풍력 발전기 설치를 위한 크레인

풍력 발전기 설치를 위한 크레인

 

 

건설기계산업연구원   김인유

 

 

풍력 터빈은 생산전기 증가 기술 개발로 인해 점점 커지고 있으며, 설치를 위해 고용량 크레인이 필요하기 시작하였다. 크레인 산업이 풍력 발전 설치 및 유지관리 시장에 서비스를 제공할 방법에 관해 많은 연구가 진행되고 있다.

 

세계적으로 이산화탄소 배출 감소 목표를 설정하고 화력에 의한 에너지 생산을 감소시키면서 육상 및 해상 풍력 에너지와 관련된 무거운 리프팅 솔루션에 대한 수요가 증가하고 있으며, 대부분이 대형 크레인이 담당하고 있다.

대형 크레인의 대부분 작업은 새로운 풍력 발전 단지에 새로 설치하거나 이전 세대를 대체하는 것으로 향상된 기술과 유지 보수에 대한 수요가 증가하고 있다.

 

풍력 터빈 제조업체가 더 크고 무겁고 더 큰 제품을 개발함에 따라 이러한 작업은 위험과 어려움을 동시 겪고 있으며, 이로 인해 이 애플리케이션에 사용할 수 있는 대형 크레인 모델 수가 제한되어있다.

 

풍력 터빈 제조업체도 터빈의 대형화에 의해 크레인의 가용 용량의 한계를 인식하고 있으며, 구성 요소의 설계가 장비 용량의 한계까지 올라가 이제 구성 요소가 분리되어 별도로 설치되어야 할 것으로 인식하고 있다.

터빈에서 최대의 출력을 얻기 위해 터빈이 더 높아지고, 더 큰 로터 지름으로 제작되어야 가능하며, 무게는 같지만 몇 년 전보다 20~40m 높게 설치해도 더 큰 크레인 용량이 필요하며, 현재 사용 가능한 크레인으로는 그 한계에 왔다고 볼 수 있다.

 

터빈을 설치하는 회사는 종종 "엄청난 시간 압박"을 받고 있으며, 크레인 관점에서 보면 기본적으로 시간을 정의하는 두 가지 요소가 있다.

설치, 구성 요소를 들어 올리는 데 걸리는 시간과 재배치, 크레인을 플랫폼에서 플랫폼으로 이동하는 데 걸리는 시간으로 두 가지 요소에 의한 시간이다. 무게와 높이가 증가하면 크레인 구성이 더 크고 복잡하며, 더 많은 크레인 구성 요소가 포함된다는 것이다.

 

궁극적으로 높이에서 필요한 용량에 맞는 크레인과 붐 구성을 정의하고 고객이 설정 한 시간 목표를 충족하며 농촌 지역은 물론 외딴 지역에서도 직면하고 있는 환경 제한 사항의 조합이라는 것이다.

 

시간을 제외하고 이러한 작업과 관련된 다른 문제가 있다. 즉 터빈은 바람이 많이 부는 지역에 설치되며, 크레인을 최대 용량까지 사용하면 바람의 영향이 증가한다는 것이다. 크레인이 기술적으로 이를 수행할 수 있다고 하더라도 설치 파트너는 들어 올려지는 구성 요소를 계속 제어해야 합니다.

 

기상 조건 외에도 종종 오지 및 험한 지역에 터빈을 구축하여야 한다. 그리고 그 장소에 드나들 수 있는 프로젝트 현장의 지리적 특성으로 인한 물류도 있다. 즉 40~50대의 트럭 적재량은 예외적인 것이 아니라 더 많은 규칙이 되어야 한다.

 

풍력 터빈 설치와 관련된 또 다른 문제는 많은 국가에서 풍력 에너지를 위한 최적의 장소가 이미 사용되고 있다는 점이다. 그러므로 언덕이 많은 풍경이나 숲에서도 새로운 위치를 찾아야 하며, 크레인 설치 공간이 매우 제한적이라는 것이다.

 

1. 크레인의 선택

 

10년 전에는 주로 풍력 발전기를 설치하는데 대형 텔레스코픽 크레인 60~80t이 80~90m 타워에 풍력 터빈을 설치했다. 그러나 오늘날, 허브 높이가 140m 이상이고 무게가 100t 이상인 최신 풍력 터빈의 경우 크레인 750t 용량 이상의 격자 붐 크레인이 필요하다.

 

이 분야에서 가장 많이 사용되는 Liebherr의 750t LG 1750 격자 붐 모바일 크레인과 SX 붐 시스템이 있는 750t LR 1750 크롤러 크레인, 800t LR 1800-1.0 및 1,000t LR 11000 크롤러 크레인이다.

크롤러 크레인의 장점은 매우 높은 리프팅 용량을 제공하며 하중에 따라 이동할 수 있다는 것이다.

