謝斯泓, 趙永生,2, 許移慶, 何炎平, 韓兆龍,2, 許玉旺,2

(1.上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240; 2.自然資源部第二海洋研究所極地深海技術(shù)研究院,杭州 310012; 3.上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司,上海 200233)

近年來(lái),海上風(fēng)力發(fā)電(簡(jiǎn)稱風(fēng)電)在新能源領(lǐng)域中異軍突起,呈現(xiàn)高速發(fā)展的態(tài)勢(shì).據(jù)統(tǒng)計(jì)[1],2021年全球新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量約21.1 GW,其中我國(guó)占比80%,約16.9 GW.然而,全球近海風(fēng)能開發(fā)日趨飽和,海上風(fēng)電向深遠(yuǎn)海、大型化方向發(fā)展的趨勢(shì)愈發(fā)明顯.海上風(fēng)力機(jī)巨頭企業(yè)Vestas、Siemens、明陽(yáng)、上海電氣等最新研制的大型海上風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到15 MW以上[2],而針對(duì)20 MW級(jí)別的巨型海上風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)已在進(jìn)行中.體積和質(zhì)量越來(lái)越龐大的海上風(fēng)電機(jī)組也給傳統(tǒng)海上風(fēng)力機(jī)安裝技術(shù)帶來(lái)更大的挑戰(zhàn).

目前主流的海上風(fēng)電機(jī)組安裝方式為分體式安裝,即將風(fēng)力機(jī)塔筒、機(jī)艙、輪轂和葉片等零部件預(yù)組裝后起吊并進(jìn)行對(duì)接[3].其中,葉輪部分吊裝最困難,未來(lái)20 MW級(jí)別的大型海上風(fēng)力機(jī)葉片預(yù)計(jì)展長(zhǎng)將達(dá)到120 m以上,單葉片質(zhì)量也將達(dá)到 60 t 以上[4].由于葉輪整體體積大、質(zhì)量大、受風(fēng)面積大、起吊高度高,所以將葉輪吊裝拆分為多次單葉片吊裝的方式更為合適,歐洲和我國(guó)的大型海上風(fēng)電場(chǎng)也多采用這種方式[5].

單葉片吊裝對(duì)接過(guò)程要求在高空將葉片根部螺栓準(zhǔn)確插入輪轂變槳軸承的螺栓孔中.由于風(fēng)力機(jī)葉片外形特殊,運(yùn)動(dòng)姿態(tài)易受風(fēng)載荷影響,穩(wěn)定控制難度較大,所以單葉片吊裝的安裝時(shí)間通常需占總有效安裝作業(yè)時(shí)間的1/3左右[6].除了等待合適的海況窗口期以外,通常還會(huì)在葉片吊具上固定多條纜風(fēng)繩,利用動(dòng)力絞車或人力輔助穩(wěn)定葉片姿態(tài),該方式不僅效率低,也存在一定危險(xiǎn)性[7].

從現(xiàn)有大型海上風(fēng)力機(jī)單葉片吊裝特點(diǎn)、難點(diǎn)出發(fā),調(diào)研分析單葉片吊裝對(duì)接技術(shù)的吊具設(shè)備、仿真模型和主動(dòng)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù),討論單葉片吊裝對(duì)接技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和前景,并針對(duì)單葉片吊裝對(duì)接難題提出具有動(dòng)力定位功能的單葉片吊具和雙抱箍垂直葉片安裝輔助裝置兩種技術(shù)思路.

1 大型海上風(fēng)力機(jī)單葉片吊裝的優(yōu)勢(shì)與難點(diǎn)

1.1 海上風(fēng)力機(jī)葉輪吊裝方式

大型海上風(fēng)力機(jī)主要采用分體模塊化吊裝的方式,一般將一臺(tái)風(fēng)力機(jī)分為塔筒、機(jī)艙、輪轂和葉片4個(gè)部分.其中塔筒通常分解為1～2段進(jìn)行吊裝,而機(jī)艙、輪轂和葉片則根據(jù)不同吊裝模式采用不同預(yù)組裝方式[3].根據(jù)預(yù)組裝葉片的數(shù)量,葉輪部分的吊裝模式可以分為葉輪整體吊裝、兔耳式吊裝和單葉片吊裝[8-9],3種葉輪吊裝模式對(duì)比如表1所示.

