浮托法在官廳水庫2.5WM風機整體拆除的應用

于 雷,高志釗

(環球海洋工程(天津)有限公司,天津 300452)

0 引 言

伴隨著我國海洋石油行業的發展,導管架及平臺組塊越來越大型化,這就使得采用傳統安裝方法,動用大型起重設備,一來費用高昂,二來起重設備的更新跟不上海上平臺的增長速度。在這種情況下,浮托法成為了解決上述問題的一個有效途徑[1]。

隨著風電技術的快速發展,風電已成為世界可再生能源發展的關注點。風能的開發利用不會造成大氣污染和產生任何有害物質,可減少溫室效應氣體的排放,環保價值可觀。官廳水庫附近的風能資源較豐富,風速高,湍流強度小,開發受土地限制、噪音、電磁波干擾等問題的影響小,已經進行了較大規模開發。2006年開始建設鹿鳴山風電場一期,有金風科技2.5MW風機樣機一臺,于2009年安裝在水庫岸邊開始運行。近兩年來由于水庫擴容,部分風機基礎已經被淹,受到水浸泡的腐蝕和波浪沖擊。環境條件改變,已經和原來陸地使用的設計不符,存在倒塌風險,業主決定先期拆除回收。本文借鑒海上油氣行業浮托法施工原理與方法,結合本工程實際,詳細闡述浮托法在水庫中整體拆除風機的應用,為以后海上風電的整體安裝與拆除提供借鑒。

1 設計和方案的選擇

我國經濟正處于快速發展階段,對于能源的需求與日俱增,同時又面臨著環境惡化的壓力,因此,發展清潔能源成為了我國發展規劃中的重要方向。我國海域幅員遼闊,可利用的風能資源預計超過億千瓦?？梢?發展海上風力發電場,必將成為我國未來電力戰略部署與發展的重點[2]。目前,我國海上風機拆裝技術正處于摸索階段,2015年金風科技在渤海灣采用1200t浮吊整體拆除了綏中36-1油田的1.5MW示范風機。拆除的上部風機包含塔筒以上部分以及塔筒底座,固定在浮吊上,運輸回碼頭后再拆解,是國內海上風機拆裝的首次嘗試。2017年,珠海桂山海上風電場示范項目進行了國內首次整機安裝,工程效益大大提高[3]。

而在內陸水庫湖泊中風機的拆除,目前國內沒有先例。相較于海上風電,水庫湖泊一般較為封閉,大型船舶無法進入;由于水深較淺,大型船舶也無法作業,比如官廳水庫2.5WM風機被水淹沒后,水深僅為1.8m。在這種極淺水作業,用于海上風機拆裝的常規技術、裝備無法使用。為了解決這兩個難題,使用拼裝式浮體平臺,采用浮托法整機拆除技術,提高了施工安全性,節省了材料和施工時間,拆除方便[4],如圖1所示。

圖1 浮體平臺+支撐框架俯視圖和上部風機固定后的軸側圖Fig.1 Float platform plus support frame vertical view and with wind turbine isometric view

1.1 官廳水庫環境參數

項目位于河北省張家口市懷來縣官廳水庫,氣候干燥,晝夜溫差大,見表1。施工在寒冷的冬季進行,選定適合的時間窗口,滿足設計要求,降低環境力對施工影響。

表1 官廳水庫環境參數Tab.1 Guanting Reservoir environmental parameters

1.2 金風2.5WM風機的參數

風機塔筒以混凝土基礎底座法蘭為分界面,基礎法蘭以上結構高度約為95.5m,見表2,需整體拆除,這部分結構重達419t,垂直方向的重心在水面以上近60m,如圖2所示。

表2 風機整體拆除部分重量重心表(水面標高為基準0點)Tab.2 Gravity center of wind turbine removal part(water lever datum zero)

