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JK鉴字[2016]第2074号 海上风电场示范项目海上批量运输风电设备关键技术研究

一、成果信息
【完成单位】 中广核
【简要技术说明】 现阶段设计的风电设备批量运输船可运输的风机规格为3MW到5MW。装船地点为风电设备交付码头(上海振华重工(集团)股份有限公司大南通基地码头),卸船地点为中国沿海指定的风场施工区域。
风机拆分为以下几个主要部分:基础桩、塔筒(顶端、中段、底段各1段)、机舱轮毂组件、独立叶片,每航次运输3台套。运输分为3个阶段:装船阶段,运输阶段,风场锚泊吊卸阶段。装船时主要设备为码头上500T门机或1000T浮吊,汽车吊/履带吊等必要设备;卸船时主要设备为龙源振华1号/贰号800T自升式风电起重安装船。
由于所运输的设备特殊,因此要为运输船设计专用工装,来满足风机运输及吊卸的要求。
1. 总体布置
运输船单航次可运输3套海上风电设备,散件方式布置:
A.基础桩—3件,平躺放置,直径范围5.8-7m,重量范围450t-750t/件;
B.底段塔筒—3件,竖立放置,直径4.4-7m,重量﹤150t/件;
C.中段塔筒—3件,竖立放置,直径4.2-6m,重量﹤120t/件;
D.顶端塔筒—3件,竖立放置,直径3.9-5.5m,重量﹤100t/件;
E.机舱、轮毂组件—3套,重量﹤400t/套;
F.叶片—9件,重量30t/件。
单独运输风机时,可实现3套风机组件的运输。叶片全部使用3片一组叠放布置。
2. 基础桩放置、海绑、以及竖立工装
运输时,基础桩平方在支撑托架上,并利用钢丝绳、海绑挡架等绑扎牢固。安装时,利用风电安装船上吊机与运输船上的竖立工装配合(卷扬机牵引、保护),将基础桩缓缓竖起,然后吊至指定位置安装。
竖立工装包含:滑道系统,滑道小车,牵引保护系统。
3. 塔筒运输工装
塔筒结构分为上、中、下三段,竖立放置在甲板上运输。
工装底部设计分载梁结构:分载梁上连接法兰,可直接与塔筒法兰面用螺栓连接运输。不同直径的塔筒,采用不同规格的联接法兰,但分载梁保持不变,另,联接法兰上设计有导向抗剪块,在吊装时起导向作用,安装到位后,用卸楔子塞死间隙,克服塔筒横向/纵向的受力。
4. 叶片运输工装
单独的3件叶片平躺,叶片法兰端设计螺栓连接,连接板预制在搁架上,根据不同直径的叶片可更换;叶片另一端采用半托式搁架,即叶片放置在其上,用拴紧器拉紧。
性能指标
龙源振华伍号运输船总长110.40米,型宽32.00米,型深6.50米。总吨位7201,净吨位4031。
配备基础桩放置、海绑、以及竖立工装,塔筒运输工装,叶片运输工装,机舱运输工装。
单航次可运输3套海上风电设备(包括单桩基础),以散件方式布置。
国外同类技术比较。
目前国外近海风电安装主要采用自升式吊船散装式。批量运输工艺与之相比,在风场开发效率、经济、安全方面均有显著优势。
1. 风场开发效率
自升式平台单航次容纳的风机台套数量有限,每一航次安装完毕后需要返回码头重新装船。海上风场的开发区域离岸越来越远,重复动复员装卸船将占用越来越多的工程时间,考虑到海上风电施工的有效窗口期短,该方案将对风场的开发效率造成较大的影响。
利用2艘以上专用运输船批量交替运输风机设备,可实现工程的不间断施工,极大的提高了开发效率。
2.经济性
国外主流的自升式平台甲板面积大,一般可容纳4到5台风机,造价约6亿人民币。目前最新设计的船体可容纳10台风机,投资更加高昂。在海上风电经济收益不甚明朗时,如此大的一次性投资存在较大风险。
批量运输船造价在1亿元内,较之大型的自升式平台,一次性投资显著降低,投资性价比高。
3.安全性
专业运输船在甲板上专门布置专用的运输工装,相较于自升式安装船,其功能明确,无其他干扰,安全可靠性更高。