表1 不同葉輪安裝模式對(duì)比Tab.1 Comparison of different impeller installation modes

1.1.1葉輪整體吊裝 葉輪整體吊裝方式即在塔筒、機(jī)艙分別安裝完畢后,預(yù)先在安裝平臺(tái)甲板上將風(fēng)力機(jī)葉片、輪轂對(duì)接組合,而后利用吊車將葉輪翻身、起吊并與機(jī)艙對(duì)接,如圖1(a)所示.由于不需要進(jìn)行多次高空對(duì)接合攏,所以該方式更適合于近海風(fēng)電場(chǎng)的中小型風(fēng)力機(jī)安裝[10].丹麥Middelgrunden海上風(fēng)電場(chǎng)、福清興化灣二期海上風(fēng)電場(chǎng)等均使用此類吊裝方式.然而,葉輪整體吊裝方式占用的安裝平臺(tái)甲板面積較大,起吊過(guò)程需要主輔起重機(jī)相互配合,并且由于葉輪受風(fēng)面積較大,所要求的窗口期風(fēng)速低(約為8～10 m/s),所以吊裝危險(xiǎn)性偏高[11].

圖1 海上風(fēng)力機(jī)葉輪部分吊裝模式[11-13]Fig.1 Installation modes of offshore wind turbine impeller[11-13]

1.1.2兔耳式吊裝 兔耳式吊裝即在塔筒安裝完畢后,預(yù)先將機(jī)艙、輪轂和兩個(gè)葉片組裝為兔耳型式,如圖1(b)所示,而后將組合模塊起吊并與塔筒對(duì)接,最后進(jìn)行一次單葉片吊裝,完成風(fēng)力機(jī)的安裝工作.與葉輪整體吊裝方式不同,兔耳模塊預(yù)裝一般在港口進(jìn)行,而后將多臺(tái)風(fēng)力機(jī)兔耳模塊和剩余的葉片堆疊裝載,前往安裝海域.兔耳式吊裝相比葉輪整體吊裝的方式堆疊裝載效率更高,可充分利用吊裝平臺(tái)甲板,但兔耳式組裝模塊質(zhì)量較大,需要有較好的預(yù)拼裝碼頭和出運(yùn)能力,并且仍然需要進(jìn)行一次單葉片吊裝[12].兔耳式吊裝方式主要在德國(guó)Meerwind和Innogy Nordsee等海上風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用.

1.1.3單葉片吊裝 單葉片吊裝[13]即在塔筒、機(jī)艙和輪轂均安裝完畢后,將3個(gè)葉片依次起吊并與輪轂對(duì)接,如圖1(c)所示.相比其他吊裝方式,單葉片吊裝具有明顯優(yōu)勢(shì).

(1) 裝載效率高.在風(fēng)力機(jī)型號(hào)和安裝平臺(tái)一致時(shí),不同安裝模式下的風(fēng)力機(jī)組件在安裝平臺(tái)甲板裝載布置[8]如圖2所示.單葉片吊裝方式占用的安裝平臺(tái)甲板面積最小, 部件堆疊裝載效率最高,風(fēng)電安裝平臺(tái)可一次搭載多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組出海作業(yè),顯著提高安裝效率,降低安裝成本.

圖2 不同葉輪安裝模式下組件甲板裝載布置示意圖[8]Fig.2 Configurations of deck load in different impeller installation modes[8]

(2) 吊裝安全性高,窗口期長(zhǎng).由于單個(gè)葉片的受風(fēng)面積相對(duì)較小,所以吊裝窗口期最大平均風(fēng)速可達(dá)到10～14 m/s,作業(yè)海況窗口期更長(zhǎng)[14-15].