圖2 基礎浸泡在水中的2.5MW風機Fig.2 Foundation submerged 2.5MW wind turbine

2 施工設備介紹

根據前期勘察,由臨時碼頭至施工現場路由水深在1.8m左右,考慮風機運輸安全,返航時最大吃水保持在1.25m。為了應對苛刻的吃水要求,特為此次施工設計拼接式浮箱,如圖3所示浮箱采用標準化尺寸12m×3m×2m。根據浮箱各位置受力不同,分為普通受力浮箱和集中受力浮箱。集中受力浮箱在普通受力浮箱的基礎上進行了結構加強。浮箱頂部預留水泵接口,潛水泵放置在浮箱底部,通過控制潛水泵吸水、排水,對浮箱進行壓載和排載。

圖3 浮箱定位拼接和加強拼接Fig.3 Pontoons orientation assemble and strengthen assemble

浮體平臺在臨時碼頭拼接,浮箱陸地運輸到官廳水庫臨時碼頭后,吊車將其吊裝入水,之間進行螺栓的初步定位拼接;然后,在浮箱頂部甲板布置縱橫多道H900雙拼型鋼,實現后續加強拼接。

拼接浮箱作為浮體平臺,上面設置支撐框架,支撐框架采用抱樁式和風機塔筒焊接固定,抵抗高重心的上部風機在環境條件和浮體運動下產生的傾覆力矩[5],如圖4所示。

圖4 支撐框架現場安裝Fig.4 Support frame field installation

3 具體實施

3.1 施工流程

根據浮托法作業流程,本次風機整體拆除步驟如下:浮體進船就位→浮體壓載→連接風機與浮體→排載,載荷轉移,風機與基礎分離→退船,浮體返航[6]。

3.2 浮體拖航就位

由于施工地點處于內陸水庫,傳統拋錨艇、拖輪無法進入。為解決浮體平臺拖航、起拋錨問題,動員動力舟橋,通過陸地運輸到碼頭,吊裝入水。動力舟橋幫靠浮體,從碼頭牽引至2.5MW風機處。浮體使用五錨定位,在距離風機100m處停船,動力舟進行拋錨作業;浮體初步定位后,通過絞錨前進,使浮體向風機前進直至風機進入浮體U型缺口內。

3.3 浮體壓載并焊接風機

浮體平臺就位后,開始壓載,向每個浮箱內注水至浮體吃水1.65m。壓載完成之后,進行焊接作業,上部風機的下柱、中下柱和浮體平臺及其上的支撐框架通過連接桿完成固定,如圖5所示。

圖5 支撐框架和風機焊接固定Fig.5 Support frame fixed with wind turbine by welding

3.4 浮體排載頂起風機

所有焊接作業完成并經NDT檢測無缺陷后,作業人員進入風機塔筒內部,拆除風機基礎底座螺栓,解除風機塔筒與基礎的連接;然后,浮體排載。排載過程中,浮體平臺吃水從1.65m變為1.25m,風機重量逐漸轉移至浮體平臺上[7]。

由于風機重量大,重心高,產生的傾覆力矩大[8]。因此,在排載作業過程中,浮體不能出現較大橫傾、縱傾角度,必須保證整體水平度?；诖丝紤],將排載過程細化,分為7個步驟,并以計算數據為依據,確定排載程序,最大限度避免浮體傾斜。

在排載的過程中,浮體所受浮力逐漸增加,直至浮力大于風機與浮體重量總和時,浮體將風機浮托起脫離風機基礎后,停止排載[4]。

使用Bentley Moses對浮體平臺建模并進行靜水力計算,結果如圖6、表3和表4所示。

圖6 Moses模型中各浮箱編號Fig.6 Name of the pontoon in Moses model

表3 排載步驟Tab.3 Ballasting step

(續表)

表4 排載過程中浮體吃水與載重量變化Tab.4 Drafting and loading changing of pontoon barge in ballasting process

