有效面積(不包含風機基礎)經驗取值為2MW(35*35m)、2.5MW(50*40m)、3.0MW(55*45m)。山地風電場平臺通常采用差異化設計思路,確保有效面積在平臺實際的設計范圍以內。設計成果與設計人員的經驗有很大的關系,目前還未有一個指導山地風電場平臺設計的手冊或者標準發布。
          隨著風電場電價補貼逐步退坡,十四五將面臨全面平價。同時,伴隨著風電可能參與市場化競爭交易。為保證項目合理的收益,優化各單元工程降低工程投資尤為重要。另外,環保要求及資源節約的道德約束,造成林業、環保、水利、國土相關主管部門對風電場占地有了更高更嚴苛的標準。
          本文結合時下投入建設廣泛的單機2.5MW、3.0MW直驅機組吊裝設備與平臺契入度對山地風電場平臺優化設計進行可行性和經濟性論述,引入不同機型最優契入度思考,供后續項目建設策劃、決策使用,供業內同行討論。
           
          1.大容量機組對吊裝平臺需求
          隨著風電行業不斷發展,風力資源的開發利用已經趨步成熟,低風速、高塔架、大葉片機組陸續投入建設,隨機組單機容量增大,塔架、葉片安裝對機組吊裝平臺面積需求隨之變大,結合南方某省山地風電場工程建設案例,2.5MW機組輪轂高度90m,葉片長度68.60m,吊裝平臺使用面積約1904~2524㎡;3.0MW機組輪轂高度90m,葉片長度68.65m,吊裝平臺使用面積約2080~2682㎡。
           
          2.吊裝機械布置論述
          2.1吊裝機械常規布置
          對山地風電場來說,2.5MW及以上機型主吊選擇一般為600T及以上履帶吊或800T以上汽車吊,受場內道路路況限制,一般選用600T及以上履帶吊較為常見;配置3臺輔吊(80T或100T)輔助開展吊裝,主要用于卸貨及配合進行設備抬吊、溜尾等。因常規設計平臺面積較大,主吊一般沿平臺中軸線左側或右側布置,輔吊根據主吊站位情況按組裝時葉片擴展方向進行布置,常規吊裝時機械布置如下:
           
          2.2吊裝設備優化布置
          (1)2.5MW、3.0MW機組優化布置
          通過現場連續觀測南方山地某項目主吊起吊情況來看,主吊沿風機平臺縱軸線開展吊裝作業時設備布置為最優,主吊起吊時臂桿仰角按規程取值為78°,根據機組設備尺寸通過三角函數計算得出起吊塔筒、機艙、發電機、葉輪時從基礎中心到主吊尾部距離分別為28m、28m、33m、35m,對比可看出,起吊葉輪時基礎中心到主吊尾部最大距離為35m;基礎半徑取值為10m,考慮靠近下邊坡臨邊、臨崖布機時基礎臨邊受力情況影響,基礎邊緣至臨邊側取抗滑移安全距離為4m,計算得出平臺中心縱軸線有效利用距離為49m。
          組裝葉輪時輪轂位置可于平臺縱軸線的左側或右側布置,但始終有一只葉片沿橫軸線方向向外擴展,此時需考慮輔吊到葉片支架吊點進行葉片固定的距離。當葉片沿垂直平臺縱軸線向左擴展時,輪轂位置應靠右布置,反之則向左布置時方案為最優,此條件下葉片根部可向垂直縱軸線支架吊點的反方向延伸3~5m,不同長度葉片根部到葉片支架吊點的距離不相同,葉片支架吊點與葉片配重相關,本項目葉片根部到支架吊點距離為43m,80T汽車吊沿葉片伸展方向布置固定葉片時工作幅度(已考慮安全系數)取值為23m,由此推算半幅平臺橫軸線距離為17m,即橫軸線上全幅平臺最大利用長度為34m,計算出2.5MW、3.0MW機型吊裝設備與平臺的最優契入度時風機吊裝平臺有效利用面積約1666㎡,此種設備布置在已建項目吊裝作業時得以實踐,符合吊裝作業規程、規范要求,吊裝設備與平臺最優契入度布置圖如下:
          (2)不同型號機組最優契入度的思考
          結合以上論述,吊車的最佳位置應布置在平臺縱軸線上,吊裝設備與平臺最優契入度主要與風機設備部件尺寸與重量、吊裝設備性能參數、基礎半徑、臨邊安全距離等因素有關,將各影響因素參數化建立數學模型,過程如下
          :根據輪轂高度計算得出起重高度為:
          H≧h1+h2+h3+h4(1-1)
          計算起吊葉輪時基礎環中心至主吊尾端距離為:
          L=(H/tan78°)+BJ +BF+By/2+DL/2(1-2)
          計算風機平臺縱軸線方向最大利用距離為:
          DYMAX=L+R+Dk(1-3)
          計算風機機平臺橫軸線方向最大利用距離為:
          DXMAX=(Ly-r-Lz )×2(1-4)
          根據1-3 、1-4計算平臺有效利用面積為:
          S= DXMAX× DYMAX(1-5)
          H:起重高度;
          h1: 塔筒高度;
          h2:安裝間隙,視具體情況而定,一般取0.2-0.5m;
          h3:綁扎點至構件吊起后底面高度;
          h4:吊索高度,自綁扎點至吊鉤面的距離,視實際情況而定,風電一般取值2~5m;
          BJ:機艙前端到重心點寬度;
          BF:發電機寬度;
          By:葉輪寬度;
          DL:主吊前履帶到尾端距離;
          Dk:基坑離臨崖/臨邊安全距離;
          R: 基礎半徑;
          L: 起吊葉輪時基礎環中心至尾端距離;
          DYMAX:風機平臺縱軸線方向最大距離;
          DxMAX:風機平臺橫軸線方向最大距離;
          Ly:葉根到葉片支架吊點的長度;
          Lz:葉根從垂直縱軸線支架吊點的反方向延伸距離;
          r:輔吊工作半徑;
          S:平臺有效利用面積。
           