(3) 起吊質(zhì)量低,易于施工.面對(duì)大兆瓦級(jí)海上風(fēng)力機(jī)和愈發(fā)龐大的葉輪組件,采用單葉片吊裝可以利用起吊質(zhì)量較小的起重設(shè)備進(jìn)行作業(yè).

從吊裝難度、成本、效率等各個(gè)角度考慮,單葉片吊裝方式都更適合大型海上風(fēng)力機(jī)安裝,將是未來(lái)海上風(fēng)力機(jī)安裝的主流方法,目前主要應(yīng)用在Nordsee Ost海上風(fēng)電場(chǎng)、福建長(zhǎng)樂(lè)外海海上風(fēng)電場(chǎng)、華能如東H3海上風(fēng)電項(xiàng)目等.

1.2 單葉片吊裝對(duì)接過(guò)程與突出難點(diǎn)

單葉片吊裝方式需要在高空進(jìn)行葉片和輪轂的精確對(duì)接合攏,其中葉片根部的螺栓需準(zhǔn)確插入輪轂對(duì)應(yīng)的螺栓孔中,一般輪轂法蘭螺栓孔直徑為 16～48 mm,對(duì)接過(guò)程要求短時(shí)間內(nèi)二者相對(duì)運(yùn)動(dòng)僅為毫米級(jí).Jiang等[16]認(rèn)為對(duì)接成功的要求是螺栓-螺栓孔相對(duì)運(yùn)動(dòng)4 mm的超越率小于1.67×10-2Hz,即約為每分鐘出現(xiàn)1次.葉片根部通常設(shè)有若干較長(zhǎng)定位銷,用于觀察員判斷調(diào)整葉片姿態(tài),輔助和引導(dǎo)葉片對(duì)接操作.對(duì)接過(guò)程中,一旦葉片和輪轂相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)大引發(fā)碰撞,極易損壞葉片根部螺栓和葉片結(jié)構(gòu),Verma等[17]通過(guò)葉根螺栓碰撞仿真研究指出,僅0.63 m/s的相對(duì)碰撞速度造成的螺栓變形就需要修理更換并重新吊裝,從而嚴(yán)重拖延吊裝進(jìn)度.為保證吊裝對(duì)接過(guò)程的穩(wěn)定,通常在單葉片吊具上引出多條纜風(fēng)繩,通過(guò)安裝平臺(tái)甲板或吊車上的動(dòng)力絞車以及直接使用人力輔助穩(wěn)定葉片的空中姿態(tài)[18].目前海上單葉片吊裝的平均風(fēng)速閾值一般在10～14 m/s,但出于安全性考慮,實(shí)際吊裝過(guò)程一般會(huì)選擇更低的風(fēng)速條件(8～10 m/s),以福清興化灣為例,一年中符合吊裝條件的海況窗口期僅為150 d[5].

目前單葉片吊裝過(guò)程主要面臨以下突出難點(diǎn):

(1) 安裝精度要求高.風(fēng)力機(jī)葉片的吊裝需要在近百米的高空將葉片根部的螺栓準(zhǔn)確插入輪轂法蘭盤處的螺栓孔,精度要求達(dá)到毫米級(jí).

(2) 吊車移動(dòng)葉片對(duì)接困難.在葉片吊裝對(duì)接階段,葉片根部和輪轂對(duì)準(zhǔn)之后通常還有一段距離,此時(shí)吊車無(wú)法直接通過(guò)平移葉片將其插入輪轂,而是需要通過(guò)吊車回轉(zhuǎn)、微調(diào)吊角、微調(diào)吊高以及機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)、纜風(fēng)繩輔助拉動(dòng)等操作逐漸實(shí)現(xiàn)葉片和輪轂的對(duì)接.

