一種海上風電安裝船功能設定與參數選型

曹春潼

（江蘇龍源振華海洋工程有限公司，江蘇南通 226000）

0 引言

隨著化石能源逐漸枯竭，國際逐漸加大對非化石能源的開發和生產。近幾年國內對非化石能源的開發主要致力于風力發電。由于陸上風電各種因素的影響，當下海上風電的研發是全球風電發展的主要方向[1]。在海上風電建設過程中，先進、實用的施工裝備是影響建設效率、成本的關鍵。

歐洲市場對海上風電施工裝備的開發已有 20多年歷史[2]，已形成一套從研發、試驗、實驗、調整、改進等一套完整的體系流程。而國內對于海上風電施工裝備的研發尚處于初級階段。本文就海上風電施工裝備—自升式風電安裝船在功能設定和參數選取2個方面進行探討和研究，以使該種施工裝備適用于國內海上風電場施工需求。

1 功能設定

1.1 綜合要求

海上風電場主體結構—風機施工分為：基礎施工和上部風機安裝。用于海上風電施工的自升式風電安裝船存在定位、抬升、穩船等步驟共需2天～3天時間準備期，才能進行每臺風機的施工作業。鑒于此種情況國外海上風電市場的做法是每個海上風電場施工至少安排2個作業面，也就是至少需要2臺自升式風電安裝船進行施工才能保證最大施工效率。因此國外海上風電施工所設計的自身式風電安裝船通常功能較為單一，既僅具備一項施工能力：基礎施工或上部風機安裝能力。這樣會大大提高海上風電場的建設成本。鑒于以上情況，以及國內海域多砂質淤泥的特性導致自升式風電安裝船施工準備所需時間更長的特點，故為了滿足國內海上風電施工要求，該種自升式風電安裝船在一次準備期后（抬升后）既要完成基礎施工又需完成上部風機的吊裝施工，才能保證在一個作業面情況下的最大施工效率，即其既需具備海上風機基礎施工功能又需具有上部風機安裝功能。

圖1 基礎施工用自升式風電安裝船

圖2 備安裝用式風電安裝船

1.2 抬升功能

海上風機管樁基礎施工（傾斜度≤5‰）和設備安裝（螺栓孔錯位3 mm～5 mm）精度要求較高，常規浮式起重船受海上風、浪、流的影響無法滿足施工精度要求。故浮式起重船需具有抬升功能，將其抬升至水面以上以規避海風、浪、流的影響，來滿足施工精度要求，從而形成了新的施工裝備—自升式風電安裝船（又名自升式起重平臺）。抬升方式有鋼絲繩牽引式、液壓插銷式和齒輪齒條式[3]。

1.3 定位功能

自升式風電安裝船在抬升過程中由于對船體縱、橫傾斜度要求較高（＜0.3°），故在抬升時需要定位系統穩定船體，控制其水平面位移和縱橫傾斜。一般有2種方式來滿足要求：1）動力定位系統；2）系泊定位錨機。

1.4 起重能力

海上風機機型相對陸地較大，各大部件的總重量也很大，基礎的最大重量可達600多噸，自升式風電安裝船需要配備較大噸位的起重機來滿足施工要求。船用起重機一般有2種方式：360°全回轉起重機和不可回轉起重機（定臂架式）。起重機的起吊方式也有2種方式：單鉤頭吊重和多鉤頭吊重。

1.5 扶正導向架

由于海上風機管樁基礎施工精度要求較高：單樁傾斜度≤2.75‰、多樁傾斜度≤5‰。故自升式風電安裝需要配置一種特殊裝置——扶正導向架來保證管樁基礎施工的傾斜度要求。其應具有導向作業和糾偏能力。

2 參數選型

2.1 抬升系統

2.1.1 抬升方式

鋼絲繩牽引式抬升方式的缺點是：牽引系統復雜、操作繁瑣、效率較低、鋼絲繩容易磨損、維護成本高、故障率高等。該抬升方式在早期的自升式風電安裝船中得到少量應用。液壓插銷式抬升方式的特點：斷續抬升、液壓鎖緊系統穩定可靠、抬升效率相對較高、可靠性好等。故該方式在自升式風電安裝船中應用最為廣泛。