由上表可知,在第5步時,風機重量恰好等于排出水的重量。此時風機即將被頂起,到第6步時,風機已經離開基礎法蘭面,重量完全由浮體平臺承受。

3.5 浮體返航

風機塔筒與基礎脫離25cm以上后,通過絞錨移船,浮體平臺退船離開風機基礎至一定安全距離后,動力舟橋起錨并拖帶浮體返航回到碼頭。

4 關鍵點的計算校核

浮體平臺長27m,寬33m,型深2m,頂起風機后,浮體平臺自重、支撐框架、上部風機和其他附屬結構的全部重量為943.9t;當浮體平臺吃水1.25m時候,提供的浮力為1014.75t,各浮箱中壓載水總重70.85t。

4.1 靜水力計算

在靜水力計算中,重點考慮風傾力矩對整體結構的影響[9],使用NAPA軟件計算,如圖7所示。

圖7 NAPA坐標系Fig.7 Coordination system in NAPA

風壓計算公示:P=f×V2×Ch×Cs

其中,P為風壓,單位N/m2;f=0.611;V為風速,單位m/s;Ch為高度系數;Cs為形狀系數。風力計算公式:

F=P×A

其中,F為風力,單位N;P為風壓,單位N/m2;A為受風面積,單位m2。

風機扇葉垂直迎風受風面積最大,產生最大傾覆力矩為此方向為90°,見表5和表6。

表5 90°方向風傾力矩Tab.5 Wind moment in 90°

表6 90°方向穩性校核Tab.6 Stability check for 90°

環境條件:吃水1.25m,橫搖0°,縱搖0°,風速為10m/s。

4.2 水動力計算

浮體和風機返航運輸過程中的水動力計算使用Bentley Moses軟件,設計吃水1.25m時,各部分重量重心數據如表7所示。

環境條件:有義波高0.5m,波浪周期2.5～7s,波譜類型JONSWAP波。計算基于三維勢流理論[10],重點分析整體重心的運動響應情況,見表8。

表8 重心最大運動幅度Tab.8 Maximum motion of COG

由上表可知,不同波浪工況下浮體平臺的運動狀態[11],尤其注意橫搖最大角度2.15°與縱搖最大角度1.48°。

4.3 浮體平臺強度校核

平臺強度校核使用ANSYS軟件,首先對平臺受力進行統計,見表9。

表9 受力情況Tab.9 Load Condition

分別對H900雙拼梁、浮箱甲板、浮箱艙壁、浮箱底施加相應外力,得到計算結果及應力云圖如表10和圖8～11所示。

圖9 浮箱主甲板等效應力Fig.9 Von Mises Stress for Barge Main Deck

圖10 艙壁等效應力Fig.10 Von Mises Stress for Barge Bulkhead

圖11 梁等效應力Fig.11 Von Mises Stress for Barge Bottom Deck

可以看到,在艙壁和船底部分區域等效應力超過了許用應力(0.7倍系數),考慮到應力集中現象,而且根據云圖觀察這些區域十分小,因此認為是可以接受的。

5 結 語

工程取得成功,證明了浮托法可在水庫極淺深作業環境實施,適應超高重心結構。浮箱模塊化制造,公路便捷運輸,施工現場組裝成浮體平臺,是水庫中風機浮托拆除的良好選擇,也適用于其他風波流等環境作用力小的場景,比如湖泊、近岸遮蔽海域等[12～14]。該項目是國內外的第一次水中浮托拆除風機的應用,具有示范意義;對比在水中修路后吊機分拆的方法,可節省施工費用30%以上。如果在此基礎上再加以改進,將底部浮體平臺頭尾浮箱加大,并改為更為適航的流線型,框架與風機塔筒的連接方式由焊接變為液壓抱緊裝置:(1)可應用于更為苛刻的環境;(2)適應更大更高結構;(3)提高施工效率。對于新風機進行安裝,逆行施工的浮托法也是研究方向,該項目的成熟經驗可作為參考。