風電安裝平臺坐底穩性評估技術

朱亞洲, 呂宏偉, 張曉宇, 樊巖松, 孫友杰， 姜 濱， 秦洪德

(1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國石油渤海裝備遼河重工有限公司， 遼寧 盤錦 124010； 3.中國石油渤海裝備研究院 海工裝備分院， 遼寧 盤錦 124010)

風電安裝平臺坐底穩性評估技術

朱亞洲1,3, 呂宏偉2, 張曉宇3, 樊巖松3, 孫友杰2， 姜 濱1， 秦洪德1

(1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國石油渤海裝備遼河重工有限公司， 遼寧 盤錦 124010； 3.中國石油渤海裝備研究院 海工裝備分院， 遼寧 盤錦 124010)

風電安裝平臺是專門用來在近海、潮間帶地區進行風力發電機組安裝的專用功能船舶。該文結合“遼河一號”風電安裝平臺坐底安裝，一船多用的典型特點，對其坐底穩性評估技術進行研究。通過編制程序，可以快速實現環境載荷計算，優選波浪參數與地質條件的合理匹配，為工程作業提供必要的技術參考。

坐底穩性 風電安裝 載荷計算

1 引言

隨著社會經濟地不斷發展，能源危機和環境問題日益凸顯，氣溫升高，海平面上漲，空氣質量下降，氣候異常等現象嚴重影響社會經濟的可持續發展。世界環保組織和能源機構規劃要求進一步優化能源結構，降低化石能源所占比重，大力發展清潔能源。近年來，風能發電作為可再生的清潔能源，已逐步優化能源結構，在新能源產業的各子行業中，風能發電是清潔能源的重要組成部分。我國海上風電的發展滯后，正處于起步階段，東南沿海地區對能源需求更為迫切，未來一段時期內，在需求拉動政策的引導下，淺海和潮間帶區域是海上風電發展的重點[1]。目前，海洋風電設備安裝技術薄弱是制約海上風電發展的瓶頸。

海上風電安裝通常有浮式安裝船錨泊定位的漂浮作業，升降樁腿式平臺的插樁定位作業和船舶被動式搶灘的擱淺定位作業三種方式[2]。上述三種作業形式功能單一，需要多艘輔助船舶支持協調作業才能完成任務，“海洋36”是典型的被動式擱淺定位作業船舶，借助潮漲潮落及船舶自重，實現擱淺作業。本文研究的“遼河一號”風電安裝平臺是基于壓載艙配載，實現平臺主動式坐底作業，作業原理異于上述傳統作業形式，“遼河一號”風電安裝平臺采用的主動式壓載坐底作業形式屬于國際首創，極大地拓展了該平臺的作業范圍，提高了作業效率，節約了安裝成本。對于淺水區域，主動式坐底作業方式無需樁腿、樁靴及升降鎖緊裝置，降低建造技術上的難點，建造成本同浮式起重船類似，一次性投資小，在建造成本上具有較大的競爭力。本文研究的“遼河一號”風電安裝平臺在風機安裝作業時處于坐底狀態，最大程度上滿足吊機工作要求，降低了天氣和海況對吊機工作的影響，為縮短海上風電場安裝作業周期、降低海上風電場的建設風險、控制海上風電場的施工成本創造先決條件。

“遼河一號”風電安裝平臺設計建造適應目前我國風電場水深5.0 m～200 m，可根據風電場海況選擇坐底或漂浮作業。淺水區域內，可實現全船坐底作業，相對于浮吊安裝作業，此種作業形式具有就位精度高、海上組裝安全性高、不需要額外工裝保護措施及一次成功率高等優點。對全船坐底穩性，需要綜合評估平臺壓載后海底地基的承載能力；坐底后平臺在風浪流環境條件及吊重等聯合作用下，評估平臺抗側滑和抗傾覆能力；平臺作業完畢后，計及海底土壤吸附力及波浪垂向力等因素影響，評估平臺起浮能力等。上述評估因素互相制約，互相影響，因此，對平臺的坐底穩性評估提出了非常高的要求，而目前各國船級社的規范標準尚未給出坐底式作業平臺的坐底穩性評估方法，通過本文研究，應用AQWA水動力計算軟件建立波流環境模型和船體坐底三維模型，計算出不同工況下的波流載荷值，基于船級社規范推薦的海工平臺風載荷計算經驗公式計算得到風載荷值，基于插值計算原理，編制計算程序獲取任意水深、不同風浪流組合情況下的環境載荷組合，并結合海洋地質勘探所得到的土層參數，綜合評估該平臺坐底穩性，為“遼河一號”風電安裝平臺實現“立得住、坐得穩、起得來”的作業目標提供了強有力的技術支撐，更為各國該類坐底式平臺的坐底穩性評估提供技術參考。

2 地質及海況資料

在設計初始階段，需要對風電安裝平臺作業海域地質進行調研，通過對地質條件及海況資料進行搜集研究。結合項目特點，以南堡1-10井位作為本風電平臺的典型地質條件，具體設計參數見表1。

表1 南堡1-10井位土層強度設計參數

3 風、浪、流載荷及傾覆力矩

3.1 風載荷

按照中國船級社規范要求[3]，結合經驗公式，風載荷計算如下：

P=0.613V2

Fi=Ch·Cs·S·P

M=F·Z

式中：V為設計風速(m/s)；P為風壓(Pa)；Ch為暴露在風中構件的高度系數；Cs為暴露在風中構件的形狀系數；F為平臺所受總的風傾力(t)；M為風傾力矩(t·m)；Z為風傾力臂(m)。