隨著鋼材冶煉技術、焊接技術、電控技術的快速發展，一種高效率、高可靠性的抬升系統：齒輪齒條式抬升系統在自升式風電安裝船中的得到應用推廣。其主要由驅動電機、減速箱、大模數爬升齒輪、大模數齒條式樁腿、電控系統共組成。該抬升系統具有連續抬升的特點，故其抬升效率非常大，也對于船體縱橫傾斜度調整具有快速反應能力，適合于國內多砂質淤泥海床的抬升工況[4]，大大降低施工風險。

圖3 抬升系統圖

2.1.2 抬升能力

根據初步設計自升式風電安裝船船型為：長76.8 m，寬42 m，型深6 m，設置4套抬升系統。船體部分和起重機部分共重8 000 t，考慮抬升后預壓能力12 740 t，故每套提升系統抬升額定能力為3 185 t。每套抬升系統設置10臺驅動電機，每臺電機額定抬升能力375 t。考慮10臺驅動電機的配合效率 85%，故總每套抬升系統額定能力為 3 750×10×85%≈3 185 t。抬升速度可達0.3 m/min。

2.2 定位系統

鑒于動力定位系統的昂貴價格，本自升式風電安裝安裝船擬定采用系泊定位錨機進行海上抬升定位，共設置4臺電動定位錨機，船首2臺、船尾2臺。

為了在風場海域風、浪、流的影響下滿足施工要求，根據計算每臺電動定位錨機的額定能力為30 t，并配置一個3.5 t DELTA大抓力錨。為滿足30 m水深作業需求，錨繩長度選定為450 m。

2.3 起重系統

由于自升式風電安裝船抬升后不能移動調整起重作業的角度和位置，故自升式風電安裝船配置的起重系統均為 360°全回轉方式。其它參數配置如下：1）額定起重能力為800 t，可滿足近海4 MW單管樁基礎起重作業和6 MW風機設備起重作業需求；2）起吊方式采用雙鉤起吊，既可滿足單管樁基礎雙鉤起吊和調整傾斜度要求，也可雙鉤并用起吊大型風機設備要求；3）最大起吊高度為甲板上108 m，配合抬升高度可滿足海生6 M左右機型風機吊裝作業高度要求；4）副頭起重能力100 t。

圖4 起重系統圖

2.4 扶正導向架

2.4.1 結構

近海風電場管樁基礎由單管樁基礎和多管樁基礎兩種形式。所以本自升式風電安裝船設計了2套扶正導向架系統：單管樁扶正導向架和多管樁扶正導向架。采用法蘭和高強度螺栓連接于船體甲板上，可根據需要更換來滿足2種管樁基礎施工要求（見圖5）。

國內已建風電場（龍源電力如東150 MW海上潮間帶風電場）單管樁基礎采用無過渡段結構（精度要求≤3‰），有別于國外有過渡段單管樁基礎（精度要求≤8.6‰）。故本自升式風電安裝船配置的單管樁扶正導向架采用雙層結構，采用兩點確定一條線的原理來提高單管樁沉樁精度控制，也有別于國外設計的單層抱樁器結構。

圖5 扶正導向架圖

2.4.2 參數選定

單管樁扶正導向架雙層層高設計為7 m，采用液壓油缸驅動，前后伸縮形成2 m，左右擺幅±1°。可保證扶正導向架伸出沉樁完畢，收回后自升式風電安裝船下降時不會與風機基礎干涉。也可保證單管樁沉樁時傾斜度控制最大調整能力。

每層扶正導向架360°均布4個100 t電動千斤頂，抱樁直徑范圍4 m～6 m。根據近海地勘資料計算，可滿足4 MW單樁基礎3‰范圍內傾斜度調整時的推力要求，以及4 MW單管樁基礎的直徑要求。

3 結論

本文針對一種適用于國內沿海工況的自升式風電安裝船的功能設計和參數選型進行了探討，通過以上分析配置，該自升式風電安裝船具有如下優點：1）集近海風電場基礎施工和上部風機安裝功能于一身，在一次準備期后（一次抬升后）即可完成風電管樁基礎施工和上部風機安裝施工，無需多次升降作業。大大提高近海風電施工效率，可達4～6臺套/月。2）適用近海4 MW風機單管樁基礎施工，也適用近海6 MW多管樁基礎施工。3）最大起重能力雙鉤800 t，起重高度甲板上108 m，配合抬升高度，可滿足近海6 MW風機作業高度和起吊重量要求。4）有管樁基礎施工扶正導線功能，可保證單管樁基礎傾斜度≤2.75‰，多管樁基礎≤5‰。本文針對該類型自升式風電安裝船的探討，為我國近海風電場開發所需施工裝備的研發提供了嶄新的方向。