風電運維船登靠作業概率評估

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(1．北京高泰深海技術有限公司， 北京 102029； 2．南通風電運維海洋工程有限公司， 南通 226000)

0 引 言

2016年全球海上風電新增裝機容量近2 200 MW，累計裝機容量近14 300 MW，德國和荷蘭分列新增裝機容量排名的第一和第二，中國海上風電新增裝機容量592 MW，排名第三，累計裝機容量為1 627 MW。雖然歐洲目前處于領先地位，但中國的海上風電也在逐步發展。2016年12月，國家發展改革委員會印發《可再生能源發展“十三五”規劃》，提出加快推進已開工海上風電項目建設進度，積極推動后續海上風電項目開工建設，鼓勵沿海各省區市和主要開發企業建設海上風電示范項目，帶動海上風電產業化進程。同時，國家能源局出臺的《風電發展“十三五”規劃》也提出，要積極穩妥地推進海上風電建設，到2020年，全國海上風電開工建設規模達107kW，力爭累計并網容量達5×106kW。中國海上風電發展趨勢是穩中求進。在未來幾年，隨著海上風電技術的不斷進步，海上風電開發成本會進一步降低，中國海上風電可能會取得更快的發展[1-2]。

海上風電運維船是用于海上風力發電機組運行維護的專用船舶。該船舶在波浪中應具有良好的運動性能，在航行中具有很好的舒適性，能夠低速精準地靠泊至風力發電機組的基礎，防止對基礎造成較大沖擊，并能夠與基礎持續接觸，安全便利地將人員和設備運送至風力發電機組;船舶甲板區應具有存放工具、備品備件等物資的集裝箱或風力發電機組運維專用設備的區域，并可以進行脫卸;船舶還應具有運維人員短期住宿生活的條件和優良、舒適的夜泊功能。

在國外海上風電運維過程中，專業運維船作為最重要的可達性裝備被普遍應用于各海上風電場，由單體船、雙體船和三體船等船型組成。國內海上風電剛剛起步，運維船尚處于起步階段，迫切需要對運維船作業能力進行專業的分析評估。當前針對海上風電運維船，乃至安裝資源都缺乏基于特定海域海況分析得出的作業概率及作業能力評估以作為施工決策依據，相關工作的開展還多基于工程經驗手段。目前國內海上風電安裝乃至海洋工程領域對安裝資源是否能在作業海域進行作業、作業能力如何都缺乏科學的分析手段。

本文首次針對風電運維船展開作業能力評估研究，對目標雙體風電運維船(后文簡稱運維船)在江蘇海域的作業能力和作業概率評估展開分析研究，相關方法對風電運維船和其他風電作業船作業能力評估具有一定的借鑒意義，對于保證海上風電安裝和運維安全有一定的指導意義。

1 運維船基本信息

目標運維船基本信息見表1。該運維船為雙體船，總長為28 m，型寬為10.8 m，作業吃水為2.2 m。船首配備運動補償裝置，不具備動力定位能力，登船裝置運動補償能力為2 m。運維船登靠的風機登船平臺距水面5 m。

表1 運維船基本信息

圖1 目標海域位置

2 環境條件

環境條件數據參考《西北太平洋波浪統計集》[2]，目標海域[3]為Y2，如圖1所示，其緯度范圍為31.7°N～35.0°N，經度范圍為119.2°E～125.0°E。該海域主要位于長江口以北的江蘇外海。Y2海域全年有義波高與平均跨零周期散布情況見表2，該海域全年4個季節有義波高與平均跨零周期分布見表3。Y2海域有義波高Hs=0.3～3.6 m，對應平均跨零周期Tz=4～7 s，分季節有義波高主要集中在0.3～2.2 m，該海域的海況較為溫和。

表2 Y2海域全年有義波高與平均跨零周期散布

圖2 Y2海域全年及分季節波浪方向分布

表3 Y2海域分季節有義波高與平均跨零周期分布

Y2海域全年及分季節波浪方向分布如圖2所示。由圖2可知，該海域波向方向特征明顯，以西北-東南向為主，春夏以東南向為主，秋冬以北-西北向為主。

3 分析方法

3.1 基本假設與分析方法

本文針對目標運維船在黃海海域登靠風機進行運行維護的作業概率進行分析方法研究，考慮到實際分析需要，作出以下基本假設：

(1) 運維船以頂靠方式接近風機實現人員登靠，船舶不具備動力定位能力，因此假設運維船在迎浪、隨浪方向能實現順利登靠；

(2) 考慮到該海域波浪主方向較為穩定，因此假設風機登船平臺位于平臺的東南向；

(3) 考慮到運維船靠泊后人員登爬風機至頂部機艙進行作業，該作業在很大程度上需在風速較小的條件下開展，因此假定當風速小于8 m/s時登靠風機平臺的運維人員可以正常登爬風機進行維護作業。