(3) 葉片起吊、對(duì)接過(guò)程中易受風(fēng)影響而搖晃,葉片根部與輪轂相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度大,采用纜風(fēng)繩和部分人力輔助的方式控制能力不足,存在一定危險(xiǎn)性.

(4) 作業(yè)窗口期長(zhǎng)度不足.雖然相比其他吊裝方式,單葉片吊裝方式的窗口期更長(zhǎng),但深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)安裝海況更惡劣,葉片安裝窗口期仍非常緊缺.

因此,單葉片吊裝對(duì)接技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向在于針對(duì)性地提高葉片吊裝過(guò)程的姿態(tài)穩(wěn)定控制能力,以具有主動(dòng)性、操控性的技術(shù)替代當(dāng)前的被動(dòng)性、限制性技術(shù),進(jìn)而提高單葉片吊裝過(guò)程的精度和效率,降低海上風(fēng)力機(jī)安裝成本.

2 大型海上風(fēng)力機(jī)單葉片吊裝對(duì)接設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 國(guó)內(nèi)外單葉片吊具裝置技術(shù)對(duì)比

單葉片吊具是風(fēng)力機(jī)葉片吊裝最為關(guān)鍵的技術(shù)裝備.面對(duì)不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)類型和吊裝工況,可以采用水平、斜線和垂直的葉片吊裝方式,所采用的吊具[7,17]則可以分為旋轉(zhuǎn)式和水平式,如圖3所示.

圖3 風(fēng)力機(jī)單葉片吊具和吊裝方式[7, 17]Fig.3 Blade yoke and installation modes[7, 17]

水平式吊具主要由吊梁、吊索以及葉片的托舉結(jié)構(gòu)或吊帶組成,其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,一般不具備旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)能力.風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行水平式吊裝過(guò)程中需要調(diào)整輪轂角度,因此葉片水平式吊裝適用于可安裝大轉(zhuǎn)矩盤車裝置的雙饋機(jī)組風(fēng)力機(jī).典型的水平式吊具包括Eltronic公司開發(fā)的C型托舉結(jié)構(gòu)吊具C-yoke-Basic和Siemens公司開發(fā)的吊帶結(jié)構(gòu)吊具Janett lifting yoke等.

旋轉(zhuǎn)式吊具相對(duì)水平式吊具結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,一般造價(jià)更高且質(zhì)量更大,通常設(shè)計(jì)有夾持裝置、液壓旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),同時(shí)還需配備相應(yīng)的發(fā)電機(jī)和液電系統(tǒng)等,主要可以實(shí)現(xiàn)葉片安裝姿態(tài)的調(diào)整[13,19].使用旋轉(zhuǎn)式吊具進(jìn)行葉片吊裝通常不需要額外的盤車裝置裝卸操作,因此安裝效率更高,單臺(tái)機(jī)組安裝可相對(duì)節(jié)省約10 h作業(yè)時(shí)間[6].旋轉(zhuǎn)式吊具的出現(xiàn)降低了單葉片吊裝的難度,使得單葉片吊裝方式逐漸普及.目前旋轉(zhuǎn)式吊具已在我國(guó)近海部分風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中使用.

