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1、海上风力发电机组安装与装配 湖南电气职业技术学院海上风力发电现场安装与装配毕业论文 班 级： 风电xx班 系 别： 电气与信息工程系 姓 名： x x x 主 题： 海上风电机组安装与装配 导 师： x x x 日 期： 201x 年11月 摘 要随着世界经济的发展、能源紧张的问题日趋严峻，世界各国都在研究开发能够替代传统化石能源的可再生清洁能源。风能储备巨大，可再生无污染，大规模开发具有得天独厚的优势。风力发电是指利用风力发电机组直接将风能转化为电能的发电方式，是风能的主要利用形式。风力发电最具市场潜力、最适合风能的大规模开发利用。我国风能资源丰富，储量32亿kW，可开发的容量2.53亿kW

2、，居世界首位。国家十分重视风力发电事业，大力扶持发展风力发电。近年来风电规划、设计、施工能力逐步加强。风电设备制造国产化的步伐逐步加快，推动了我国风电事业的发展。目前，风力发电机组已遍布世界各地，装机容量每年都以很高的比例在持续增长。中国风电装机已在全世界排名第一，预计到今年年底，全国风电装机将超过7500万千瓦，发电量将达1400亿千瓦时。中国已成为开发潜力最大、风力发电机组主机场商最好看的市场之一。关键词：海上风机；运输船；基础结构；吊装 绪 论人口、能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的最为紧迫的问题。随着世界人口的增加和经济的迅速发展，人类消耗能源也与日俱增，目前广泛应用的常规能源，

3、如石油、天然气及核能等都是有限的，并会产生污染。而洁净的可再生资源（如太阳能、风能等）最近一些年来得到了迅猛发展，其中风能是一种洁净、无污染、可再生的绿色资源，在世界各国蕴藏十分巨大，是目前最具大规模开发利用前景的能源之一。风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。据估算，全世界的风能总量约1300亿千瓦。人类利用风能的历史可以追溯到西元前，但

4、数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。 即使在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。 为了解决化石能源的不断消耗对经济可持续发展和环境的影响问题，我国和一些主要发达国家在未来能源规划中，都明确提出了可再生能源发展的具体目标。随着

5、石油、天然气、煤炭等传统化石燃料的枯竭机器燃烧锁造成的环境污染，作为可再生能源的风能的开发和利用具有十分重要的意义。风力发电事业正是在这些常规能源告急和生态环境恶化的双重压力下，开始蓬勃发展的。风能是一种取之不尽、用之不竭的绿色环保型可再生能源。在可再生能源中，风力发电是除水能资源外技术最成熟、最具有大规模开发和商业利用价值的发电方式。由于其在减轻环境污染、减少温室气体排放、促进可持续发展方面的突出作用，风力发电越来越多地受到世界各国的高度重视。虽然我国的风力发电产业起步较晚，但近年来，在政府的大力倡导下，呈现高速增长的趋势，我国已把利用风能作为一项基本的能源政策。第十一、二两个五年规划以来，

6、我国的风力发电产业发展迅猛，截至到2012年底，全球风电机组的总装机容量超过了2.82亿kW，其中，中国、美国和德国位居前三，累计并网装机容量分别为6300万千瓦、6000万千瓦和3115万千瓦。从地区累计装机来看，2012年，欧洲风电累计并网装机容量首次突破1亿千瓦，达到1.09亿千瓦，继续位居世界第一位；亚洲地区风电累计并网装机容量9759万千瓦，主要集中在中国和印度两国；北美地区风电累计并网装机容量6758万千瓦，主要集中在美国。2012年，全球新增海上风电装机约129万千瓦，累计装机约541万千瓦。到2012年底，英国海上风电累计装机达到295万千瓦，位居世界第一位。中国海上风电装机约