          3.案例分析
          隨著風電機組技術水平不斷進步,大容量機組是必然趨勢,面對平價上網,大容量機組搭配大基地項目將成為開發主流模式。山地風電場單機3.0MW已成主流,4.0MW以上已有個別案例,不久的將來4.0MW廣泛使用。以某主機廠4MW-165m-100m的風機(推薦面積60m×60m)為例,計算特定吊裝設備下所需平臺有效面積如下:
          (1)風機平臺縱軸線方向
          根據吊裝高度:
          H≧h1+h2+h3+h4 ≧100+0.2+3+7.3=110.5m
          計算風機平臺縱軸線方向最大利用距離為:
          L=(H/tan78°)+BJ+BF+By/2+DL/2 =23.5+2+3.2+2.3+8.9=39.9≈40m
          基礎半徑R取值為11m,基礎臨邊安全距離Dk取值為4m,計算風機平臺縱軸線方向最大利用距離為:DYMAX=L+R+Dk =40+11+4=54m
          (2)風機平臺橫軸線方向
          葉片根部到支架吊點距離為51m,此時可擇優選用100T汽車吊輔助沿軸線擴展葉片的吊裝,輔吊沿葉片伸展方向布置固定葉片時的工作幅度(已考慮安全系數)取值為28m,計算得出:
          DXMAX=(Ly-r-Lz)*2 =(53-3-28)*2=44m
          由(1)(2)綜合得出平臺有效面積為:
          S= DXMAX × DYMAX =54*44=2376㎡
           
          4.在吊裝設備與平臺最優契入度下控制平臺有效面積的優化設計思考
          對山地風電場來說,風機機位布置大多布機于山峰、山脊位置,設備安裝對吊裝平臺的需求勢必進行風機平臺降高程開挖使其滿足機械吊裝作業面需求,單薄山脊機位更明顯,土石方開挖隨之大幅上升,控制風機吊裝平臺有效利用面積,可有效減少土石方開挖量。
          結合風電場地質勘查報告,風機基礎區地層多為第四坡殘層黏性土及花崗巖。第四系覆蓋層性質較差,但厚度較薄,一般在3m以內,風機基礎設計埋深位于該層之下,地基巖土性質自原始高程3米下伏可達到持力層。即在平臺有效面積滿足吊裝需求的情況下,平臺高程控制在原始高程3m下伏滿足機位布機條件,結合現場挖方情況,地質勘查報告中持力層與開挖后巖土性質基本一致,在吊裝設備與平臺最優契入度下,吊裝作業對平臺的有效面積的需求量降幅明顯。一般來說,只要不存在特殊地質,山地風電可布機的山脊原始高程小方量開挖后就可滿足機組吊裝有效面積需求,從而降低土石方開挖工程量和用地使用面積以及植被恢復措施等工程費用。
           
          5.平臺優化后經濟性比較
          結合地勘報告論述,合理優化后林地、植被恢復措施、土石方開挖等工程量大幅減少,以某項目二期為例,充分利用平臺有效面積最少可節約費用約405萬元,詳見附表-1:
          表-1吊裝平臺合理優化后經濟性比較
           
          6.結語
          提高機組吊裝設備與平臺契入度對山地風電場平臺優化可有效節省土地資源,減少對林木砍伐,降低工程造價,同時可以盡量減少平臺標高的損失,有效利用風能資源,對工程建設進度有良好促進作用。但作為工程建設者需謹慎求證,不同風電場在項目前期應做好道路路徑與主吊組臂合理規劃,對布機范圍加密勘察點位進行巖土分析,細化、量化每一臺風機布機因素,逐一制定有效解決措施,確保項目有效切入,力爭做到最優結合點。

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