移動式海洋平臺風電改造多方案優選分析

柏 健,姜 偉,諸俊楷,李 森

(1.中石化勝利石油工程公司 鉆井工藝研究院,山東 東營 257017;2.中集來福士海洋工程有限公司,山東 煙臺 264001;3.北京數碼易知科技發展有限責任公司 鎮江分公司,江蘇 鎮江 212000;4.中國船級社 海洋工程技術中心,天津 300457)

0 引言

目前,我國海上風電安裝經濟效益顯著,產業前景非常好,在黃海、東海等海區有很多在建設的風場。海上風電場的建設也在逐步向深水區推進,從潮間帶逐步至40～50 m水深,廣東長樂區域已經出現50 m水深以上機位[1]。海上風電安裝對安裝的設備和工藝要求比陸上要高得多。早期的風電安裝采用簡化設施后的海洋石油工程施工船舶進行施工作業,或者通過浮式起重機或起重船進行施工[2]。近年來,海上風電投資的收益受經濟環境、投資方中標的施工風電場數量影響較大,如果新建專用的風電安裝船,投資很大,市場前景不明朗。

坐底式風電安裝船和自升式風電安裝平臺與浮式起重船相比,在波浪和水流作用力下穩性可調節,在安全性、操控性和經濟性方面具有優勢[3]。海上移動式石油平臺的優勢是可漂浮拖航移位,安裝高度可以利用本來就抬得很高的甲板或者吊機,達到預定風機安裝高度;改造工作量不大,投資小見效快,很適合改裝后用來進行風電安裝。所以,國內目前利用閑置的海洋平臺進行風電改造的項目很多。

本文根據坐底式和自升式平臺改裝風電安裝平臺的特點提出了各自的適用性,總結不同方案風電安裝時的薄弱環節,并根據不同作業工區選擇合適的方法,分析各方案經濟性,力求實現方案的優化和創新。

1 某半潛駁船風電改造方案

某非自航半潛駁船情況為:鋼質箱型船體,單底單甲板,四角塔樓,艏部左右塔樓橋接,無甲板室,設有8點錨泊定位設備,改裝后主要用于海上風電施工;半潛作業水深0～36.0 m,頂甲板高45.0 m,安全甲板高40.5 m。為了放置風電安裝設備,主甲板布置設備較少,適合放置輪轂、葉片等。

艏塔樓右舷安全甲板上設置電站,滿足全船用電需求。其余塔樓安全甲板上為空艙或設備間。艉左塔樓預留1 000 t全回轉起重機安裝位置及相應接口。艏艉塔樓之間設平臺甲板,高度與頂甲板平齊,供堆放貨物及人員通行。

平臺甲板指定位置能承受以下載荷能力:

(1)1個輪轂帶3個葉片:葉片300 kN/只,輪轂直徑6 m,重量1 600 kN,總重量2 500 kN。

(2)1個風機機艙:重量～2 000 kN/只。

(3)1個塔筒:重量1 500 kN/只。

平臺甲板靠艏布置1臺16 000 kN履帶吊,靠艉布置1臺4 000 kN履帶吊,可左右行走;回轉中心距船首約16 m,并在指定位置作業,即舷邊為作業位置,船中為拖航固定位置。

本船可坐底作業:從設計吃水下潛至最大沉深大約需要3 h;從最大沉深上浮至設計吃水大約需要2.5 h。

本平臺采用沉墊設計,沉墊底面積很大。該設計極大減小了對地壓強,對地基的適應性比較強,增加了安全系數。

當平臺到達指定風電安裝井位后,在沉墊和大立柱內注入壓載水,平臺整體下沉,利用底部的大沉墊坐底到海底,見圖1。

某半潛駁船平臺類似半潛船,用MOSES程序建模的下潛狀態見圖2。由于底部沉墊和大立柱的支撐,使得風電安裝平穩,抗風浪能力強,適用的水深范圍大。移位通過壓載水調節的沉浮過程,速度也比較快,有利于提高經濟效益;缺點是由于水下的大沉墊和大立柱尺寸比較大,所受的波流力比較大,這對坐底穩性和結構強度有不利影響。

圖2 下潛狀態模型

某半潛駁船平臺在一定的環境條件下(水深36 m,波高9 m,周期8.6 s,表層流速1.285 m/s)的波流力計算結果見表1。從表1可以看出,大立柱的波流力和波流力矩都是很大的。要降低波流力,可根據波流力在某方向的最大相位角,讓平臺相對波流的主方向作一定傾斜。

表1 自存工況波流力計算匯總

2 某坐底式平臺風電改造方案

某坐底式平臺是由矩形的沉墊和上層平臺及連接兩者的6根大立柱、8根中立柱和28根小立柱組成的鋼質非自航坐底式淺海石油鉆井船。上層平臺為雙層甲板的箱形結構。鉆臺位于艉部。鉆臺坐落在上底座、下底座和導軌上,可作縱、橫向移動,一次坐底可打8口井。本船借助于沉墊內的壓載水艙進行注水或排水,以艉端先著底的方式,使船可以從漂浮狀態下沉坐底或從坐底狀態起浮至海面。

