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                        風電安裝船用糾偏式抱樁器液壓系統

                        添加時間:2018/07/27 來源:黑龍江科學 作者:劉冬一 宋豫
                        風能是取之不盡用之不竭的清潔能源, 而風力發電較其他新型可再生能源發電相比的優勢在于技術相對成熟、單位發電功率成本低、單機發電功率高;而與傳統的火力發電相比, 大幅減少了有害氣體的排放、降低了環境污染。
                          以下為本篇論文正文:

                          摘要:研究提出了海上風電安裝船用糾偏式抱樁器液壓系統的設計方法, 提供了糾偏式抱樁器機械結構方案與液壓系統方案, 介紹了液壓系統各組成部分的性能與作用, 并且基于海上風電安裝工藝, 詳細闡述了糾偏式抱樁器液壓系統的工作流程, 實現了抱樁器的對中、抱樁、糾偏、導向功能。該產品的研究與開發, 提高了抱樁器產品的綜合性能, 促進了我國風電安裝裝備的發展。

                          關鍵詞:風電安裝船; 抱樁器; 液壓系統; 糾偏;

                          Abstract:The design method of hydraulic system is put forward of rectifying type hold pile machine in the offshore wind power installed marine. The structure scheme and hydraulic system scheme of hold pile machine is provided. This paper introduces the performance and function of the components of hydraulic system, and based on the offshore wind installation process, this paper elaborated the rectifying type hold pile machine working process of hydraulic system in detail, achieves the alignment, hold in the pile, rectifying and guidance function of the hold pile machine. The research and development of this product has improved comprehensive performance of hold pile machine and promoted development of wind power installation equipment in China.

                          Keyword:Offshore wind power installed marine; Hold pile machine; Hydraulic system; Rectifying;

                          風能是取之不盡用之不竭的清潔能源, 而風力發電較其他新型可再生能源發電相比的優勢在于技術相對成熟、單位發電功率成本低、單機發電功率高;而與傳統的火力發電相比, 大幅減少了有害氣體的排放、降低了環境污染。隨著各國對環境保護問題的不斷重視, 風力發電得到了青睞, 也隨之發展起來。我國海岸線綿長, 具有開發大功率海上風電的天然優勢, 其中東部沿海地區風力資源豐富, 其風能總量約是陸上的3倍, 具有廣闊的發展前景[1-9]。

                          海上風電安裝用抱樁器裝置歐洲研究和開發的時間較早, 其中主要有荷蘭的Ulstein Equipment公司開發的可翻轉式抱樁器, 英國的Houlder公司開發的直徑7 m抱樁器安裝在MPI起重船上, 荷蘭的TMS公司開發的可適應不同直徑樁柱的抱樁器, 荷蘭的KCI公司開發的可平行移動對中抱樁器。

                          國內的海上風電安裝隨著國家對海上風電產業的政策支持逐漸起步與發展, 安裝船及輔助設備的制造剛剛起步。2007年中海油投資建設的第一座海上風電站正式投入運行, 這是世界上首次采用海上風電為海上平臺供電, 是我國海上風電發展的一個里程碑。隨后哈爾濱工程大學[10]和振華重工先后研究和開發了抱樁器并得到應用[11]。

                          上述抱樁器裝備各自擁有獨特特點, 能夠適用于不同條件下的風電樁的安裝, 隨著風電裝機功率的不斷提高, 樁柱直徑與高度也不斷增大, 對抱樁器設備提出的要求越來越復雜。

                          1、糾偏式抱樁器系統方案

                          海上風電機組主要安裝在淺水海域或潮間帶, 一般水深不超過20 m, 其風能資源豐富并且便于安裝與維護。單樁基礎類的海上風機, 其樁柱通常由三部分組成, 分別為基礎樁、過渡段、塔筒、機艙、葉片。第一部分基礎樁的安裝需要抱樁器進行配合, 其長度一般為30~70 m, 直徑約為3~8 m, 重量最大500 t以上, 其中約30~40 m被插入海床以下, 確保具有足夠的抗拔、抗彎能力。第二部分過渡段作為調整段, 調整樁柱的垂直度及高度, 確保滿足發電設備的安裝要求。第三部分是風電機組核心的發電部分, 將風能轉化為電能。

