海上風電場運輸甲板駁船系泊方案研究

成海亮，李卓，蘇冠瑜，勞軍

（1.中遠海運物流供應鏈有限公司，北京 100020；2.江蘇金風科技有限公司，江蘇 鹽城 224000）

在歐美等一些發達國家，因為風場海況惡劣，風電安裝運輸的現存資源有限，大多數項目采用兼顧運輸和安裝的自升式風電安裝船進行風電機組的運輸與安裝；而在國內通常都是采用甲板駁船運輸+自升式安裝船的方式來進行海上風場的建設。自升式安裝船在吊裝安裝的過程中所處的海況復雜，如果甲板船舶運動幅度過大，一旦發生吊裝事故，危害性是不可估量的，不僅會造成重大的人員傷亡和延誤海上風電場投產并網的時間，而且會對海上環境造成污染，因此，在吊裝安裝的過程中如何使風電設備運輸甲板船在預設位置系泊且保持穩定，是風電機組運輸和吊裝安裝所面臨的重要課題。本文通過對目前海上風電場甲板運輸駁船常用的系泊方案研究，對典型的海上系泊方案進行數值模擬分析，為海上風電場運輸甲板船的系泊方案提供一定的理論依據和實踐指導。

1 風電設備運輸甲板船海上系泊方案

在海上風電場中常見的運輸甲板駁船定位系泊方式有如下幾種：四錨定位系泊、運輸駁船-船運輸駁系泊及運輸船舶-樁系泊[1]。

1.1 四錨定位系泊方案

運輸甲板駁船四錨定位系泊是用錨、錨纜和纜繩將運輸甲板駁船系留于指定安裝海域，限制環境外力改變船舶的狀態，使其保持在預定位置上的定位系泊方式，以減少運輸甲板船舶過度運動，來滿足風電設備吊卸安裝要求。四錨定位系泊與動力定位相比，其優勢在于它所需投資較少、使用維護方便、安全性高等。因此，四錨定位系泊系統在海上風電和工程船舶作業中廣為應用。

圖1 運輸駁船的四錨定位系泊布置方案

1.2 船-船定位系泊方案

考慮到風場卸貨的相接順暢，施工方設置大噸位船舶（稱老錨船）的?？吭陲L場，用于被運輸甲板駁船搭靠系泊所用，老錨船（被靠駁船）采用四錨定位系泊；運輸甲板船（靠泊船）通過船用纖維纜與老錨船（被靠駁船）系泊，并在船艏和船艉各拋下一只錨，其系泊纜和交叉纜的方案如下圖所示：

圖2 船-船系泊布置方案

1.3 船-樁定位系泊方案

靠船樁可以分為兩大類：①由多根樁組成的剛性靠船樁，在受撞擊過程中變形很小，撞擊能量主要由橡膠護舷吸收；②柔性靠船樁，在受撞擊過程中變形較大，船舶撞擊能量由樁的變形和橡膠護舷共同吸收，在海上風電場，船-樁定位系泊通常選擇在風機安裝位置靠駁船一側臨時安裝兩根或四根靠泊樁，運輸駁船側靠在靠泊樁上，并通過交叉系泊纜連接，如下圖所示。

圖3 船-樁系泊布置方案

2 海上風電場系泊系統評價指標

海上風電甲板運輸駁船系泊系統的評價指標主要考慮運輸甲板船舶的運動幅度和系泊系統安全性兩方面，其指標主要包括船舶的平動自由度運動量（船舶縱向位移、橫向位移及升沉），船舶的橫搖角及系泊纜的最大張力：

2.1 船舶四個自由度的運動幅度

海上風電安裝時，風場作業條件要求比較嚴苛，其作業窗口條件主要靠經驗積累或相關數值仿真計算，受裝卸工藝的限制，運輸甲板船在吊裝前需要完全被系泊系統約束，如運輸甲板船舶發生較大運動時，可導致無法完成吊裝作業，在非橫浪工況下船舶作業允許運動量標準如表1所示[2]。