7、34万千瓦，仅次于英国和丹麦，位居世界第三位。当年新增海上风电装机12.7万千瓦，海上风电仍需进一步加快发展。海上风电场的未来发展：据欧洲风能协会预测，到2030年，海上风电装机量约占世界风电总装机总量的比例将提高至40%。海上风电的投资也从2008年开始保持快速增长，未来海上风电场的发展潜力非常巨大。具体到中国而言，中国海上风能资源相当丰富，据中国可再生能源行业协会的研究报告估计，中国潜在的海上风能总量达到750GW。海上风电场的发展将越来越快，未来可能朝着风机更大、水域更深、成本更低、安全性更高、基座型式更多的方向发展，比如伦敦Array风电场未来可能会拥有300多台最大功率达7MW的风机

8、。因此，这些特点都将对未来风机安装船的设计和建造提出更高要求。 综上所述，未来全球对新能源的需求将促进海上风电场项目的建设，进而促进海上风机安装船市场的发展及海上风电场高效建设和风能经济性利用。 第1章海上风机安装技术 1.1海上风电发展的必然趋势与技术难点 1.1.1陆上风电发展受到的制约1陆地风能密度低2能量不稳定3风机运行不稳定4噪声污染严重5风力发电自身的缺陷致使其发展遇到了新的制约 1.1.2海上风力发电的特点 图1.1.2海上风力发电机组 由于海上风能资源充足，海上风电不占耕地；远离居民区，所以海上风电成功的避开了陆上风电发展的制约，并取得了突飞猛进的发展。但是风电产业从陆地走向海

9、洋，也带来了一系列新的问题。1.2海上风力发电的特点1.2.1 海上风电开发的优势1、海上风能资源较陆上大，同高度风速海上一般比陆上大20%，发电量高70%。2、海上少有静风期，风电机组利用效率较高。同时海上风电机组受噪声制约小，转速一般比陆上高10%，风机利用效率相应能提高56%。3、另外，由于海面平滑，湍流强度相对较小，可减少风电机组疲劳，延长使用寿命，陆上风电机组一般设计寿命为20年，海上风电机组设计寿命可达25年或以上。4、海上风电不占用土地，远离城镇及居民生活区，对环境及景观影响小。1.2.1 海上风电开发的劣势1、建设成本高。海上风电场建设成本一般比陆上高出约1.7倍，其中风机基础

10、投资大约为陆上的10倍。2、海上电力远距离输送和并网相对困难。海上风电场一般距离电网较远，且海底敷设电缆施工难度大，因此并网相对困难。3、海上建设施工和维护难度高。受天气、水文、波浪等条件制约，海上风电场建设施工和维护都须配备专业船只和设备才能进行，施工难度大，维护不方便。1.3 国内海上风电场 图1.3海上风电场的建设 2007年11月，中国海洋石油总公司承建的国内首座海上风力发电站投入运营。该机组采用我国风电机组公司新疆金风生产的1.5MW直驱式风力发电机组。该机组叶片长度约40米，叶片底端离海平面10米。这台海上风力发电机由中海油投资人民币4,000万元（合540万美元）建造。图1.3（

11、2）海上风电场的建设 上海东海大桥100兆瓦海上风电示范项目是国内第一个海上风电场。分布于东海大桥东侧1公里以外海域，安装34台单机容量3兆瓦的SL3000离岸型风电机组，总装机容量102兆瓦。通过35千伏海底电缆接入岸上110千伏风电场升压变电站后再接入上海市电网，年等效负荷小时数为2600小时，年上网电量为2.6亿度,可以满足上海市40万人民生活用电需要。 2012年，全球新增海上风电装机约129万千瓦，累计装机约541万千瓦。到2012年底，英国海上风电累计装机达到295万千瓦，位居世界第一位。中国海上风电装机约34万千瓦，仅次于英国和丹麦，位居世界第三位。当年新增海上风电装机12.7万

12、千瓦，海上风电仍在进一步加快发展。图1.3（3）中国近几年新增海上风机图1.3（4）全球海上风电市场规模第2章海上风电机组安装的前期准备海上风力发电机组的安装，需要对考验海域常年风速、风力以及一些特殊气候进行确切的了解，海水对风电设备的腐蚀速度以及风电设备对周围地域人为活动有哪些影响等等。而对机组安装的前期准备，有利于对即将建造的风电场实现最大的效益。使风力发电机组将其优良的性能充分发挥出来。因此，选择风能蕴藏量大的风场至关重要。年平均风速高是好风力发电场的重要指标。当然还应该综合考虑其他一些问题。本章主要讲述影响风力发电场选址的因素，掌握风力发电场选址的程序和方法。2.1海上风力发电场的选址