分析流程和方法如圖3所示。

圖3 分析流程

具體的分析步驟如下：

(1) 根據運維船船體型線圖建立水動力分析模型；

(2) 根據Y2海域環境條件建立全年、分季度的有義波高與譜峰周期TP關系；

(3) 確定全年、分季度的波向分布特性以及有義波高概率分布函數；

(4) 確定在各個海況作用下運維船登船裝置與風機登船平臺間的相對運動響應值；

(5) 結合波高概率分布函數以及波向分布，求出全年和分季度的運維船作業概率。

3.2 頻域水動力分析與運動分析

本文采用WAMIT軟件對運維船進行頻域水動力分析。WAMIT是基于三維勢流理論進行浮體和波浪相互作用分析的軟件，主要解決浮體在環境載荷作用下的運動響應、系泊定位、海上安裝作業、船舶航行以及波浪載荷傳遞等方面的問題[4]。運維船的水動力系數、幅值響應算子(Response Amplitude Operator, RAO)、一階波浪載荷等通過WAMIT軟件求解。運維船面源水動力計算模型如圖4所示。

圖4 使用WAMIT軟件建立的運維船面源模型

運維船在波浪作用下的時域運動響應使用OrcaFlex軟件進行計算[5]。WAMIT計算的水動力數據導入OrcaFlex中進行時域運動響應計算，計算結果考慮運維船登船位置與風機登船平臺的相對運動，計算模型如圖5所示。

圖5 OrcaFlex時域計算模型

4 運維船作業概率分析

4.1 運維船水動力響應特性

運維船運動響應RAO如圖6～圖8所示。由于該船尺度和噸位較小，波頻運動固有周期較小，集中在5 s附近，其在大波長范圍內的運動幅值較大，呈現隨波運動的狀態，在高海況下船體運動性能較差。

圖6 運維船縱蕩RAO

圖7 運維船升沉RAO

圖8 運維船縱搖RAO

4.2 全年及分季度海況作用下運維船運動響應

對運維船在全年以及分季節各個海況下的運動性能進行計算。此處僅給出全年計算工況和對應計算結果，見表4、表5，在全年海況下運維船登船裝置與風機登船平臺相對運動(簡稱相對運動)如圖9所示。由圖9可知，在全年海況作用下，考慮登船系統運動補償：當以相對運動有義值作為校核標準時，相對運動小于2 m，對應有義波高在1.6 m以下； 當以相對運動最大值作為校核標準時，相對運動小于1 m，對應有義波高在1.0 m以下。

隨著波浪周期的縮短，譜峰周期接近船體運動固有周期，低譜峰周期條件下波陡較大，此時運維船運動響應增大。

表4 Y2海域全年海況條件計算工況

表5 全年條件下運維船登船裝置與風機登船平臺相對運動計算結果

圖9 全年條件下相對運動有義值及最大值與波高關系

運維船在高海況條件下呈現明顯的隨波運動。圖10、圖11為TY 07工況下船體運動時域截圖，可以發現運維船在高海況下隨波運動，升沉運動明顯。

圖10 相對運動有義值與波高關系(船體位于波谷) 圖11 相對運動有義值與波高關系(船體位于波峰)

4.3 全年及分季度海況作用下運維船作業概率

根據第3節相關方法，計算運維船在Y2海域的全年及分季度作業限制波高與作業概率。計算結果表明：當以有義值作為校核標準時，運維船最大作業有義波高為1.6～2.6 m，譜峰周期越小作業限制波高越低，這與之前的運動分析結果相一致；當以相對運動最大值作為校核標準時，運維船最大作業有義波高為0.8～1.2 m。考慮登爬風機的風速限制要求：當以有義值作為校核標準時，運維船最大作業有義波高為1.6 m；當以相對運動最大值作為校核標準時，運維船最大作業有義波高為0.8 m。

最終給出運維船在目標海域的全年以及分季度作業概率以及對應作業天數，見表6。

表6 運維船全年及分季節作業概率及可作業天數

當以相對運動有義值作為校核標準時，該船在目標海域全年的可作業天數在170 d左右：運維船在春季和夏季作業天數較多，分別為45 d和47 d；秋季和冬季作業天數略少，分別為37 d和33 d。當以相對運動最大值作為校核標準時，該船在目標海域全年的可作業天數在140 d左右：運維船在春季和夏季作業天數較多，分別為35 d和38 d；秋季和冬季作業天數略少，分別為31 d和24 d。

考慮到當前國內運維船通常作業時間為1～2 d，作業天數分析結果顯示該船具有較強的作業能力，能夠滿足相關海域的海上風機運維要求。

5 結 論

本文對一條雙體運維船在江蘇黃海海域的全年作業概率與作業天數進行研究，最終結果顯示該船在該海域有較強的作業能力，能夠滿足該海域海上風機的運維要求。

采用相對運動有義值和最大值作為作業能力校核標準最終得出的運維船最大限制波高區別較大。真實海況呈現較強的非線性和隨機性，在運維船上的人員登上風機平臺的過程中，船體時刻處于運動之中，考慮到人員安全，針對本文的運維船以及目標海域，具體建議見表7。

表7 目標運維船在Y2海域登靠建議

為了提高運維船的作業能力，可以考慮對運維船進行有針對性的主尺度優化設計，配備動力定位系統以適應不同波浪方向作用，提高運維船的登靠能力，同時建議運維船配備全面的天氣預報和檢測系統，以保障運維人員安全登靠。風機登靠平臺放置位置應充分考慮當地海域的主波向。