海上风电是我国清洁能源的重要组成部分以及应对气候变化的具体举措。相较于陆上风力发电,海上风力发电具有不占用土地资源、视觉和噪声污染小、风能利用率高以及送电距离短等优势[1],对加快我国能源结构转型和实现碳中和具有促进意义。近年来,随着海上风电大规模开发,风电机组的质量问题逐渐突显。海上风电机组作为建设海上风电场最主要的设备,受海洋环境及自身固有属性影响较大。受雷电、台风等强对流天气影响,若防雷接地装置和固定螺栓安装不到位,风电机组很容易出现故障；受海洋波浪荷载影响,若塔筒内部支撑结构未能正确安装,极易导致电气设备发生损坏；受风电机组重量影响,海上维修困难,尤其是大部件的更换,需耗费巨大成本；受海洋盐雾环境影响,若安装过程造成防腐涂层破坏,可能减少风电机组的使用寿命[2]。因此,海上风电机组安装质量尤为重要。本文结合海上风电项目机组安装的特点,全过程梳理海上风电机组安装,分析风电机组安装前和安装过程中可能出现的质量缺陷。同时,针对可能出现的质量缺陷,总结出风电机组各安装环节的关键质量要素,并归纳出与之相对应的控制措施,有效提高风电机组安装时质量,降低因安装质量缺陷引起运维期更换大部件的概率,对保证风电机组平稳运行和降低海上运维成本具有直接指导意义。

1.风电机组安装前质量控制

1.1海上风电机组进场验收

由于海上风电机组生产基地的地理位置相对固定,风电机组通常需要长距离的海上运输以及海上吊装倒驳。塔筒、机舱、轮毂及叶片作为海上风电机组的核心部件,其到货质量将直接影响机组安装的整体质量。风电机组进场后,根据发货清单和装箱清单,核查各部件的型号、数量是否一致,确保不存在错发、漏发；同时,还应根据质量证明文件,确定各部件生产合格并满足出厂状态。机舱进场验收的质量控制要素主要有以下四项：①机舱内外防腐涂层和运输防雨布损坏程度；②机舱内部附件规范安装及整体美观度；③机舱电缆表皮破损和折弯程度；④机舱主轴螺栓孔锈蚀程度。机舱内部包含着齿轮箱、发电机等关键设备,应重点关注其防雨设施的破坏程度。轮毂进场验收的质量控制要素主要有以下四项：①轮毂运输防雨布和导流罩顶盖遗失或损坏程度；②轮毂外部防腐涂层损伤程度；③轮毂法兰面锈蚀程度；④变桨轴承表面损伤程度。应重点关注防雨布和导流罩顶盖的遗失和破坏程度,避免变桨系统发生破坏。塔筒进场验收的质量控制要素主要有以下四项：①塔筒法兰椭圆度、水平度、平整度及外观；②塔筒外壁局部凹陷和整体变形程度；③塔筒内外防腐涂层及防水设施破坏程度；④塔筒内部附件及电缆规范安装程度。其中,由于塔筒的椭圆度和整体变形程度与其对位安装紧密联系,应按规范进行核查。叶片进场验收的质量控制要素主要有以下三项：①叶根和叶尖支架位置叶片局部磨损及凹陷变形程度；②叶身前缘和后缘变形及整体过渡状态；③叶片表面通体不规则异常修补痕迹及油漆露底程度。叶片主要由环氧树脂、大丝束碳纤维等复合材料组成且长度较大,应重点关注其整体变形和局部破坏程度。

1.2高强度螺栓抽检

高强度螺栓具有施工简单、拆换灵活、受力性能好、承载能力高、以及在长时间振动荷载作用下不发生松动和疲劳破坏等优点[3]。海上风电机组塔筒与塔筒、塔筒与机舱、机舱与风轮以及轮毂与叶片通常采用高强度螺栓进行连接。螺栓质量将影响风电机组使用寿命,因此需对进场高强螺栓进行质量抽检。高强度螺栓安装前,以螺栓连接副批次为单位并结合同批螺栓连接副最大数量进行试样抽检。螺栓抽检质量控制要素主要包括[4]：①实物尺寸检测；②实物机械性能检测；③螺栓机加工试件机械性能检测；④低温冲击检测；⑤螺栓连接副扭矩系数试验；⑥螺母保证荷载；⑦垫圈硬度试验；⑧螺纹脱碳试验；⑨防腐试验[3]。其中,由于海上风电机组高强螺栓要长期经受非定向偏心扭矩和振动荷载作用,低温冲击检测就显得尤为重要。