13、考核风力发电的主要目的是节省常规能源，减少环境污染，降低发电总成本（包括社会成本和经济成本）。尽管风力资源是无处不在并且是取之不尽、用之不竭的，但为了更有效地利用风能，创造更好的经济效益，就必须慎重地选择风力发电场的建设地点。一个风力发电场址宏观选择的优劣，对项目经济可行性起着主要作用，风力发电场选址的好坏直接影响到风力发电场的生存。风力发电场建设项目的实施是一个较复杂的综合过程。风力发电场的规划设计属于风力发电场建设项目的前期工作，需要综合考虑许多方面，包括风能资源的评估、风力发电场的选址、风力发电机组机型选择和设计参数、装机容量的确定、风力发电场风力发电机组微观选址、风力发电场联网方式选择

14、、机组控制方式的选择、工程投资、通信和环保要求等因素。 因此，风力发电厂前期选址、风力资源的测量、风力发电场资源综合评估是风力发电建设前期必不可少的一个重要环节。风力发电场选址评估级数工作要综合考虑风能资源、电网连接、交通运输、海底地形、地质条件、工程投资、通信和环保要求等因素，进行经济和社会效益的综合评价，最后确定最佳场址。2.1.1 海上风力发电场选址的方法 1）资料分析法搜集初选风力发电场址周围气象台站的历史观测数据，主要包括：风速、风向、平均风速、最大风速、气压、相对湿度、年降雨量、气温、最高和最低气温、常年海水深度、海底地貌地质、海水各成分含量以及灾害性天气发生频率的统计结果等。应在

15、初选场址内建立测风塔，并进行至少一年以上的观测，主要测量10m、70m、100m高度的10min平均风速和风向、日平均气温、日最高和最低气温、日平均气压以及10min脉动风速平均值。这些风速的测量主要是为了根据风机功率曲线计算发电量，并计算场址区域的地表动力学摩擦速度。对测风塔数据进行整理分析，并将附近气象台站观测的风向、风速数据订正到初选场址区域。分析气象观测数据，根据以下条件判断初选区域是否适宜建立风力发电场：a.初选风力发电场地区风资源良好，年平均风速大于6.0m/s，风速年变化相对较小，30m高度处的年有效风力时数在6000h以上，风功率密度达到250W/m2以上。b.初选场址全年盛行

16、风向稳定，主导风向频率在30%以上。风向稳定可以增大风能的利用率、延长风机的使用寿命。c.初选场址湍流强度要小，湍流强度过大会使风机振动受力不均，降低风机使用寿命，甚至会毁坏风机。d.初选场址内自然灾害发生频率要低，对于强风暴、雷暴、地震、海啸多发等地区不适宜建立风力发电场。e.所选风力发电场海域势相对广阔、海水深度适当、海底地质结构紧凑、地势平坦及不影响海上交通，风力发电并网条件较好等。图2.1.1海上风场选址2.1.2风力发电场选址的步骤对风能资源的正确评估是风力发电场建设取得良好经济效益的关键，一些风力发电场建设因风能资源评价失误，使建成的风力发电场打不到预期的发电量，造成很大的经济损失

17、。因此风力发电场的选址必须对某一地区进行风能资源评估，这是风力发电场建设前期所必须进行的重要工作。 1）风能资源初评估的步骤1资料收集、整理分析从地方各级气象站台及有关部门收集有关气象、地理及地址数据资料，对其进行分析和归类，从中筛选出具有代表性的完整的数据资料，能反映某地区风气候的多年（10年以上，最好30年以上）平均值和极值，如平均风速和极端风速、平均气温和极端（最高和最低）气温、平均气压、雷暴日数等。2风能资源普查分区 对收集到的资料进行进一步分析，按照标准划分风能区域及其风功率密度等级，初步确定风能可利用区。参照国家风能资源分布区划，在风资源丰富地区内候选风能资源区，每一个候选区域应具

