4000 噸自航式全回轉起重船“海峰2001”輪的研制

朱亞洲

（中交海峰風電發展股份有限公司，上海 200030）

1 國內外大型全回轉起重船的現狀

風能作為一種可再生清潔能源，近二十年來發展迅速，相比陸上風力發電，海上風力發電具有風速快、噪音污染小、電磁波干擾少等諸多優點。海上風電的建設近幾年高速發展，截止2021 年底總裝機容量已達到26G，十四五和十五五期間海上風電仍然保持快速增長，同時海上風電也開始逐漸走向深遠海化。

大型全回轉起重船作為海上風電施工的專用裝備，是一種多功能的風電施工船舶。主要包括單樁基礎打樁、導管架基礎安裝、負壓筒基礎安裝、升壓站安裝及其他海事工程，其最大重量達到3000t 及以上，施工時利用大型起重船將基礎吊起，垂直放置海床自然沉降，再利用大型液壓打樁錘進行擊打沉樁至固定標高。在海上風電最初發展的十年，由于海上風電大部分規劃在近海區域，水深較淺，風電基礎重量及尺度較小，采用海油鋪管施工、平臺施工及打撈作業的大型起重船進行風電基礎施工，而這類型的起重船雖具備較強的動力定位能力和起重能力，但其顯著特征吊高較小。如上海打撈局“創力號”、廣東打撈局“華天龍號”、華西海工“華西5000”以及其他大型起重船。海上風電進入第二個十年后，逐漸走向深遠海化，施工水域更深，基礎更重，尺度更大，對起重能力和吊高要求更高。國內典型起重能力3000t 以上起重船吊高均無法滿足要求，國內典型大型起重船統計如表1 所示。

表1 國內大型起重船統計表

國內已建造的大型全回轉起重船基本來源于海上石油施工船舶，專用于海上風電施工的大型起重船數量僅為幾艘。海上石油施工船舶具備較強的動力定位能力，且適用于水下起重打撈作業，缺點是吊高較低，普遍起升高度在90m 左右，國內近幾年新建幾艘專用于海上風電施工大型起重船，該類型起重船雖然在起升高度有較大幅度增加，但動力定位能力較弱，大部分船舶沒有配置DP-2 級動力定位系統，而采用常規的錨泊定位，需要多艘拋錨船輔助錨泊定位，在深遠海作業時受限于海況條件影響，輔助拋錨船舶抗風浪能力普遍較弱，可作業窗口期短，施工效率低，大大降低起重船作業時間。目前只有“烏東德”號大型起重船具備DP-2 動力定位能力，經研究分析該艘船舶電力系統采用6600v 中壓電力系統，動力定位作業工況下采用三段母排分開運行，四臺發電機同時工作，在海況較好情況下，發電機通常在低負荷情況下運轉，經濟性較差。

中交海峰發展規劃為海上風電配套大型施工裝備，已建成的海峰1003、海峰1005、海峰1006 以及在建海峰1001、海峰1002 自升式風電安裝船，專用于海上風電風機安裝，為海上風電鏈長單位三航局做施工裝備強力支撐。三航局一直致力于海上風電場建設，已建成東海一、二期風場工程，陽江砂扒，中廣核平潭等海上風電項目，在建12 個項目，占市場份額50%以上。中交海峰充分吸收海上風電施工作業經驗，總結歸納海上風電基礎發展趨勢，研究國內外高新裝備制造技術，研制出具備國際先進水平、國內領先，適用于深遠海風電基礎施工與運輸的大型起重船，與配套單位深入研究電力系統，研發出一種適用于海上風電作業的6600v 中壓電力閉環系統，大大降低本船動力定位作業工況油耗，提升本船的經濟性。本船借鑒了深水打撈起重船、起重鋪管船等船型的方案，從船舶性能及功能實現展開研究，本文就該船主要的設計思路和具體實施方案介紹如下：