1.3电气交接试验

为了确定风电机组电气设备的绝缘性能、运行状况以及接地导通满足质量要求,防止因设计不合理、制作工艺缺陷、运输过程损坏、安装技术不良等因素导致电气设备故障,保证设备正常投入使用,对电气设备进行交接试验是非常重要的质量控制作用。箱式变压器交接试验质量控制要素[5]：①所有分接电压比检查；②绕组连同套管的直流电阻测量；③绕组连同套管的绝缘电阻、吸收比测量；④铁芯的绝缘电阻测量；⑤绕组连同套管的交流耐压试验；⑥温控器的绝缘电阻测量。35KV箱式变压器作为将风机发出的电能进行升变压的关键设备,应保证其各项性能参数符合要求。电流互感器交接试验质量控制要素：①绝缘电阻测量；绕组的直流电阻测量；②接线绕组组别和极性检查；③交流耐压试验；④变比测量；⑤电流互感器的励磁特性曲线测量。避雷器交接试验质量控制要素：①绝缘电阻测量；②1mA直流参考电压和0.75倍直流参考电压下的泄漏电流测量。断路器交接试验质量控制要素：①每相导电回路的电阻测量；②绝缘电阻测量；③交流耐压试验；④分、合闸时间,分合闸同期性及合闸时触头的弹跳时间测量；⑤分、合闸线圈及合闸接触器线圈的直流电阻、绝缘电阻测量。继电保护器交接试验质量控制要素：①交流、直流回路检查；②保护校验；③跳闸出口逻辑；④整体传动试验。

2.风电机组安装过程质量控制

2.1风电机组海上吊装

区别于传统的设备吊装,海上风电机组吊装环境更恶劣、难度更大,对风机部件的质量把控要求较高。塔筒安装前,对基础法兰的水平度、平整度及外观进行检查和验收；根据塔筒吊索具图纸要求在塔筒上下法兰指定位置安装足够数量的吊座,且吊座与法兰连接螺栓力矩施打应满足要求。塔筒安装前,在基础法兰和已安装塔筒的上法兰涂抹密封胶；塔筒下放对位时,应使上下两节塔筒的零位标记对齐；法兰螺栓紧固达到松钩条件后,方可摘钩。顶节塔筒吊装完成后,机舱在该规定时间内完成吊装。机舱正式吊装前,应进行机舱试吊,保证安装法兰面水平。机舱安装前,各个连接端面和螺纹孔必须清理干净。叶片组对采用专用吊具,且吊点位置应满足技术文件要求。叶片与轮毂安装时,应使轴承内圈零位孔与叶片前缘处的零刻度线相对应。三支叶片全部安装完成之前,应做好风轮防倾斜措施[6]。风轮吊装前,在辅吊叶片一侧安装叶片锁。风轮翻身及安装时,应防止叶尖触碰地面和塔筒。安装叶片缆风绳时,应提前安装叶片保护套。将风轮缓慢向主轴法兰面靠近,并调整吊钩位置控制风轮轴线将其与机舱轴线重合。