18、备以下特点：有丰富的风能资源，在经济上有开发利用的可行性；有足够大面积地势平坦、海水深度适中，可以安装一定规模的风力发电机组。 2）风力发电场的宏观选址风力发电场的宏观选址又称为区域的初选甄选。建设风力发电场最基本的条件是要有能量丰富、风向稳定的风能资源。区域的初步甄选是根据现有的风能资源分布图及气象站台的风资源情况，结合地形从一个相对较大的区域中筛选比较好的风能资源区域，到现场进行踏勘，结合地形地貌和树木等标志物，在比例尺为1：10000的地形图上确定风力发电场的开发范围。风力发电场的宏观选址遵循的原则一般是：应根据风能资源调查与分区的结果，选择最有利的场址，以求增大风力发电机组的出力，提高

19、供电的经济性、稳定性和可靠性；最大限度地减少各种因素对于风能利用、风力发电机组使用寿命和安全的影响；全面考虑场址所在地对电力的需求及海上交通、并网、土地使用、环境等因素。根据风能资源普查结果，初步确定几个风能可利用区，分别对其风能资源进行进一步分析，对地形地势、地质、电网、海水深度以及其他外部条件进行评价，并对各风能可利用区进行相关比较，从而选出并确定最合适的锋利发电场选址。这一般通过利用收集到的该区气象台站的测风数据和地理地质资料并对其分析，从而确定风力发电场选址。风力发电场的风况观测一般气象台站提供的数据只是反映较大区域内的风气候，而且，数据由于仪器本身精度等问题，不能完全满足风力发电场的

20、精确选址以及风力发电机组微观选址的要求。因此，为正确评价已确定风力发电场的风能资源情况，取得具有代表性的风速风向资料，了解不同高度处风速风向变化特点，以及对风的影响，有必要对现场进行实地测风，为风力发电厂的精确选址以及风力发电机组微观选址提供最准确有效的数据。实地测风包括风速、风向的统计值和温度、气压，这一工作需要通过在场区设立单个或多个测风塔进行，而测风塔的数量应依地形和项目的规模而定。 4）区域风资源的评估对测风资料进行三性分析，包括代表性、一致性、完整性。测风时间应保证至少一年，测风资料有效数据完整率应大于90%，资料缺失的时段应尽量最小（小于一周）。根据风场测风数据处理形成的资料和长期

21、站（气象站、海洋站）的测风资料，按照国家标准风电场风资源评估方法（GB/T 18710-2002）计算风力发电机组轮毂高度处的年平均风速、平均风功率密度、风力发电场测量站全年风速；绘制风力发电场测量站全年风速和风功率年变化曲线图，全年风向、风能玫瑰图，各月风向、风能玫瑰图；计算风力发电场测量站的风切变系数、湍流强度、粗糙度，通过与长期站的相关计算整理出一套反映风力发电场长期平均水平的代表数据。综合考虑风力发电场地势，地形，海水深度等，并合理利用风力发电场各测量站订正后的测风资料，利用专业风资源评估软件，绘制风力发电场预装锋利发电机组轮毂高度风能资源分布图，结合风力发电机组功率曲线计算各风力发电

22、机组的发电量。按照国家标准风力发电机组 安全要求（GB 18451.1-2001）计算风力发电场预装风力发电机组轮毂高度处湍流强度和50年一遇10min平均最大风速，提出风力发电场场址风况对风力发电机组安全的要求。根据以上处理所形成的各种数据，对风力发电场风能资源进行综合评估，以判断风力发电场是否具有开发价值。 5）风力发电场风力发电机组的微观选址风力发电机组具体安装位置的选择称为微观选址。作为风力发电场选址的组成部分，需要充分了解和评价特定的场址地形、地质、海水常年深度及风况特征后，再匹配于风力发电机组性能进行发电经济效益和载荷分析计算。场址选定后，根据地形情况、外部因素和现场实测风能资源分