葉片吊具的關(guān)鍵參數(shù)主要包括其最大或額定工作載荷、旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)范圍、最大平均作業(yè)風(fēng)速、自重等,此外葉片固定或夾持結(jié)構(gòu)也是設(shè)計(jì)關(guān)鍵之一.針對(duì)大型風(fēng)力機(jī)葉片的吊具通常需要更大的設(shè)計(jì)工作載荷,其葉片固定或夾持結(jié)構(gòu)需要考慮避免壓壞葉片表面,例如emaTech公司開發(fā)的Rotor Blade Clamp吊具采用了14個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)的萬(wàn)向夾持墊,其中10 m2的夾持接觸面積使得該吊具在移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量達(dá)40 t的葉片時(shí)不至于損壞其表面[20];旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)范圍主要針對(duì)旋轉(zhuǎn)式吊具而言,通?？煞譃檫m用于斜線和水平吊裝的小角度可調(diào)吊具,調(diào)節(jié)范圍為 -60°～30°,以及適用于所有葉片安裝工況的全角度可調(diào)吊具.典型的小角度可調(diào)吊具如Liftra廠商開發(fā)的LT5061 Blade Eagle和Eltronic開發(fā)的C-yoke-extented,全角度可調(diào)吊具如Liftra開發(fā)的LT975 Blade Dragon以及巨力索具公司開發(fā)的50 t大兆瓦全角度單葉片吊具.目前多數(shù)吊具的最大平均作業(yè)風(fēng)速均在12～15 m/s,陣風(fēng)要求則可以達(dá)到18 m/s,要在較高風(fēng)速下實(shí)現(xiàn)葉片吊裝對(duì)接,通常需要配合纜風(fēng)繩控制系統(tǒng),以Blade Eagle為例,該吊具通常會(huì)和Liftra開發(fā)的Tagline System配合進(jìn)行吊裝.國(guó)內(nèi)外典型的單葉片吊具主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比[21-23]如表2所示.

表2 國(guó)內(nèi)外典型單葉片吊具技術(shù)參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of technical parameters of typical single blade yokes

2.2 單葉片吊裝動(dòng)力學(xué)建模與仿真

建模與仿真方法在單葉片吊裝技術(shù)的設(shè)計(jì)開發(fā)、測(cè)試和安全性驗(yàn)證等方面具有極為重要的價(jià)值.單葉片吊裝過(guò)程涉及葉片、吊具、繩索、絞車等多個(gè)結(jié)構(gòu)和環(huán)境之間的復(fù)雜相互作用,是一個(gè)典型的多體耦合系統(tǒng),如圖4所示.因此,多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模與仿真分析逐漸成為單葉片吊裝對(duì)接的關(guān)鍵技術(shù)之一,國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼建立了不同復(fù)雜程度的單葉片吊裝動(dòng)力學(xué)模型,并利用仿真結(jié)果分析單葉片吊裝的動(dòng)力學(xué)特性,從而驗(yàn)證各類新型吊裝技術(shù)的可行性.

圖4 單葉片吊裝仿真模型總覽圖Fig.4 Overview of single blade installation simulation model

單葉片吊裝仿真模型一般包含葉片、繩索、絞車以及波浪、湍流風(fēng)等獨(dú)立模塊.其中葉片和單葉片吊具之間可以認(rèn)為剛性固定,則葉片-吊具系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程可以表示為

(1)

國(guó)外學(xué)者Gaunaa等[28]首先提出包含葉片、吊具、吊索和纜風(fēng)繩的單葉片懸吊模型,并在HAWC2中建立該模型,利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法得到葉片吊裝過(guò)程中不同姿態(tài)和不同湍流風(fēng)下所受風(fēng)載荷特性,最后初步分析纜風(fēng)繩系統(tǒng)在上述不同工況下穩(wěn)定葉片所需的張力.在此基礎(chǔ)上,Kuijken[29]進(jìn)一步驗(yàn)證該模型,對(duì)DTU 10 MW海上風(fēng)力機(jī)葉片懸吊工況進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)耦合建模仿真,并從平均載荷、葉根位移等評(píng)判角度出發(fā)分析葉片吊裝過(guò)程運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的主要影響因素,為實(shí)際葉片吊裝對(duì)接工作提供參考.Ren等[30]則在上述工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化并建立由多個(gè)獨(dú)立仿真模塊組成的MATLAB/Simulink仿真模型,可實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片吊裝多種工況的模擬計(jì)算,并提供海上風(fēng)力機(jī)葉片安裝及相關(guān)控制算法的開發(fā)接口.Jiang等[16]則將上述葉片吊裝模型結(jié)合單樁式風(fēng)力機(jī)在安裝過(guò)程中風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),進(jìn)一步分析葉根-輪轂的相對(duì)運(yùn)動(dòng),著重討論葉片-輪轂對(duì)接階段的關(guān)鍵影響因素.單葉片吊裝動(dòng)力學(xué)建模與仿真技術(shù)研究歷程和現(xiàn)狀匯總?cè)绫?所示.

