海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船功能及船型研究

楊鈴玉

摘 要：風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，海上風(fēng)電場(chǎng)具有高風(fēng)速高產(chǎn)出等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到越來(lái)越多的關(guān)注，隨著海上風(fēng)電場(chǎng)的逐漸發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行維護(hù)問(wèn)題隨之而來(lái)，海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船是維護(hù)人員開(kāi)展維護(hù)任務(wù)必不可少的交通工具，本文對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船的功能進(jìn)行分析，從而確定并羅列了相應(yīng)的維護(hù)船船型，為海上風(fēng)電場(chǎng)的維護(hù)船船型設(shè)計(jì)奠定了一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電場(chǎng) 維護(hù)船 功能分析 船型研究

中圖分類號(hào)：U674 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（b）-0028-02

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，由于海上風(fēng)能資源豐富，且海上的風(fēng)速更高，所以海上風(fēng)電場(chǎng)相比陸上風(fēng)電場(chǎng)可以提供更多的電能輸出。近幾年人們逐漸將視線轉(zhuǎn)移到海上風(fēng)能的開(kāi)發(fā)。對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)而言，許多技術(shù)挑戰(zhàn)來(lái)自于對(duì)其安裝、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)方面，風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)任務(wù)主要包括維護(hù)人員交通和登離風(fēng)電塔基并定期進(jìn)行巡檢以及更換損壞部件。隨著距陸地距離越遠(yuǎn)導(dǎo)致水越來(lái)越深，海上風(fēng)況也越來(lái)越復(fù)雜，由于海上基礎(chǔ)建設(shè)和海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)成本極高，占據(jù)能源成本的20%[1]，為此，考慮到風(fēng)電場(chǎng)常受到風(fēng)浪和潮汐的影響，同時(shí)改善和提高維修人員登離塔基的安全性和可能性，有必要對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船功能及船型進(jìn)行研究，以提供安全、經(jīng)濟(jì)、高效的維護(hù)交通工具，提高海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)效率和效益。

1 風(fēng)電維護(hù)船功能定位和使用要求分析

1.1 功能定位

風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)主要包括維護(hù)人員交通以及定期檢修和更換部件，所以維護(hù)船是風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)展日常維護(hù)工作必不可少的專用工具，體現(xiàn)在：一方面要承擔(dān)對(duì)維護(hù)人員安全登離風(fēng)電塔基的任務(wù)；另一方面需要搭載相應(yīng)的檢修裝備及部件，能夠確保維修工作的進(jìn)行。

1.1.1 安全適航功能

由于風(fēng)電場(chǎng)水域開(kāi)闊，惡劣海況相對(duì)頻發(fā)。為了做到有計(jì)劃地對(duì)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，且及時(shí)處理運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的突發(fā)事件，因此要求維護(hù)船具有較好的適航性能以及較好的抗風(fēng)浪能力。在保證安全的前提下，要求維護(hù)船具備一定的快速性能以及較好的船位控制和靠泊能力，使得維護(hù)船能夠安全?？吭陲L(fēng)電塔基的基座上，以保證維護(hù)人員能夠安全登上塔基進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)工作，避免由于故障時(shí)間導(dǎo)致的成本損失。

1.1.2 平臺(tái)搭載檢修設(shè)備功能

維護(hù)船是搭載專業(yè)維修人員以及相應(yīng)的檢修設(shè)備及配件至故障點(diǎn)及時(shí)解除故障的必要的交通工具，因此在維護(hù)船上需要裝配有相應(yīng)的起重設(shè)備和配件，以便能夠及時(shí)更換損壞零件[1]，同時(shí)也需要維護(hù)船具有較為寬敞的甲板來(lái)承載相應(yīng)的裝備。

1.2 使用要求

1.2.1 航速

海上風(fēng)電場(chǎng)距岸一般在10～60km。為了盡可能減少維護(hù)人員在途時(shí)間，因此對(duì)維護(hù)船航速也有一定的要求。以東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)為例，其最北端距離南匯嘴岸線約6km，最南端距岸線約13km，且其東西向和南北向距離約5km。根據(jù)日常維護(hù)工作需要，希望1h內(nèi)能達(dá)到任一風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔基處，即航速不低于13km/h。考慮該海域潮流（約11km/h）和風(fēng)速的影響，維護(hù)船設(shè)計(jì)航速不小于25km/h為宜。對(duì)于遠(yuǎn)距離的深海風(fēng)電場(chǎng)，維護(hù)船航速則有更高的要求。

1.2.2 作業(yè)

根據(jù)中國(guó)沿海風(fēng)電場(chǎng)海域風(fēng)級(jí)和波浪統(tǒng)計(jì)資料，結(jié)合運(yùn)行維護(hù)實(shí)際需要，在6級(jí)風(fēng)的情況下，維護(hù)船能夠進(jìn)行船位控制、人員登離等安全作業(yè)。

1.2.3 艙室

根據(jù)陸上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)情況，結(jié)合海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)需要，維護(hù)船要求能夠搭載維護(hù)人員5組（每組2人，且隨身攜帶小備件），即要求設(shè)置10座乘員艙室及輔助設(shè)施。對(duì)于需要攜帶大量備品、備件和小型設(shè)備的維護(hù)船，可以設(shè)置儲(chǔ)物堆場(chǎng)和小型起重機(jī)。