2.2高强度螺栓安装

高强度螺栓安装是海上风电机组安装的核心,为使螺栓获得稳定、可靠、适当的预紧力,应从高强度螺栓安装的关键步骤进行质量控制。螺栓连接副安装及辅料涂覆前,应对其进行外观检查,主要包括构件整洁度、螺纹和表面防腐涂层完整性。对于螺栓/螺柱、螺母和平垫圈的组合形式（通孔连接）,螺栓/螺柱外螺纹螺母紧固位置、螺母与垫圈接触面应均匀涂覆润滑剂；对于螺栓直接拧入形式（盲孔连接）,螺栓外螺纹润滑剂涂覆长度约占全螺纹长度的3/4,螺栓头与垫圈接触面应沿螺杆根部均匀涂覆润滑剂。螺栓外螺纹润滑剂涂覆厚度约螺牙深度的1/2,螺母及垫圈接触面上的润滑剂涂覆厚度约为0.1mm。螺栓穿入方向应严格按照技术文件为准,且方向需保持一致；平垫圈倒角应朝向螺母一侧或螺栓头一侧[7]。风电机组连接螺栓的分布形式为圆形分布,为了保证同一法兰面上螺栓预紧力的均匀一致,防止螺栓受横向载荷发生剪切破坏,按交叉对角原则进行紧固。通常,螺栓采用液压扳手分三步紧固。第一步采用电动扳手进行初紧,第二步采用液压扳手按复紧力矩值进行紧固,第三步采用液压扳手按额定力矩值进行终紧。若采用拉伸器对螺栓进行紧固一般按技术文件要求分两或三步紧固[8]。风电机组高强螺栓应在装配完成后4h～24h内进行验收。螺栓验收时,应按照风电机组连接位置的螺栓总体数量的10%进行抽样检查,抽检比例按不合格情况递增。由于海洋环境的盐雾浓度和空气湿度会加速高强度螺栓的腐蚀,且安装过程可能造成螺栓原有防腐涂层破坏,故螺栓验收合格后,通常采用冷喷锌和防腐油漆进行涂覆。

2.3电气安装和接线

剥切电缆端头保护套和绝缘层时,不得损坏导体芯线。相间电缆对接时,U、V、W相对接管位置应相互错开,避免电缆对接点位置发生相间短路。电缆穿入连接管或端子管内时,芯线应全部平直进入,不允许出现芯线弯折或漏出管外。压接完毕后应进行绝缘处理,用自粘性绝缘橡胶带对裸露的管体进行均匀紧密缠绕包扎。将打印好的电缆标签粘贴在相对应的电缆端头处。用热风枪依次对热缩套管进行吹缩,过程中热缩套管应受热均匀并防止中间形成气泡。电缆布置应整齐、牢固、美观,避免出现绞接和交叉现象,电缆绑扎需选用适合长度的扎带[9]。电缆在过锐边时,应设置胶皮、边缘保护条等弹性材料制成的衬垫。电缆穿过孔洞时,应采用合适的防火封堵材料设置阻火封堵、阻火隔层。所有电缆接线应当按照海上风电机组整机接线表进行接线。在接线之前必须核实确认电缆相序与接线铜排各相位对应一致。电缆端子连接螺栓紧固力矩按照螺纹规格进行取值,完成紧固后做防松力矩标记线。安装接地电缆或铜带时,若接地安装面或边缘存在防腐涂层,需对其进行打磨处理直至漏出金属层,连接牢固后再对打磨位置进行防腐处理[10]。

3.结论

海上风电机组安装前的验收准备工作和风电机组的安装过程是保障海上风电机组整体安装质量的两个重要阶段。本文通过梳理风电机组两阶段的质量控制要素,归纳出海上风电机组安装质量的主要控制措施：（1）风电机组进场验收时,应重点关注各部件防雨设施的完整性,塔筒及叶片的整体变形程度及局部损伤。（2）电气设备进场验收时,其各项性能参数应满足电气交接试验标准要求,避免后期因质量问题引起设备更换。（3）机组设备进行机械安装时,安装工艺应严格遵守技术文件相关要求,安装过程要加强质量把控。（4）电气安装质量是影响风电机组整体调试的重要因素,应从其制线、布线及接线环节加以控制,保证整个电路系统安全稳定运行。

参考文献：

[1]胡丹梅,曾理,纪胜强.我国海上风电机组的现状与发展趋势[J].上海电力大学学报,2022,38(05):471-477.

[2]宋世斌,郝莉丽.海上风电设备监理质量控制[J].设备监理,2019(10):10-13.

[3]谭亮,张才盛,王海蛟.风电机组中高强度螺栓的使用要求[J].风能,2010(01):62-65.

[4]风电机组塔架用高强度螺栓连接副:NB/T31082-2016[S].北京:中国电力出版社,2016.

[5]杨永.海上风电机组安装工艺与质量控制研究[J].中国水运(下半月),2022,22(01):42-44+78.

[6]黄国良,沈志春,乌建中,等.大型风电机组叶片吊装工艺及专用吊具[J].中国港湾建设,2017,37(07):94-98.

作者:刘红志 张显雄 单位:保利长大工程有限公司