表3 單葉片吊裝仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀匯總Tab.3 Summary of simulation researches of single blade installation

2.3 單葉片吊裝主動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前已有的單葉片吊裝對(duì)接主動(dòng)控制技術(shù)主要以引導(dǎo)繩索和纜風(fēng)繩系統(tǒng)為基礎(chǔ),通過(guò)控制纜風(fēng)繩張力的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片姿態(tài)的穩(wěn)定控制.理論研究方面主要包括Ren等[31-32]進(jìn)行的雙纜和三纜風(fēng)繩控制算法開發(fā)和仿真模擬,工程實(shí)踐上已投入使用的有HighWind設(shè)計(jì)的吊鉤-吊臂鎖定系統(tǒng)Boom lock system、Eltronic設(shè)計(jì)的Tagline Master纜風(fēng)繩主動(dòng)控制系統(tǒng)等.此外還有相關(guān)概念設(shè)計(jì),如澳大利亞Verton公司開發(fā)的Windmaster風(fēng)舵控制系統(tǒng)等.

2.3.1單葉片吊裝主動(dòng)控制技術(shù)理論研究 目前單葉片吊裝主動(dòng)控制系統(tǒng)的理論研究主要以模型仿真為基礎(chǔ),對(duì)葉片懸吊和對(duì)接工況進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)主動(dòng)控制纜風(fēng)繩系統(tǒng)的控制算法、對(duì)比不同算法的優(yōu)劣以及進(jìn)行參數(shù)敏感性分析,為實(shí)際單葉片吊裝技術(shù)的開發(fā)提供大量參考.

在MATLAB/Simulink單葉片吊裝模型基礎(chǔ)上,Ren等[31]采用葉片-吊具系統(tǒng)上固定的兩條纜風(fēng)繩作為姿態(tài)控制裝置,考慮風(fēng)載荷最大的正面迎風(fēng)工況,進(jìn)行吊裝對(duì)接過(guò)程的主動(dòng)控制算法研究.通過(guò)建立雙纜風(fēng)繩控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì),并采用反饋線性化和極點(diǎn)配置方法設(shè)計(jì)比例積分微分(PID)控制器,在吊裝仿真模型中實(shí)現(xiàn)了葉片位姿穩(wěn)定控制.另外,Ren等[32]在另一個(gè)成果中也展示了三纜風(fēng)繩系統(tǒng)進(jìn)行的單葉片吊裝穩(wěn)定控制.考慮風(fēng)力機(jī)葉片吊裝過(guò)程中受到湍流風(fēng)干擾、多體運(yùn)動(dòng)等因素影響,纜風(fēng)繩張力會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)非線性的尖峰和突變現(xiàn)象,一般的線性預(yù)測(cè)模型無(wú)法滿足控制需求[25],對(duì)此Ren等[33]提出采用非線性模型預(yù)測(cè)控制方法的防過(guò)載葉片吊裝控制算法,在葉片穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上使得纜風(fēng)繩的控制張力減少40%.

2.3.2單葉片吊裝主動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用 在海上風(fēng)力機(jī)組件吊裝過(guò)程中,吊車上普遍配備有可預(yù)設(shè)和調(diào)節(jié)張力的導(dǎo)線系統(tǒng),其主要通過(guò)固定于吊車上的多條繩索和滑輪結(jié)構(gòu)將輔助葉片穩(wěn)定的纜風(fēng)繩張力傳導(dǎo)至吊車結(jié)構(gòu).該導(dǎo)線系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在風(fēng)力機(jī)各部件的吊裝過(guò)程中,但主要依靠人工操控絞車,存在動(dòng)作滯后、抗干擾能力不足的問(wèn)題.