                          海上風電較陸上風電施工難度更大, 成本更高, 而其中第一部分基礎樁的安裝成本就占總成本的1/3以上。海上風機由于安裝于海上, 其自然條件更為復雜, 會受到海浪、潮汐、強風等不定因素的影響, 并且海床組成材質復雜, 基礎樁安裝中易受上述因素影響而產生偏斜, 最終影響上部設備的安裝甚至產生棄樁。因此, 施工前海床地質分析是必要的, 而后根據分析結果制定打樁工藝, 考慮到基礎樁垂直度要小于4‰, 抱樁器設備的采用是十分必要的, 抱樁器在打樁中提供導向及糾偏功能, 一旦在樁柱入泥一定深度后出現偏斜將無法糾正, 只能棄樁[11], 造成巨大的損失。因此, 研究具有糾偏功能的抱樁器具有重要的意義。

                          1.1、糾偏式抱樁器機械結構方案

                          糾偏式抱樁器采用上下兩層臂結構, 且抱樁器平臺可前后、左右移動, 滿足5~8 m直徑的樁柱的抱樁、糾偏操作。結構如圖1所示。

                          1.2、糾偏式抱樁器液壓系統方案

                          根據糾偏式抱樁器的設計要求與實際工況, 設計液壓原理如圖2所示。糾偏式抱樁器液壓系統包括液壓站、糾偏油缸、觸頭油缸、定位油缸、鎖臂油缸、開合油缸等。

                        圖1 糾偏式抱樁器結構
                        圖1 糾偏式抱樁器結構

                        圖2 糾偏式抱樁器液壓原理
                        圖2 糾偏式抱樁器液壓原理

                          糾偏式抱樁器液壓系統各部分組成與功能:

                          第一, 液壓站。

                          液壓站為各油缸提供動力油源, 主要包括兩組主泵及高壓過濾器, 一組應急與循環泵, 一臺回油過濾器, 一臺冷卻器, 液壓站閥組及其他相關附件。

                          主泵組為各油缸供油, 主泵選用遠程控制型恒壓變量泵, 當系統中需要不同的供油壓力時, 通過主泵遠程壓力控制的比例閥設置主泵的壓力設定值。

                          應急與循環泵當系統正常工作時始終處于低壓循環工作狀態, 通過回油過濾器與冷卻器對油箱內的油液狀態進行控制。當系統處于應急狀態時, 經過換向閥將高壓油送入主系統, 并手動操作相關的換向閥實現大臂開合系統油缸的運動。

                          第二, 糾偏系統。

                          糾偏系統完成抱樁器平臺的前后、左右平移與糾偏, 主要包括一組糾偏油缸及油缸控制閥組。

                          X方向糾偏油缸完成平臺的前后移動及糾偏。在前后大范圍移動時, 控制器通過X方向糾偏油缸位移傳感器信號, 控制X方向糾偏油缸動作, 平臺在前后方向逐級運動。

                          Y方向糾偏油缸完成平臺的左右移動及糾偏。在左右大范圍移動時, 控制器通過Y方向糾偏油缸位移傳感器信號, 控制Y方向糾偏油缸動作, 平臺在左右方向逐級運動。

                          第三, 大臂開合系統。

                          大臂開合系統完成抱樁器上下層樁爪的開合、鎖止, 主要包括兩組開合油缸、兩組鎖臂油缸及油缸控制閥組。

                          開合油缸上下層樁爪各一組, 完成樁爪的開合。當開合樁爪到指定位置時觸發限位開關, 停止運動。

                          鎖臂油缸上下層樁爪各一組, 當樁爪閉合至指定位置后完成樁爪的鎖止, 使打樁過程中樁爪受到打開方向的力由機械結構承受, 保護開合油缸。當鎖臂油缸伸縮到指定位置時觸發限位開關, 停止運動。

                          第四, 觸頭抱樁系統。

                          觸頭抱樁系統完成抱樁及承受打樁過程中的沖擊力, 主要包括一組定位油缸, 兩組觸頭油缸及油缸控制閥組。

                          定位油缸上下層樁爪各一臺, 當樁柱直徑確定后, 控制器通過定位油缸位移傳感器信號, 控制油缸伸出到指定位置, 作為樁柱吊入的參考定位點, 并且在打樁過程中承受樁柱的沖擊力。

                          觸頭油缸上下層樁爪各一組, 當樁爪閉合后伸出觸頭油缸, 碰觸到樁柱后鎖止, 在打樁過程中承受樁柱的沖擊力。同時, 在糾偏時糾偏系統的糾偏力通過觸頭油缸傳遞至樁柱。

                          為便于操作人員精確控制各油缸位置, 確保糾偏、定位與抱樁位置的精確可調, 特設置了微動開關 (微動調速閥) , 油缸需要大范圍運動時, 可按正常速度運行, 當接近目標時, 可以切換到微動工況, 低速運行接近目標, 便于操作者觀察與操作。