結合規范計算，求解平臺風載荷，求解結果如表2所示。

表2 風載荷計算結果

3.2 波流載荷

參照風電平臺主要尺度參數，運用多體水動力分析軟件AQWA，建立波流載荷計算模型，如圖1所示?；趧萘鞯娜S面源法，數值解算該平臺結構物坐底作業時在指定作業海況下的波流載荷。將波流參數進行系列化，利用分析軟件可以得到不同參數下的波流載荷，如圖2 ～圖4所示。

圖1 AWQA水動力計算模型 圖2 橫向載荷水深、波高關系曲線

圖3 橫向載荷矩與水深、波高關系曲線 圖4 垂向載荷與水深、波高關系曲線

3.3 吊機傾覆力矩

參考吊機廠家提供吊機作業參數，可選取吊機吊重彎矩14 000 t·m進行校核評估。

4 抗傾穩性校核

抗傾覆力矩：

M抗

外力傾覆力矩：

M外=M波流+M風載+M吊重

抗傾覆能力：

式中：W為某工況下平臺總重(t)；B接觸為船寬方向接觸長度，取為31.82m；M波流為波流載荷水平力矩(t)；M風載為風載荷矩(t-m)；M吊重為吊機工作力矩(t-m)，按500t吊重，28m吊臂選取。

按照上述公式及載荷計算結果即可進行抗傾穩性校核。表3為5.5m和9.5m吃水作業工況某環境條件下進行的抗傾穩性校核結果樣例。

表3 抗傾穩性計算表

5 抗滑移穩性校核

抗滑力：

F抗滑力=F對地壓力×Cf+Abott×Cv

滑移力：

F滑移力=F風載荷+F波流載荷

抗滑移能力：

式中：F對地壓力為平臺總重與排水量差值(t)；Cf為摩擦力系數，取為0.12；Cv為粘結力系數，取為0.09；Abott為距基線300mm水線面面積，2 757.2m2。

按照上述公式及載荷計算結果即可進行抗滑移穩性校核。表4為5.5m和9.5m吃水作業工況某環境條件下進行的抗滑移穩性校核結果樣例。

表4 抗滑移穩性計算表 單位：t

6 地基抗壓能力校核

對地基最大壓應力：

地基承載能力：

式中：δmax為對地基最大壓應力(t/m2)；Disp為排水量(t)；Abott為平臺底部與地質接觸面積，取為2 757.2m2；IX為橫向慣性矩，取為213 714m4；B接觸為船寬方向接觸長度，取為31.82m。

參考土力學原理和海工經驗，粘性土的地基承載力通常為土壤剪切強度的9倍，即

P地基承載能力=9×Su=9×7=63 kPa

=6.42 t/m2

表5為地基抗壓能力計算表。

表5 地基抗壓能力計算表

7 起浮能力估算

地基吸附力：

F吸附力=(W總重-Disp)×Ca

起浮力：

F起浮力=W壓載水-(W總重-Disp)

式中：Disp為排水量(t)；W總重為壓載后總重(t)；W壓載水為壓載水重量(t)；Ca為吸附力系數，取為0.35。

表6為起浮能力計算表。

表6 起浮能力計算表 單位：t

8 結語

通過對平臺典型工況下坐底穩性進行評估，給出了平臺在典型工況下吊機全回轉作業時滿足抗傾、抗滑、地基承載能力及起浮能力要求下的風浪流組合及地質條件，明確了平臺作業環境條件，保障了平臺作業安全。同時，本論文也為類似平臺未來設計時坐底穩性評估方法給出有意義的借鑒和參考。

[1] 劉林,葛旭波,張義斌等. 我國海上風電的發展與技術現狀分析 [J]. 能源工程，2009,4：21-25.

[2] 姚興佳，隋紅霞，劉穎明等.海上風電技術的發展與現狀[J].上海電力,2007,2：111-118.

[3] China Classification Society Rules for Classification of The Offshore Mobile Units[R] . 2012.

AssessmentTechnologyofOn-bottomStabilityofWindTurbineInstallationUnit

ZHUYa-zhou1,3,LVHong-wei2,ZHANGXiao-yu3,FANYan-song3,SUNYou-jie2,JIANGBin1,QINHong-de1

(1.CollegeofShipbuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,HarbinHeilongjiang150001,China;2.ChinaPetroleumLiaoheEquipmentCompany，PanjinLiaoning124010,China；3.BohaiPetroleumEquipmentInstitute,OceanEngineeringInstitute,PanjinLiaoning124010,China)

Wind Turbine Installation Vessel is specialized in installing wind turbine generator system in the offshore area and intertidal zone. This article combines with the typical characteristics of LIAOHE No.1 Wind Turbine Installation Vessel and researches its assessment technology of On-bottom stability. Base on the programming, the environmental loads can be calculated quickly, the optimized wave parameters and the geological conditions can be reasonablely matched, which can provide a necessary technology reference for engineering operation.

On-bottom stability Wind turbine installation Loading calculation

朱亞洲(1982-)，男，工程師，在讀博士。

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