成果的创造性、先进性
1.改主施工船散装式为专业运输船散装式
主施工船散装式是目前海上风电安装采用的主流方案,国内风电施工船装载能力普遍较差,若采用此方案,其重复动复员的劣质更加明显,成本高且施工效率无法保障。
而新建风电安装船的成本与周期均较长,无法满足国内海上风电开发的续期。采用专业风电运输船,单航次可运输3套风机组件,有效解决了国内风电安装船运载能力较差的窘境;多艘运输船的交替运输,还可实现风机组件安装的不间断进行,相较于风电安装船散装式,节省了重复动复员的时间,大大提高了工程建设效率。
2. 滑道工装取代翻桩器
对于近海风电单桩基础的施工,需要在船舶甲板上完成单桩基础的立桩。国外传统的做法是在自升式平台上配备翻桩器,利用翻桩器在自升式平台甲板上完成单桩的立桩。国内自升式平台甲板面积较小,加之国内单桩尺寸不断增大,翻桩器成本较高且无成熟的设计经验。滑道工装的设计应用完美解决了上述问题。滑道工装布置在运输船上,单管桩布置在滑道工装上。在风电现场,吊机起吊配合小车驱动,可简洁的完成单桩的竖立,高效可靠。
3. 创新的风机组件工装设计实现高效运输
塔筒运输工装与机舱轮毂组件工装底部设计分载梁结构,分载梁上设置连接法兰,可保障运输过程中的安全稳定;叶片运输工装采用框架结构,制作成带有标准集装箱箱角连接形式,可实现叶片的叠层运输,大大节约了运输船甲板空间。
作用意义
根据国外已经建成的海上风电场投资比例和国内的一些研究结果,风机海上运输和安装所占的费用约为风场总投资的4%左右,尽管投资比例不大,但是该环节的风险是整个风电场建设过程中最大的。在该环节中,船舶的选用对成本的影响最大。
在近海开发中,国外目前主流的运输安装方案是直接使用自升式平台装载风机设备并安装。主流的自升式平台一次可装载4到5台风机。该方案存在诸多优点,但自升式平台的使用成本成为不可忽视的因素。
国内可用的自升式平台资源稀缺,且甲板面积较小无法同时装载多套风机设备。若使用国外方案则造成严重的重复动复员,导致极高的成本支出与极低的施工效率。
风电设备批量运输船有效的解决了该困境。批量运输船的建造成本在1亿以内,建造周期短;单航次可装载3套风机设备(或更多),多艘运输船交替作业不仅可实现上述大型自升式平台作业的诸多优点,还可解决重复动复员的缺陷;同时,布置了滑道小车的运输船还可实现翻桩器的功能,滑道小车的制造成本远小于翻桩器。综上所述,批量运输船的使用成本远远小于大型自升式平台,具备极佳的经济效益。
相较于风电安装船散装方案,使用运输船辅助安装,单台安装成本可节约50万元;专用运输船可提高风场安装效率,每艘运输船每年可新增风机安装量约10台套,新增产值约8000万元,利税3000万元。
国内船舶资源稀缺,大型自升式平台的建造周期较长。而海上风电开发进程正稳步推进,建造大型自升式平台无法满足当前的开发需求,批量运输船极佳的实现了该阶段的需求,可有效保障当前国内近海风电开发的规模与效率,实现清洁能源的较早应用,社会效益显著。
【研究起止时间】 2014.9 至2016.10
【任务来源】 计划外
【应用行业】 电力
【国家投资合计(万元)】  
【主要技术文件及来源】 1、鉴定大纲
2、工作总结
3、技术研究报告
4、专利证书……………………中华人民共和国国家知识产权局
★一种设备批量运输专用驳船(专利号ZL201520334681.5)
★一种用于海上施工的大型单管桩竖立工装(专利号ZL201520344880.4)
5、科技查新报告………………江苏省科技查新咨询中心
6、检测报告……………………中国船级社
7、用户使用报告                          
8、经济和社会效益分析报告
9、其它有关文件
 