모바일 크레인은 공공 도로에서 이동 가능하며 빠르게 설치할 수 있고, 설치에는 크롤러 크레인보다 작은 공간이 필요하다. 그러나 리프팅 용량이 제한되어있어 최대 100m의 높이에 사용되고 있다. 그들은 또한 높은 타워의 하부 타워 섹션을 조립하는 데 사용되고, 곤돌라와 날개뿐만 아니라 상부는 크롤러 크레인(격자 붐)으로 조립한다.

풍력 에너지 프로젝트를 위한 크롤러 크레인에 대한 수요는 5년 전보다 더 높아지고 있으며, Tadano Demag 크롤러 크레인으로 600t CC 2800-2, Boom Booster가 있는 650t CC 3800-1 및 1,250t CC 6800-1등이 사용되고 있다. 또한, 인기 있는 PC 3800-1 크레인은 네덜란드 북해 마을 풍력 발전소에 두 개의 풍력 터빈을 세우는 데 사용되었다.

다른 유형에 비해 pedestal crane의 장점은 지면 평준화에 대한 준비가 덜 필요하고 한 작업 현장에서 다음 작업 현장으로 쉽게 이동할 수 있다는 것이다.

Tadano Demag에 따르면, 크롤러 크레인은 작업자가 최대 정격 리프팅 용량을 사용할 수 있도록 0~0.3°의 기울기를 가진 크고 완벽하게 직선형 지면이 필요하지만, PC 3800-1은 4개의 아우트리거 하중만 필요하다. 그리고 이러한 지면조차도 서로 완벽하게 정비될 필요가 없다. 그 이유는 아우트리거 실린더가 12x12m 지지 영역에서 최대 2.1°까지 문제없이 작은 차이를 보정 할 수 있기 때문이다. 이는 pedestal crane이 훨씬 적은 지면 준비가 필요하다는 것을 의미한다. 또한, 반경 12m에서 650t의 리프팅 용량과 최대 메인 붐 길이는 144m와 최대 팁 높이는 192m이다.

 

이것은 업계에 잠재력이 있는 크레인이다. 그러나 시장에 많이 있지 않기 때문에 고객들은 종종 알려진 크레인 솔루션을 선택하고 있으며, PC 3800-1로 무엇을 할 수 있는지 보여줄 수 있도록 고객에게 확신과 기회를 주는 것이 과제이다.

All Terrain Cranes은 풍력 프로젝트에도 사용되고 있으나 ​​소형 풍력 발전기를 설치하는 데 사용되며, AC 500-8, AC 700-9 및 AC 1000-9 모델들은 풍력 응용 분야에서 제조업체의 가장 인기가 있다. 특히 새로운 AC 450-7은 풍력 산업에서 소형 풍력 발전기를 설치하는데 사용할 것이다.

 

 

2. 집중적인 붐 개발

 

Demag CC 3800-1이 Boom Booster와 함께 풍력 터빈 설치에 자주 사용되고 있다. Tadano Demag은 Boom Booster가 메인 붐의 강성을 높여 크레인의 리프팅 용량을 최대 65.3%까지 높여 주고 있으며, CC 3800-1 크레인용 Boom Booster 세트는 24~102m 길이로 제공된다.

용접된 강구조물은 길이 12m의 최대 9개 섹션으로 구성되며 Demag 추락 방지 시스템이 표준으로 제공되며 크레인에 직접 장착할 수 있도록 설계되었다. Boom Booster 세트가 장착된 경우 CC 3800-1 크레인은 최대 훅 높이 174.5m에 도달할 수 있으며, 최대 92.5t의 하중을 들어 올릴 수 있다. Boom Booster 세트를 사용하면 750t 클래스 크레인의 전용 영역인 리프트를 처리할 수 ​​있다. 이러한 매개 변수 덕분에 이 다 기능적인 크레인은 일반적으로 140m 이상의 리프팅 높이가 필요한 대형 풍력 터빈을 세우는 데 특히 적합하다. 

 

Demag는 CC 8800-1 용 Boom Booster 세트도 제공하고 있다. 제조업체는 Boom Booster가 CC 8800-1 크레인의 리프팅 용량을 최대 90%까지 증가시킨다고 말한다. 그러나 CC 8800-1은 풍력 에너지 프로젝트에 자주 사용되지는 않는다.

 

Liebherr는 또한, 기계 기술을 향상시켜 응용 프로그램을 용이하게 합니다. 한 가지 예는 SX boom system으로, 제조업체는 750t LR 1750/2 및 LG 1750 격자 붐 크레인에 대해 더 높은 호이스트 높이와 리프팅 용량을 달성했다고 말한다.