本船適用于渤海灣內水深2.5～9.0 m(包括潮高)、泥沙質海底、海床宏觀坡度為1/1 000左右的淺海區域,在無冰期進行石油鉆井工作。

改裝設計總原則:為維持原用途的降級設計,改裝設計屬于小改裝;滿足使用情況下改造量最小、改造周期最短、成本最低。

風電安裝工藝見圖3。從圖中可以看出,為了達到風電安裝的需要,原鉆井平臺主甲板的井架及支撐結構、鉆桿堆場等設備均已拆除,在主甲板安裝履帶吊進行風電安裝。由于甲板空間比較大,風電安裝的一些設備組件也可以先放到平臺上,高效又經濟,所以在布置設計時要為某些風電設備預留放置位置。由于風機組件的尺寸大,原平臺吊機要和履帶吊配合進行風電設備吊裝、翻身等工作。總布置設計要避免在履帶吊工作時的設備、吊臂干涉。

圖3 某坐底式平臺風電安裝設備工藝圖

本坐底式平臺具有穩定、高效等優點。坐底式平臺的沉墊使得平臺坐底后很難下陷,增加了作業安全系數。由于無大尺寸立柱,坐底穩性要優于某半潛駁船。該平臺的缺點是可作業的水深受限,適用性差。

3 某自升式平臺風電改造方案

某自升式平臺為四樁腿的懸臂梁海洋自升式試采、修井一體化平臺,鋼質非自航,其主要情況如下:平臺設計最大作業水深40 m(含天文潮與風暴潮),原油、污油水最大艙容3 055 m3,修井設備最大提升能力1 580 kN,可試油、油氣分離、儲存和外輸,并具備井口回接、修井、棄井、輔助熱采等修井功能。本平臺改為風電安裝平臺,樁腿受力情況和改裝前相比變化較大,應基于三、五階波理論,獲得波浪力及波浪彎矩,并考慮海流和船舶自由液面,分析樁腿動力響應和變形位移[4]。

本平臺作為自升式平臺,改為風電安裝平臺工作量比較大:需要拆除主甲板、二層甲板的多數設備,如井架、油氣處理設備等;拆除后在主甲板上新建一個履帶吊支撐結構,使得安裝在上邊的履帶吊達到一定高度,滿足風電安裝的需要。改裝后立面圖見圖4。由于甲板沒有足夠的空間放置風機設備,需要有輔助裝載船舶幫助才能完成安裝。總布置設計時盡量在新建的履帶吊甲板多預留空閑位置,尤其要避免作業時吊機吊臂和設備彼此干涉。

圖4 某自升式平臺風電改造布置立面圖

自升式平臺風電改裝時吊機和樁腿干涉是必須要面對和解決的,見圖5。從圖中可以看出,某自升式平臺改造方案和前2個坐底式平臺改造方案的最大區別是有4個長度很大的樁腿。對風電安裝的履帶吊來說,實現全回轉是最佳的施工條件,而樁腿的存在無疑限制了這種可能性。由于自升式平臺無大沉墊,需要用樁腿樁靴插入海底泥中,所以要預先根據地質資料進行地基承載能力和插樁深度計算。對地基承載能力不滿足或者容易刺穿的井位,不能進行作業。所以在適用性方面,要對所去的風電場的地質情況、水深等做出一定限制。

圖5 吊機與樁腿干涉圖

在進行平臺改裝時,要綜合考慮預壓載能力、風暴保持能力、樁腿強度、抗傾穩性等校核指標,獲得某自升式風電安裝船的許用環境條件的組合,并生成環境適應性圖表,從而有效保障風電安裝作業安全性,提高風電安裝作業效率[5]。

由于平臺主體可以利用升降機構升到很高的高度,本方案可靈活對不同水深的風電場選擇相對適用的最佳安裝方案,克服了水深的限制。本方案的缺點是每次移動都需要插拔樁,浪費了寶貴的施工時間;地層因素對插樁深度的影響、對提前預計樁腿對履帶吊主臂是否干預存在不確定性。

4 結論

(1)本文通過分析以上3座平臺改造為風電安裝平臺的方案,可以看出每種方案都有一定的優缺點。應根據風電改造方案的關鍵因素(水深適用性、改造成本、安裝周期、對海底地基的適用性)來確定最終的適用方案。

(2)對坐底式平臺來說,如果使用常規的坐底平臺,適合去水深比較淺的海區作業。對大立柱的坐底式平臺適用的水深增加了,但波流力比較大,要考慮穩性和結構強度是否滿足。

(3)對自升式平臺來講,所受水深影響比較小,可適應大水深海區,但也有受插深影響樁腿和吊機容易干涉、插拔樁時間長等缺點。

(4)業主和設計方要根據所去風場的實際情況進行分析比較。在充分評估安裝的經濟效益、風電改造的時間周期的基礎上,重點對風電安裝工藝流程進行細化研究,特別是安全性要放在第一位。近年來履帶吊進行海上風電安裝的事故有增多的趨勢,應注重方案安全性。