                          1.3、糾偏式抱樁器電氣方案

                          糾偏式抱樁器電氣控制柜與操作臺設置在抱樁器平臺上, 可單獨或同時控制上、下抱樁器的動作, 本地操作臺配備人機交互界面, 實現各傳感器信號狀態顯示、限位開關狀態顯示、蝶閥開關狀態顯示、故障顯示和定位油缸位置設定、糾偏油缸位置設定。同時, 配備了手持式無線遠程控制器, 方便操作者在安全的區域進行遙控操作。

                          2、糾偏式抱樁器工藝過程設計

                          糾偏式抱樁器具備對中、抱樁、糾偏、導向等功能, 并且糾偏能力滿足直徑8 m樁柱的需求, 其打樁流程如圖3所示。

                          大糾偏力抱樁器分上下兩層, 每層有獨立的控制站均設置于抱樁器平臺的本地操作臺上, 每層的控制系統功能類似。限于油箱容積及液壓泵功率, 通常每次只允許某層的一個或兩個油缸同時動作, 其余油缸保壓鎖定待命。每次抱樁操作前, 需先確認樁體直徑, 根據不同直徑, 設定定位油缸位置, 為樁柱的吊入進行大致定位, 由操作者在控制臺輸入樁柱直徑, 將定位油缸動作選擇旋鈕旋至自動檔位, 并按下自動定位按鈕, 定位油缸自動運行到指定位置。此時吊入樁柱至抱樁器中心位置, 而后進行抱樁操作。

                        圖3 糾偏式抱樁器工作流程圖
                        圖3 糾偏式抱樁器工作流程圖

                          抱樁工作由每層抱樁器開合油缸、觸頭油缸、鎖臂油缸等組合動作實現。開合油缸實現樁爪的閉合與打開, 當樁爪打開后可進行樁柱的吊入與退出抱樁器動作, 當樁爪閉合后, 鎖臂油缸伸出將樁爪鎖止, 觸頭油缸伸出、縮回實現觸頭的運動, 由操作人員調整觸頭接觸到樁柱后停止。上述操作實現樁柱的初步定位與抱樁, 確保入泥前樁柱的垂直度。此時, 抱樁器的抱樁動作結束, 設備已進入打樁準備狀態。

                          抱樁器平臺的對中運動與糾偏均由糾偏油缸實現。糾偏系統控制抱樁器平臺的前后、左右移動, 可以同時操作實現斜向移動。由操作控制伸出、縮回按鈕實現油缸向外向內動作。當打樁時, 由于樁柱各處會出現受力不均狀態, 因此可能會產生樁柱的偏斜, 產生偏斜后, 觸頭油缸會頂住樁柱防止傾斜, 當產生較小傾斜時, 上述的油缸中的一個或幾個會被壓縮, 安全溢流閥會溢流保護系統安全, 當傾斜角度達到一定值后, 需要系統進行糾偏。當打樁過程中出現樁柱偏斜情況時, 停止打樁, 通過糾偏油缸的運動進行大推力的樁柱糾偏, 待樁柱恢復到垂直狀態時再繼續打樁, 確保樁柱的安裝質量。即便本系統設置了大噸位的糾偏系統, 但糾偏能力仍有限制, 因此現場作業時, 仍要在打樁初期將樁體垂直度調節到位, 否則就會造成樁體傾斜而抱樁器無法糾偏的狀況。而且需要打樁過程實時監控樁體垂直度, 盡量將糾偏作業控制在打樁前期。

                          其中, 在海上施工時, 當樁柱吊樁到位后, 緩慢等樁柱自沉到位, 啟動糾偏油缸進行打樁前的初次糾偏, 待樁柱垂直后鎖定抱樁器平臺位置。觸頭油缸抱緊樁柱, 開始打樁。注意, 錘啟動時, 抱樁器一定要脫離樁柱一定間隙, 確保樁柱的震動不會傳遞到抱樁器, 否則液壓油缸及管路極易損壞。

                          3、結論

                          風電安裝船用糾偏式抱樁器作為風電安裝過程中必不可少的裝備, 其工作性能直接影響風電安裝施工的可靠性與高效性。本研究針對傳統抱樁器設備不可平移對中、糾偏能力不足的問題展開針對性的設計, 通過增加了大噸位的糾偏系統, 不但可以在樁柱位置對中過程中靈活調整, 也可以在樁柱偏斜時進行大糾偏力的糾偏, 確保打樁安裝質量, 大幅降低棄樁率, 提高施工綜合效率。該產品的研究與開發, 提高了抱樁器產品的綜合性能, 促進了我國風電安裝裝備的發展。

                          參考文獻
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