2 船型及總布置

首先明確該船要達到的功能是：

（1）該船具備水深100m 海上風電基礎施工作業，包括單樁打樁、導管架及負壓筒基礎安裝；

（2）該船具備DP-2 動力定位系統，能夠在3kn流速、2.5m 有義波高、6 級風海況下施工作業；

（3）該船具備自航能力，能夠運輸3 根2000t 單樁、3 座2000t 導管架或2 座3000t 導管架基礎遠洋運輸；

（4）該船具備其他海工基礎施工作業，包括海上石油導管架、橋梁結構等海洋工程。

對于大型起重船，船舶主尺度、起重能力及經濟性是重要的性能指標，船舶主尺度能夠適應深遠海風電作業，穩性及抗風浪能力滿足廣東、福建100m 水域作業要求，船舶主尺度太小，抗風浪能力弱，船舶橫搖、縱搖大，起重機無法正常作業，船舶主尺度太大，經濟性較差，造價成本高，綜合考慮選擇最佳的船舶主尺度，既能滿足水深100m 海上風電施工，船舶經濟也較好。起重能力衡量全回轉起重船作業能力最重要的性能指標，起重能力的大小直接影響本船是否能夠適應海上風電基礎施工作業，起重能力太大，對船舶主尺度要求較高，船舶造價高昂，起重能力太小，無法覆蓋海上風電基礎施工，經充分研究海上風電基礎形式，選擇最優的起重機，以保證能夠滿足深遠海風電基礎施工作業。本船的經濟性直接關系到建造的可行性及必要性，其中油耗又是經濟性的關鍵指標，如何更好地節省燃油消耗是研究本船的重要因素，油耗太高，本船的經濟太低，回收期過長，投資收益回報率低。經充分研究，研發出一種專用于海上風電施工作業的中壓閉環電力系統，打破常規的動力定位作業三段母排獨立運行模式，采用動力定位作業時電力系統閉環運行，充分發揮柴油機使用效率，減少發電機運行臺數，減少油耗的同時，增加柴油機的使用壽命，提升了本船的經濟性及經營周期。結合上述考慮，最終確定船舶主尺度、起重機選型、電壓系統及其他主要性能參數，如下所示：

本船的主要性能參數：

船舶類型：自航式全回轉起重船

船舶能力：4000t（固定吊）3000t（全回轉）

船長*船寬*型深：195m*46.9m*16m

設計吃水：12m

定員：150 人

航速：10kn

動力定位：DP-2

主機功率：6*3850kw

推進系統：艉部3*3000kw 全回轉舵槳，首部3*3000kw 側推裝置

主起重機：主鉤固定尾吊4000t@40m/120m，全回轉3000t@45m/120m

甲板載荷：15t/m2

錨泊定位系統：8*120t 變頻錨絞機

電力系統：6600v 中壓閉環電力系統

船級符號：CSA Floating Crane;Lifting appliance;Ice Class B;PSPC(B);In-Water Survey;SPS；CSM AUT-0;DP-2(CB);Electrical Propulsion System;G-EP(AFS,GPR,GPR(EU));G-ECO(BWM(T));NEC(SCRS)

本船總布置圖如圖1 所示：

圖1 總布置圖

3 主尺度的選擇

船長是船舶的重要表征，與船舶的快速性、耐波性、總布置、經濟性等關系緊密。從快速性考慮船長對阻力有較大影響，在推進條件相同情況下，降低船舶阻力是提高船舶快速性的有效辦法，且航行中摩擦阻力占總阻力的成分較大，因此增加船長對減小興波阻力，改善船舶的快速性效果有限。從船舶的耐波性角度考慮，增加船長對縱搖和垂蕩都是有利的。結合本船作業海況，有義波高2.5m 對應的4 級海況下，平均周期8～9 秒，估算出表觀波長平均值約100m～130m，根據耐波性理論，船長大于1.5 倍波長，船舶耐波性較好，此時無論是否發生諧搖，縱搖和垂蕩都不會很大。船長較小的船難免發生較大的縱搖和垂蕩。本船船長大于 1.5λ ≈（150米～195 米），這樣在大多數情況抗縱搖性能較好。從總布置方面考慮，該船配備主起重機、錨泊定位系統、動力定位系統等集成系統，對船舶長度的分配有一定的要求，同時，本船具備單樁、導管架遠洋運輸能力，綜合以上因素，合理選取最佳的船舶長度，取190m 左右對經濟性、總布置、快速性、耐波性能都比較有利。