2 船型研究

海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船作業(yè)能力反映在：一是快速安全航行以及在大風(fēng)浪下能夠安全出航的能力；二是搭載相應(yīng)的維護(hù)裝備的能力；三是可靠的登離裝置能夠搭載維護(hù)人員的能力。維護(hù)船安全航行的能力主要由其總布置、主尺度、裝機(jī)功率及推進(jìn)方式等來(lái)決定；搭載維護(hù)裝備的能力通常由船型要素，船型設(shè)計(jì)以及甲板面積等來(lái)決定；可靠的登離裝置能力由專門的輔助登離裝置來(lái)保證。為此，船型方案應(yīng)當(dāng)側(cè)重快速性、適航性以及寬敞甲板這三方面進(jìn)行構(gòu)思。

根據(jù)維護(hù)船的功能定位以及分析單體船、雙體船和三體船的特點(diǎn)，研究適應(yīng)海上風(fēng)電場(chǎng)不同要求的維護(hù)船船型方案。

2.1 高速單體船型方案

在海況相對(duì)正常的情況下，為了縮短風(fēng)電維護(hù)人員在航時(shí)間，維護(hù)船可采用高速船型方案[2]（見(jiàn)圖2）。該船型主船體為單體圓舭折角型式[3]，有較大的長(zhǎng)寬比和舭部升高，以提高快速性能；船尾裝備2臺(tái)套可調(diào)螺距推進(jìn)裝置和2只懸掛式流線型平衡舵，船首設(shè)置1臺(tái)套側(cè)推裝置，以達(dá)到船位控制操縱的目的。

該方案在滿足維護(hù)人員乘用和船員正常工作以外，主甲板以上設(shè)簡(jiǎn)易輕質(zhì)甲板室，一方面進(jìn)一步改善船舶性能；另一方面可提供足夠的首甲板空間，用于布置輔助可調(diào)節(jié)登離裝置，提高登離時(shí)的安全性。

2.2 中速單體船型方案

在較大風(fēng)浪海況情況下，為了提高船舶的操縱性能，維護(hù)船可采用中速船型方案（見(jiàn)圖3）。該船型采用2臺(tái)套全回轉(zhuǎn)舵槳操縱推進(jìn)裝置，以保證船位的控制和航海性能。

該方案在滿足維護(hù)人員乘用以外，主甲板以中部留有較寬敞的備件堆放甲板，并設(shè)有1臺(tái)套全回轉(zhuǎn)液壓折疊式小型起重機(jī)，以送達(dá)風(fēng)電塔筒平臺(tái)。

2.3 高速雙體船型方案

高速雙體船型片體細(xì)長(zhǎng)，阻力性能較好，甲板寬敞，抗風(fēng)浪能力較強(qiáng)，橫搖角較小。該船型非常適合較大風(fēng)浪海域高速航行，但由于存在兩片體，機(jī)艙設(shè)備布置和管理較不便。

穿浪雙體船型與常規(guī)雙體船型相比，其最大優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為耐波性更好；其不足之處是船體幾何形狀和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且艙室設(shè)備布置困難。針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況及維護(hù)船的使用要求，在常規(guī)雙體船的基礎(chǔ)上，吸取小水線面雙體船的優(yōu)點(diǎn)，采用相對(duì)長(zhǎng)度較大的球首和球尾船型[5]（如4所示），以獲得優(yōu)良的快速性能和耐波性能。

2.4 中高速三體船船型方案

三體船型最先由英國(guó)提出，它由一個(gè)主體和兩個(gè)側(cè)體組成，兩個(gè)側(cè)體對(duì)稱布置于主體兩側(cè)[4]。本文所設(shè)計(jì)的中高速三體船側(cè)體排水量占總排水量的比值相對(duì)較大，為12%，增大側(cè)體的大小從而提高甲板的利用率，并且也有利于主機(jī)的布置。跟單體船和雙體船相比，三體船在快速性、耐波性、穩(wěn)定性、安全性以及可布置性方面均具有優(yōu)勢(shì)，但其自身也存在著一些不足。由于目前并沒(méi)有專門的三體船規(guī)范，因此給設(shè)計(jì)帶來(lái)了一些不便，通常在設(shè)計(jì)時(shí)均參照相關(guān)高速船規(guī)范，本文所設(shè)計(jì)的三體船的模型如圖5所示。

3 結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行維護(hù)是保證其效益穩(wěn)定產(chǎn)生的重要基礎(chǔ)工作，其維護(hù)船是維護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)必不可少的交通工具。

本文根據(jù)海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船的功能進(jìn)行了分析，并根據(jù)相應(yīng)的功能需求分析了幾種合適的船型。所進(jìn)行的維護(hù)船功能需求分析和船型研究，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)及其效益的發(fā)揮具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[3] 謝云平，姚誠(chéng)鈺，姚偉.圓舭折角高速船型線參數(shù)化設(shè)計(jì)及其阻力性能分析[J].船舶工程，2012，34（4）：21-23.

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[5] 張秀萍.海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船船型及相關(guān)性能研究[D].江蘇科技大學(xué)，2014.