二、技术鉴定
【鉴定证书号】 JK鉴字[2016]第2074号
【鉴定形式】 会议
【组织鉴定单位】 中国机械工业联合会
【鉴定日期】 2016年11月15日
【鉴定批准日期】 2016年11月22日
【成果水平】  国内领先
【知识产权形式】  发明专利
【鉴定意见】 1. 提供的资料齐全,符合鉴定要求。
2.该项目的主要创新点:
(1)改主施工船散装式为专业运输船散装式,实现单航次运输3套风电机组组件,有效解决了国内海上风电安装船运载能力较差的窘境;多艘运输船的交替运输,还可实现风机组件安装的不间断进行,与散装式风电安装船比较,节省了时间,提高了工程建设效率。
(2)以滑道工装取代翻桩器,解决了传统自升式平台上翻桩器使用瓶颈,在吊装时,吊机起吊配合小车驱动,可简洁的完成单桩的竖立,高效可靠。
(3)在运输船上优化设计、配置塔筒运输工装、机舱轮毂组件工装和叶片运输工装,大大节约了运输船甲板空间,提高了运输效率。
3.通过了中国船级社检验发证,经中广核如东海上风力发电有限公司使用,反映良好。
综上所述,鉴定委员会认为该成果具有自主知识产权,技术水平达到国内领先,经济和社会效益显著,应用前景广阔,一致同意通过科技成果鉴定。
    建议:进一步扩大该技术成果的推广力度,满足市场需求。
鉴定委员会
委员会职务 姓名 工作单位 所学专业 现从事专业  
主任委员 杜广平 北京鉴衡认证中心 机械工程 风力发电 研究员/总工
副主任委员 张向阳 中科院软件中心 软 件 软 件 研究员/总工
副主任委员 阮昊宇 中国船级社实业公司 船舶结构 船舶结构 高工/副总
委   员 呼淑清 中国机械工业联合会 电 器 输变电 教 高
委   员 李临西 科技部火炬中心 材 料 科技管理 研究员
委   员 薛 杨 中国电力科学研究院 环境工程 风力发电 室副主任
委   员 张 宁 北京大学信息技术创新研究院 计算机 计算机软件 教授/副院长
委   员 蔡继峰 北京鉴衡认证中心 流体力学 风力发电 工程师
委   员 张宝印 中高会海洋分会 船 舶 科技管理 高工/副理事长
           
三、应用前景
【推广应用前景】 2015年10月~2016年1月,该运输船在福建莆田南日岛400MW海上风场项目中试验应用,在安全性能、施工效率方面得到业主的好评;
2016年2月至今,该运输船在中广核如东150MW海上风电示范风场中规模化推广应用,在技术稳定性、经济效益方面得到业主的肯定。
在近海风场的开发中,国外采用的主流运输安装方式为自升式起重船散装式,单航次可容纳四到五台风机组件。该方案效率稳定,工期确定,避免了船队作业;但大型的自升式起重船制造成本高,一次性投资大,生产周期长,目前船舶资源稀缺,且在施工中需要重复动复员。
国内目前可用于近海风机安装的自升式起重船严重稀缺,且装载能力较差。在此情况下,风电组件批量运输船有着极大的应用前景。
 
 
 
四、研发单位
【完成单位】 中广核
【单位通讯地址】  
【邮政编码】  
【单位属性】 企业
【隶属省部名称】 国资委

 
 
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