 

SX boom system의 경우 크레인 모델 LR 1750/2 및 LG 1750의 메인 붐 하단 섹션에 3m가 아닌 3.5m 너비의 격자 섹션이 장착되어 있다. SX2 및 SX3 버전은 추가 확장이다. 이를 통해 폭 6m, 길이 14m의 2개 또는 3개의 격자 붐 섹션이 메인 붐의 하단부에 장착된다. 향상된 리프팅 용량 값은 750t 크레인을 약 1,000t의 리프팅 용량으로 한 단계 더 높은 등급으로 올릴 수 있다.

 

Liebherr은 최근에 완전히 조립된 발전기를 들어 올릴 수 있는 미국 크레인 전문 업체 Buckner Heavy Lift Cranes와 공동으로 개발한 LR 11000 크롤러크레인 용으로 SL8F2 boom system을 출시했다. 과거에는 108m의 허브 높이에 발전기를 설치하기 위해 3개의 호이스트가 필요했으나 최근에는 SL8F2 boom system이 개발되어 1개의 호이스트로 작업을 보다 빠르고 쉽게 경제적으로 수행할 수 있음을 입증하였다.

최종 제품은 더 높은 용량을 제공한다. 이 시스템은 고정 F 지브의 두 번째 버전과 SL붐 여덟 번째 버전으로 훅 높이가 114m인 253t의 리프팅 용량을 제공하여 전체 발전기 및 화물 취급 장비로 구성된 230t를 허브 높이 108m까지 끌어 올릴 수 있다.

SL8F2 boom system의 또 다른 장점은 지상에서 구동계 및 허브와 함께 조종석을 조립하는 것이 높은 고도에서보다 쉽고 안전하다는 것이다. Liebherr는 크레인이 데릭 시스템 없이 작동할 수 있으므로 특히 경제적이라고 말한다.  Liebherr는 또한 rotor blade yokes를 사용하여 개별 풍력 터빈 블레이드(wind turbine blades)를 설치하기 위한 SLGS single-line guiding system을 개발했습니다.

시스템은 부하를 향하는 측면의 메인 붐에 부착된다. 로프는 붐 헤드 상단에 고정되고 피벗 섹션 아래의 로프 윈치를 사용하여 장력을 가합니다. rotor blade yokes 외부에 두 개의 연결이 있는 케이블 풀리는 호이스팅 과정에서 붐 로프를 따라 움직입니다. 요크에 자체 전원 공급 장치를 사용하면 SGLS에 대한 두 개의 연결부가 장력을 받아 블레이드가 바람에 안정되고 허브에 설치하기 위한 올바른 각도로 이동할 수도 있다. 크레인 조종사는 LR 1750/2 및 LG 1750 크레인의 새로운 SX 시스템을 포함하여 기존의 모든 풍력 붐 시스템에서 SLGS를 개조할 수 있다. 전기 시스템과 소프트웨어만 추가된다. SLGS single-line guiding system은 풍력 터빈 설치 시장에서 긍정적인 반응을 보이고 있어 수요가 증가할 것으로 보인다.

 

3. 제한

 

풍력 터빈 제조업체가 더 큰 육상 풍력 터빈을 계속 출시함에 따라 크레인 부문이 풍력 에너지 시장에 서비스를 제공할 방법에 대한 한계에 도달하고 있는지에 대한 의문이 제기된다.

 

일반적으로 이런 높이에서 무게를 다룰 수 있는 시간 제약과 현재 크레인 용량을 기준으로 볼 때 한계에 도달하고 있는 것 같다. 따라서 우리 자신과 고객이 틀 밖에서 생각하는 것은 도전입니다. 그러나 높은 붐 길이와 함께 동적 안정성으로 물리적 한계에 도달하고 있으며, 더 큰 크레인이 이를 처리할 수 ​​있지만, 훨씬 더 많은 공간과 운송이 필요하기 때문이다.

풍력은 수년 동안 크레인 개발을 주도했으며 앞으로도 그렇게 될 것이다. 하지만 일반적으로 격자 붐 크레인의 리프팅 용량은 거의 무제한으로 볼 수 있다. 예를 들어 3,000t LR 13,000을 생각해보면 알 것이다. 그러나 우리의 임무는 가장 경제적인 크레인 사용을 위한 시스템을 개발하는 것입니다.

 

최근 들어 풍력 타워를 기어오르는 크레인이 개발되고는 있으나 그 사용은 한계에 있다. 즉 풍력 타워의 하중 문제와 기어오를 수 있도록 풍력 타워를 맞춤 생산이 이루어져야 한다는 것이며, 기존에 설치된 풍력 발전소를 유지관리하는 데는 풍력 타워의 하중 문제로 많은 어려움이 있어 가능성 유무에 대한 분석이 필요하다는 것이다.