23、析结果，在场区内对风力发电机组进行定位布局。风力发电机组安装间距会对风力发电机组之间产生一定的影响。建设风场，风力发电机组之间必然会产生相互干扰的问题，受风力发电机组尾流中产生的气动干扰的影响，下游风轮所在位置的平均风能量及时间量将会减少，从而造成发电量下降。同时由于尾流中附加的凤剪切和湍流作用，使风轮受到附加的气动脉动载荷，风轮结构会产生振动，增加疲劳损伤度。实际上将各风力发电机组安装间距扩展到没有尾流的距离是不现实的。因此，在进行多台风力发电机组安装间距选择之前，必须要参考风向及风速分布数据，同时也要考虑风力发电场长远发展的整体规划、征地、设备引进、运输安装投资费用、风力发电机组尾流作用、

24、环境影响等综合因素。现实的选择是：安装间距要满足风场总体效益最大化的目标，同时满足适当的条件限制。通过对国内外风力发电场多年建设经验分析，风力发电机组安装间距在盛行风向上选择为风轮直径的57倍，在垂直盛行风向上选择为风轮直径的35倍较为合适。另外，对准备开发建设的场址进行具体分析，做好以下工作：一是确保风资源特性与待选风力发电机组设计的运行特性相匹配；二是进行场址的初步工程设计，确定开发建设费用；三是确定风力发电机组输出对电网系统的影响；四是评价场址建设、运行的经济效益；五是对社会效益的评价。图2.1.2海上风电场第3章海上风机的安装过程风力发电机是一种集机械、电器、液压、计算机远程控制为一体

25、的高科技产品，为确保发电机组安全运行及以后风电场的现场机械安装，在现场安装时应该严格按照装配工艺进行，各部件应固定牢固安装正确，安装前要正确理解风力发电机的机械安装图，熟悉机械安装顺序，对风机有足够的认识。为安全、优质并在短期内完成安装风力发电机组，并为创建精品工程。风机机组现场安装就是把风机的各零件和各部件总成按照装配文件规定的工艺要求，依一定的顺序和连接关系组装起来的工艺过程。机械安装装就是按照设计的要求将各类部件安装在相应的位置、将各部件进行机械互连以达到组装规定的各项性能要求。安装风机的主要结构：海上风力涡轮机主要由叶轮（包括叶片和轮毂）、机舱、发电机、传动系统、偏航系统、控制系统、塔

26、筒、连接件及基座等结构组成。目前海上风电场的规模基本保持在50100个风机，单个风机的功率一般为25MW。具体到风机的各个部件时，转子的直径一般为80120m，机舱和转子约重200450t，机舱的高度在海面7090m以上。 海上风机运输和安装的基本过程：一般而言，海上风机的典型运输和安装主要包括以下过程：风机基座的运输和安装；塔筒的运输和安装；机舱、叶片的运输和安装（有时候塔筒和机舱一起安装，最后单独进行叶片的安装）。关于叶片的安装，有时是机舱和两片叶片同时安装，然后再安装第3片叶片。当然还有一种风机的安装方式是将整个风机直接吊装在基座上，这种方法比较适用于安装近海岸的风机。3.1 海上基础结

27、构 要将风机稳定地固定在海床上，最重要的就是要为风机打下坚实的基础，目前世界上用的最多的，也是最可靠的海上基础主要有六种单桩基础，钢筋混凝土重力基础，钢质桁架重力基础，三脚架基础，负压桶式基础和浮置式基础。我国海上风电产业正在迅速崛起。目前上海、山东、浙江和江苏的沿海地区都在着手海上风电场的建设规划。由于基础结构在海上风电场的总投资中所占的比重较大，海上风机基础长期矗立在恶劣的海洋环境里，体积庞大，造价昂贵，其经济性和可靠性是当前海上风电发展面临的挑战。因此，积极地吸收国外海上风电场建设的经验，大力发展适合我国国情的海上风电机组基础结构，对我国海上风电产业的发展将是至关重要的.3.1.1钢筋混