現(xiàn)有纜風(fēng)繩主動(dòng)控制系統(tǒng)如Liftra開發(fā)的Tagline System和如圖5所示的Eltronic開發(fā)的Tagline Master[13,34],主要通過(guò)可固定于吊車或平臺(tái)上的多臺(tái)絞車控制纜風(fēng)繩張力,代替人工操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)定控制,該系統(tǒng)已得到驗(yàn)證并在陸地風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中投入使用[35].HighWind開發(fā)了一種吊鉤-吊臂鎖定系統(tǒng)Boom Lock System[7,36],利用可隨起重機(jī)塔架移動(dòng)的懸臂將吊鉤與起重機(jī)鎖定,相當(dāng)于縮短了懸吊的繩索長(zhǎng)度,大幅減輕葉片搖晃[37].該裝置已經(jīng)過(guò)吊載試驗(yàn)并安裝于自升式風(fēng)電安裝船Neptune號(hào)投入使用,如圖6所示.上述已在實(shí)際單葉片吊裝中應(yīng)用的主動(dòng)控制系統(tǒng)和裝置均具有較好的實(shí)用性,能有效提高單葉片吊裝的穩(wěn)定性和安裝效率,減少人工干預(yù).

圖5 Eltronic葉片吊裝纜風(fēng)繩主動(dòng)控制系統(tǒng)——Tagline Master[13,34]Fig.5 Eltronic blade installation tagline active control system—Tagline Master[13,34]

圖6 Neptune號(hào)自升式平臺(tái)上的HighWind 吊鉤-吊臂鎖定系統(tǒng)——Boom Lock System[7,36]Fig.6 HighWind Boom Lock System on Neptune jack up vessel[7,36]

3 大型海上風(fēng)力機(jī)葉片吊裝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與前景

要解決海上單葉片吊裝難題,開發(fā)新型吊裝設(shè)備和主動(dòng)控制系統(tǒng)是必要手段.現(xiàn)有葉片吊裝設(shè)備和主動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展思路主要分為兩類:一是采用高效可控的姿態(tài)穩(wěn)定控制裝置;二是限制葉片和風(fēng)力機(jī)或吊車相對(duì)運(yùn)動(dòng)以提高穩(wěn)定性.

以開發(fā)新型葉片-吊具姿態(tài)穩(wěn)定控制裝置為思路,在旋轉(zhuǎn)式單葉片吊具上添加若干涵道式空氣推進(jìn)器,推進(jìn)器推力方向?yàn)樗矫鎥和y方向,可為吊具-葉片系統(tǒng)提供x和y方向位移以及水平姿態(tài)角θ的控制能力,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位功能[38],如圖7所示.通過(guò)設(shè)計(jì)控制器,該風(fēng)力機(jī)葉片動(dòng)力定位智能吊具可在較大湍流風(fēng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)位置坐標(biāo)的穩(wěn)定,并在一定范圍內(nèi)調(diào)整自身水平位置,即可直接推動(dòng)葉片根部插入輪轂,從而避開吊車水平移動(dòng)吊載的困難,極大提高葉片吊裝對(duì)接效率[39].此外,Verton公司提出一種基于風(fēng)舵控制的風(fēng)力機(jī)葉片吊裝主動(dòng)控制系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)Windmaster,該設(shè)計(jì)提出在吊具吊梁上加裝風(fēng)舵,通過(guò)控制風(fēng)舵的角度,利用風(fēng)舵上的風(fēng)力和力矩實(shí)現(xiàn)葉片穩(wěn)定[40].