船舶寬度的選擇主要考慮因素為穩性、橫搖性能、大型設備和設施布置等，船寬是影響穩性的決定性因素，大型起重機、基礎運輸等設備和構件，均設于主甲板上，船舶重心較高。作業時為滿足船體傾角的要求，船舶應有足夠的GM 高度。因此，要求船舶寬度能適當取大。從船舶運動角度考慮，應盡量增大船的橫搖周期，橫搖周期愈大，則在波浪上的橫搖愈平穩，橫搖角和橫搖加速度愈小，并且海上易遭諧搖的程度也愈小。橫搖周期與初穩性高度有很大關系，而船寬又在很大程度上影響著初穩性高度。從耐波性角度出發，船舶寬度不宜過大。為更好地滿足穩性、甲板機械設備和設施布置及總布置要求，控制船舶的橫搖周期和橫搖角度。綜合考慮，船寬取48 米。

船舶型深選擇的主要考慮穩性、耐波性、調傾能力，對于同等體量的船舶，B/d 越小，耐波性越好。本船型深取16 米，深遠海作業時B/d 為3.83，大部分起重船B/d 在4.15～5.1 范圍內，本船相對于大部分起重船具有更好的耐波性能。

4 額定起重量

本船型專用于深遠海風電基礎施工，以及兼顧其他海洋工程。海上風電基礎的形式主要包括單樁、導管架（多種形式）、高樁承臺、吸力筒等，近海風電主要以單樁和高樁承臺基礎為主，未來50 米及以上水深遠海風電基礎主要以導管架、負壓筒結構形式為主，目前單樁基礎最大重量已達到3000t，導管架和負壓筒重量更重，重量達到4000t，本船主起重機的選擇即能在近海作業，也能覆蓋深遠海作業，因此對額定起重量的選擇尤為關鍵。海上風電基礎結構不同于海洋石油工程，其特點要求具有較大的起升高度，因此起重機的起升高度同樣重要，經分析十四五、十五五期間海上風電風場規劃，研究出具備4000t 額定起重能力，120 米起升高度的重型起重機，起重機工作圖如圖2 所示：

圖2 起重機工作圖

5 中壓電力系統的選擇

5.1 電制的選擇

為充分適應船舶各種作業工況需求及具有較高的定位響應速度，本船采用全電力推進系統方案。該系統主要設備組成包括：6 臺3850kw 主發電機組、3 臺尾部全回轉推進器、3 臺首部側向推進器、高壓配電板、各推進器驅動電機、變壓器、變頻器以及推進控制系統。電力推進系統組成參考示意圖如圖3 如下：

圖3 電力推進系統組成圖

本船電站總容量在20MW 左右，在目前的技術條件下，塑殼式斷路器與空氣斷路器在690V 電壓等級下，其最大分斷能力約100kA，遠不能滿足短路電流分斷能力要求，因此直接要求提升電網電壓等級，電網電壓設置在6.6kV，目前高壓船用真空短路器的短路電流分斷能力在31.5kA 左右，能滿足本船的使用需求。考慮本船動力定位能力（DP-2）要求，將推進系統分為三組，每組推進系統包括2 臺主發電機組、一段6.6kV 中壓配電板、1 臺尾部全回轉推進器、1 臺首部側向推進器（其中1 組無該側推）以及各推進器對應驅動電機/變頻器/移向變壓器等設備組成。

電力推進系統采用冗余設計，增加系統的操作安全性。高壓主配電板分為3 段母排，通過3 臺日用變壓器與3 座低壓主配電板連接。每臺主推進器采用12 脈沖變頻驅動，每臺艏側推采用12 脈沖變頻驅動，連接在同一段匯流排上的1 臺主推進器與1 臺艏側推組成虛擬24 脈沖系統，有效的控制整個電網諧波。

整個電力系統（6.6kV、400V 及230V 配電板）靈活設計，可分區供電也可集中供電。6.6kV 高壓主配電板可以分段運行，也可以并聯運行；本船電力單線圖如圖4 所示。

圖4 電力單線圖

5.2 閉環運行

閉環電網作為一項新興解決方案，目前應用在一些鉆井平臺、大型起重船以及飽和潛水支持船等船型上。相比傳統電網，閉環電網能夠實現發電機共享負載，減少運行發電機的數量，增加發電機的負荷，減少主機的積碳，提高運行效率，節約燃油，減少發電機運行時間，同時能降低碳與氮的排放，系統的可靠性與靈活性高，節能環保。當然系統復雜性提高，技術難度大，閉環電網對于包括配電板保護、發電機保護、故障穿越、短路仿真和實船短路試驗等方面有更高的要求。一方面增加單臺發電機的輸出功率，提升發電機的功率/ 油耗比。另外，減少發電機組的運行時間也有助于減少潤滑油消耗，減少維護保養和更換配件所需的費用。在出現單點故障時，需及時切除故障，如隔離故障的發電機或匯流排，確保電網其他正常部分能繼續工作。最大單點故障只損失1 臺主發及1 臺推進器。相比較分區供電的電網而言，動力定位能力有較大的提升。