28、泥土重力基础 重力式基础是最早应用于海上风电场建设的基础型式，靠其自身巨大的重量固定风机，有混凝土重力式基础和钢沉降基础两种型式。适用于水深小于10 m的任何地质条件海床，在大于10 m水深时为保证足够重量抵抗环境荷载，其尺寸和造价随水深的增加而快速增大。这种基础结构简单、造价低、受海床沙砾影响不大，抗风暴和风浪袭击性能好，其稳定性和可靠性是所有基础中最好的。缺点在于：需要预先海床准备，海上施工周期较长；由于其体积大、重量大，使得安装起来不方便且运输费用较大；适用水深范围太过狭窄，随着水深的增加，其经济性不仅得不到体现，造价反而比其它类型基础要高。图3.1.1钢筋混泥土重力基础3.1.2 筒形

29、基础筒形基础也称为吸力式基础，是一种新型的海洋工程基础结构型式，有多筒基础和单筒基础两种。由于其材料安装成本低于桩基础，易于海上安装运输而受到海洋工程和海上风力发电行业的青睐。原理是将钢筒陆上制作后漂浮拖航至风场，就位后抽出筒体中的气体和水，利用筒体内外压力差将筒体插入海床一定深度。筒形基础适用于地质条件为砂性土或软粘土的各种水深条件风场。其优点在于：节省钢用量，减少制造费用；采用负压施工海上安装速度快，便于在海上恶劣天气的间隙施工；便于运输和安装；吸力式基础插入深度浅，只须对海床浅部地质条件进行勘察，而且风电场寿命终止时，可以简单方便的拔出，进行二次利用。缺点在于：安装过程中由于负压筒内土体

30、会形成土塞；在下沉过程中容易产生倾斜，需频繁矫正；筒形基础在海洋工程和海上风机的工程应用案例还较少，仅有丹麦的Frederikshaven风场，另外2010年6月29国内道达海上风电研究院采用复合筒型基础作为海上测风塔的基础成功进行了整体海上安装作业，香港东南水域风场也计划采用三筒基础型式。综合来看，筒型基础作为海上风机基础应用前景很大，但是可靠性还需要进一步的验证。图3.1.2筒形基础3.1.3 多桩基础多桩基础的概念源于海上油气开发，基础由多个桩基打入地基土内，桩基可以打成倾斜或者竖直，用以抵抗波浪、水流力，中间以灌浆或成型方式（上部承台/三脚架/四脚架/导管架）连接塔架，适用于中等水深到

31、深水区域风场。多桩基础上部结构的具体选择根据水深、环境荷载和风机系统动力特性确定。多桩基础优点在于适用于各种地质条件、水深，重量较轻，建造和施工方便，无需做任何海床准备；缺点：建造成本高，安装需要专用设备，施工安装费用较高，达到工作年限后很难移动。在2007年建设投产的英国Beat rice示范海上风电场中，两台5 MW的风机均采用的四桩靴式导管架作为基础，作业水深达到了45 m，是目前海上风机固定式基础中水深最大的；我国上海东大桥海上风场采用的是多桩混凝土承台型式。随着海上风电场向深水区域的不断推进，此类基础在今后会有更广阔的前景。图3.1.3多桩基础3.1.4 浮式基础浮式基础不固定在海床

32、上而是直接漂浮在海中，通过缆绳基础（筒型基础/鱼雷锚/平板锚等）系统固定在一定的位置，常见的概念：柱形浮筒、TLP和三浮筒。它适合在海底基础难以作业的深海应用，目前对其研究尚处于初步阶段。优点为：建设及安装方法灵活，可移动、易拆除；缺点为：这种基础不稳定，只适合风浪小的海域，另外齿轮箱及发电机等旋转运动的机械长期处于巨大的加速度力量下，潜在地增加安装失败的危险及降低预期使用寿命。关键技术是尽可能地令其苗条，以在海上保持相对平稳；具备足够强度，能经受住海上相当恶劣的天气；另外要把发电机机箱下移，降低风机重心，这在技术上增加了海上风机的难度。综合来看，浮式基础真正到应用还有很长的路要走。图3.1.4浮式基础3.1.5 单桩基础 图3.1.5海上风机基础单桩基础现已在许多大型海上风电场中使用，现已逐渐成为海上风电机组安装的一种标准方案。这种基础结构适用于2030m 的中浅水域，目前通常采