圖7 具有動(dòng)力定位功能的智能吊具輔助葉片對(duì)接場(chǎng)景示意圖Fig.7 Blade yoke with dynamic positioning function assisting blade docking phase

以限制葉片和風(fēng)力機(jī)或吊車相對(duì)運(yùn)動(dòng)為思路,采用油缸驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)塔筒滾輪抱箍設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)自主升降功能,而葉片抱箍的滾輪對(duì)心裝置可在葉片垂直吊裝過(guò)程中微調(diào)葉根位置,保證對(duì)接過(guò)程精確和平穩(wěn)[41],如圖8所示.該雙抱箍裝置針對(duì)葉片垂直吊裝工況設(shè)計(jì),而基于限制葉片和輪轂相對(duì)運(yùn)動(dòng)的思路也可以設(shè)計(jì)一種適用于風(fēng)力機(jī)葉片水平安裝的輔助裝置,重點(diǎn)解決葉片吊裝過(guò)程中與輪轂相對(duì)運(yùn)動(dòng)劇烈以及吊車難以移動(dòng)葉片根部進(jìn)行對(duì)接的問(wèn)題[42].此外,文獻(xiàn)[43]中提出在風(fēng)力機(jī)輪轂處加裝輔助緩沖板裝置,逐漸限制對(duì)接過(guò)程葉片和輪轂之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度,可減小對(duì)接的控制精度要求.

圖8 雙抱箍裝置輔助葉片垂直安裝Fig.8 Double hoop device assisting vertical installation of wind turbine blade

4 結(jié)論

針對(duì)大型海上風(fēng)力機(jī)單葉片吊裝對(duì)接技術(shù)進(jìn)行回顧,總結(jié)單葉片吊裝的特點(diǎn)和難點(diǎn),調(diào)研分析單葉片吊裝的設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù),討論單葉片吊裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和前景,結(jié)論如下:

(1) 面對(duì)未來(lái)深遠(yuǎn)海大型海上風(fēng)力機(jī)安裝場(chǎng)景,單葉片吊裝相比葉輪整體吊裝、兔耳式吊裝方式在吊裝效率、環(huán)境要求、安全性等方面均具有一定優(yōu)勢(shì).單葉片吊裝面臨的主要難點(diǎn)在于吊裝精度要求高、吊裝過(guò)程擾動(dòng)大、對(duì)接過(guò)程控制難,進(jìn)一步開發(fā)和采用更為先進(jìn)的吊裝設(shè)備和技術(shù)是降低海上風(fēng)力機(jī)安裝成本的重要手段.

(2) 目前單葉片吊裝旋轉(zhuǎn)式吊具在技術(shù)上已相對(duì)成熟,是未來(lái)海上風(fēng)力機(jī)葉片吊裝的得力工具;研究者針對(duì)單葉片吊裝過(guò)程進(jìn)行建模仿真,深入分析葉片吊裝對(duì)接過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特性,主要基于纜風(fēng)繩系統(tǒng)設(shè)計(jì)和對(duì)比不同控制算法.相關(guān)企業(yè)亦開發(fā)有智能纜風(fēng)繩系統(tǒng)Tagline Master和吊鉤-吊臂鎖定系統(tǒng)Boom Lock System,均已在實(shí)際葉片吊裝中使用.

(3) 未來(lái)單葉片吊裝設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展仍將以提高吊裝過(guò)程的抗風(fēng)能力、主動(dòng)控制能力和對(duì)接穩(wěn)定性為主要目標(biāo).目前主要存在兩種技術(shù)發(fā)展思路,其一是采用高效可控的姿態(tài)穩(wěn)定控制裝置;其二是限制葉片和風(fēng)力機(jī)或吊車相對(duì)運(yùn)動(dòng).對(duì)應(yīng)兩種技術(shù)思路,本文介紹具有動(dòng)力定位功能的葉片吊具、雙抱箍垂直葉片安裝輔助裝置等多個(gè)概念設(shè)計(jì)和專利發(fā)明,可為解決深遠(yuǎn)海巨型風(fēng)力機(jī)安裝難題提供參考.