本船采用環網系統，則高壓配電板按照主發電機組數量分為6 段匯流排，每段匯流排上設1 臺主發、1 臺推進器。DP 全在線工況下，高壓配電板組成環網運行，大部分環境條件下發電機的負載都較小，閉環電網只運行2 臺或3 臺發電機。

6 DP-2 動力定位系統

根據航行能力和動力定位要求，本船尾部配置3 臺3000kW 全回轉推進器，首部配置3 臺3000kW 隧道式側推，如圖5 所示。依據動力系統的配置及動力定位能力分析，計算工況如表2 所示。（本船的動力定位設計環境條件如下：6 級風，風速取13.8m/s，最大波高2.5m，流速為3.0kn。）

圖5 推進裝置布置圖

圖6 12 米吃水抗風能力曲線

表2 完整及失效模式示意圖

由于風、浪、流同向的時候對船體的載荷作用最大，計算時將風、浪、流置于同向，分別計算0o～180o范圍內的抗風能力曲線和功率利用率，載荷方向的間隔為10o，可根據對稱性得到180o～360o范圍的抗風能力曲線和功率利用率。

完整模式情況下，12 米吃水下抗風能力曲線如圖66 所示。從圖上可以看出，可實現-70°～70°，110°～250°范圍內的動力定位要求。

單艉推進器失效情況下，抗風能力曲線如圖7 所示：從圖上可以看出，-30°～30°，150°～210°可實現在失效模式設計環境條件下的動力定位要求。

單艉推進器失效情況下，12 米吃水抗風能力曲線如圖8 所示：從圖上可以看出，-20°～20°，160°～200°可實現在失效模式設計環境條件下的動力定位要求。

圖8 單艉推進器失效下12 米吃水抗風能力曲線

經計算，可以發現在12 米吃水下，動力定位在完整模式具有良好的定位能力，可定位能力艏向角度很大，可以較好的滿足就位時的定位要求。在單一故障情況下，本船仍可以獲得-20～20 度的有利艏向，能保證一定的動力能力保證應急措施的實施。起重作業主要以錨泊定位為主，動力定位系統用于風場就位以及拋錨過程的定位，也能滿足有利艏向條件下起重作業的動力定位能力。

7 錨泊定位能力

全回轉起重船在作業過程中需要保持船位，為了維持起重船的正常作業，必須抵抗外在環境條件的作用，限制船舶的位移，因此需要一套可靠的定位系統來保障起重船在各種工況下的作業和安全，可行的方式有動力定位和錨泊定位兩種，海上風電施工時兩種系統結合使用，對于需要長時間定位系統施工時，錨泊定位更加經濟。目前，以典型的單樁基礎為例，單個單樁典型的施工周期約為1～2 周時間，但實際上需要精確定位的“吊樁-沉樁-打樁”時間一般僅約12～24 小時，大部分時間是處于待命狀態，采用錨泊定位更加節省燃油消耗。本船作業工況采用 8 點分布式錨泊定位。A 甲板首部每舷各布置 2 個出錨點，主甲板尾部布置 2 個出錨點。8點錨泊定位系統布置方式如下圖9 所示。

圖9 錨泊系統定位布置圖

8 結語

4000t 自航式全回轉起重船技術先進，在海上風電施工領域具備領先地位，其船型設計合理，結構緊湊，功能全面。船舶動力定位和錨泊定位能力適應深遠海風電施工需求，其動力系統采用中壓閉環系統，經濟性高、節能環保、性能優越。主起重機的選型適應海上風電基礎打樁、安裝需求，船舶主尺度滿足起重作業的功能要求，并兼顧耐波性、穩性、總縱強度和經濟性方面的要求。該船舶總體達到作業效率高、技術先進、節能環保。解決了海上風電施工船舶資源缺乏難題，為海上風電工程提供有力的裝備支撐，該船型設計思路及設備配置給相類似船型設計提供借鑒。