表1 船舶允許運動幅值標準

2.2 系泊纜的張力

根據API 2SK 2005 和GL NOBEL DENTON 的系泊指南，風電機組設備在海上過駁吊裝時，運輸甲板駁船為臨時系泊，采用系泊纜繩的張緊力應小于其最小破斷力，采用動態分析方法，其系泊張緊力的安全系數為1.67。

3 運輸甲板船舶海上系泊系統建模分析

本文以DWT5000 噸運輸甲板運輸船舶的為例，對運輸甲板駁船的三種典型定位系泊方式進行計算分析，運輸甲板駁船及被靠駁船（老錨船）的基本參數如表2所示：

表2 不同載重噸的甲板駁船基本參數

3.1 系泊纜的性能參數

本文分析的海上風電運輸甲板船配備無桿錨霍爾錨，錨重為6 噸。

表3 系泊纜的性能參數

3.2 海況環境

為了分析運輸甲板駁船的在海上風電場常用系泊系統的運動響應及安全性，本文以DWT5000 噸甲板駁船為例，模擬計算了常用定位系泊系統在四種海況環境條件下的運動響應幅值，四種海況作業環境條件有義波高分別0.5m、1.0m、1.5m 和2.0m，采用JONSWAP 波浪譜進行模擬。

3.3 系泊系統模型建立

利用水動力軟件建立了不同載重噸的甲板駁船水動力模型，艏樓建筑根據外部尺寸進行簡化處理，建立好的船舶系泊系統水動力模型如圖4、圖5所示。

圖4 船-船系泊水動力模型

圖5 船-樁系泊水動力模型

4 計算結果分析

因風場的浪向較為有規律，且不許可橫浪工況下作業，因此在結果分析中，僅提取分析非橫浪作用下的系泊系統的運動響應及受力情況進行分析和研究。

表4 四錨定位系泊下5000 噸駁船的運動幅值和纜索張力

表5 船-船系泊下運輸駁船的運動幅值和纜索張力

表6 船-樁系泊下運輸駁船的運動幅值和纜索張力

5 結論

（1）在1.5m 的波高以下，四錨定位系可滿足系泊安全性要求，但運輸駁船的運動量較大，為了減低系泊甲板船的運動幅度，提高機組起吊安裝的作業波高，還需要進一步對系泊系統進行優化。

（2）在1.5 米波高作業環境下，下船-船系泊的系泊纖維纜繩，其最大張緊力達到了490ton，相應的安全系數為0.4，遠遠低于規范的要求。因此選擇雙船系泊作業時，盡量選擇在風浪流條件較為溫和的情況下進行，避免在波高等于或超過1.5 米的情況下進行，以確保海上作業的安全。

（3）DWT5000 噸甲板駁船依靠有限個系泊樁系泊存在一定的風險性，且隨著外部環境條件的愈加惡劣，纜繩的張緊力增加越大，超出了規范要求的安全系數，而在輔助樁與船舷外側的接觸處亦會發生較大的碰撞力，引起輔助樁的設計直徑和強度要求相應加大。

通過對DWT5000 噸甲駁船在典型系泊方案下進行船舶運動響應分析，從系泊安全性、船舶運動的幅度的約束效果和海上系泊施工便捷性等多方面考量，船-船系泊和船-樁系泊方案，需要設置較多的系泊纜繩，如在船間舷側系上交叉和平行纜繩，還在靠泊船的艏艉各拋出一根纜繩，不如四錨系泊方案的簡易便捷，且僅適用于海上風浪流環境條件比較溫和的和臨時停泊的情況（1.0 米波高以下），通過本文的研究，在海上風電場推薦使用單船四錨系泊方案。其次，在溫和的水域謹慎使用船-船系泊方案。船-樁系泊方案則不宜推薦。