風機安裝船施工現狀及選型分析

陳 松* 駱洪林 官 峰

（中海油能源發展股份有限公司清潔能源分公司）

0 引言

近年來，海上風電產業快速發展，為了適應海上風電國內市場需求，以風機廠家為技術驅動主力軍加快了風電技術革新，風電單機容量從2021 年平均約5.6 MW 躍升至2022 年平均約8.0 MW。2022 年風電機組主力廠家最大并網安裝機型為明陽8.0 MW 風電機艙，其起吊質量約400 t，最大吊高約130.2 m；上海電氣11 MW 風電機艙（含發電機）質量近500 t，最大吊高約141 m；海裝8.5 MW 風電機艙（含輪轂）質量為360 t，最大吊高約142 m。隨著國內金風16 MW 機組下線、海裝18 MW 機組研發及后續25 MW風電立項，風輪掃風面積越來越大，風電安裝標高勢必會提高，對海上風電安裝船的要求也將更嚴苛。

1 海上風電安裝船施工問題分析

國內海上風電安裝船主要可分為：坐地式、自升非自航式和自升自航式。國內沿海施工海域風電安裝作業以自升式安裝平臺為主，截至2022 年年底，國內起重能力超過600 t 船機約40 艘。隨著近年來海上風電快速發展，大量船機投入生產項目中，風電安裝船選擇、施工過程中普遍存在以下問題。

（1）選定風電安裝船無法插腿站樁

由于建設單位建設海域海床地質地勘資料準確度不夠，風電安裝船選型分析船舶插深預估不足，導致選定中標單位風電安裝船抵達風場時，因船舶質量較大，壓樁過程中直接造成穿刺，重新選擇風電安裝船造成工期浪費和成本上升，并增加了機位站樁的風險性。

（2）風電安裝船履帶吊施工風險較大

國內現存大部分風電安裝船只有1 個固定式海工吊，另外配置1 臺移動式履帶吊。移動式履帶雖有效解決了只有主吊機的風電安裝船施工靈活的問題，但履帶吊在施工過程中容易發生尾部翹起等安全問題、船舶氣隙抬升過程傾斜履帶吊位移平臺失穩的重大風險。

（3）風電安裝船吊高不夠，解鎖吊鉤限位，氣隙無限抬升

由風場建設海域水深、地質及選定風電類型，決定風電吊高需求，風電安裝船為保證滿足風電吊裝吊高在船舶主吊機吊高極限狀態時，施工單位選擇解鎖安全限位吊鉤進行極限作業。吊高需求偏差較大時，開啟壓載水內循環，抬升船舶氣隙最高至30 m，導致船舶冷卻系統處于極限狀態，容易使船機設備溫度過高而發生故障。當船舶插深較小時，這種極限工況下造成船舶穩心過高事故發生概率將大大增加。

（4）風電設備吊重校核標準不統一

海上風電建設單位對于海上施工船舶吊裝質量校核系數選擇認可不一。現目前起重吊裝參數要求分為2 種技術路線：海洋工程領域普遍參照船級社海洋工程技術規范，選取動載系數和不均衡載荷系數展開吊重校核；陸地起重吊裝參照陸地起重吊裝規范，要求單機吊裝不超過被吊物質量90%，雙機抬吊單機負荷不超80%。海上風電大出臺相關技術要求，未對海上吊裝作業被吊物吊重范圍未展開細分，大部分建設單位通常采用后者，但也有建設單位要求同時滿足二者要求，極大地限制了風電安裝船適用能力。

2 風電安裝船選型流程

風電安裝船選型的關鍵在于插深計算相對準確、船舶最大安全吊重、船舶站位距離選擇和最大安全吊高校核分析，基于以上校核分析設定安全余量，一次性篩選合理船機開展風場風機安裝。本文結合揭陽海上風電風電安裝項目，形成了一套合理的風電安裝船選型流程，有效解決了風電安裝船施工中可能遇到的問題，保證了風場建設的成本、進度、質量和安全等要求。圖1 為船機選型流程。

圖1 船機選型流程

考慮船機整體結構形式，滿足最大風電設備質量過駁、安裝就位時起重能力，進一步展開滿足起重能力下船舶最大站位距離，計算船舶樁腿插深和最大作業半徑下吊機吊高能力，與風電設備吊高需求對比，循環調整船舶站位距離，同時保證設定的船舶站位距離施工安裝過程中與風電機組設備發生干涉。

3 某風場項目風電安裝船選型分析

3.1 船舶結構形式選擇

海上風電安裝船結構形式多樣，包括三腿、四腿和六腿等，但綜合考慮海上風電工程實踐檢驗和事故經驗，風電安裝船大多采用四腿自升式結構。風電安裝船是海上風電核心的專業船機，目前國內大多風電安裝船只有1 臺固定式海工主吊機，輔以移動式履帶吊充當輔吊機。對于風電安裝船上布置履帶吊因拖航監管要求，船級社要求不予辦理試拖業務，同時國內新造風電安裝船主/輔吊機均為固定式海工吊。因此，對于風電安裝船，推薦采用四腿和具備2 臺固定式海工吊的風電安裝船。

3.2 船舶起吊重量校核和站位距離選擇

根據獲取風電設備參數以及海工成熟經驗，推薦按照DNV 起重吊裝規范，單件過駁、吊裝動載系數取值K1，不均衡載荷系數K2（雙擊抬吊時取值考慮1.1），要求船機起吊能力大于K1·K2 倍最大結構物質量G，通過以下2 種工況的船舶質量校核，選擇較小作業半徑作為船舶站位距離最大參考值，詳見表1動載系數K1（DNV 起重吊裝規范）。

表1 動載系數K1（DNV起重吊裝規范）

還需考慮以下工況：

（1） 運輸船過駁情況：過駁最大結構物質量G1（含工裝質量），要求船機起吊質量=G1·K1·K2 時，吊機最大作業半徑為R1；

（2）設備從甲板吊裝至結構安裝位置情況：吊裝最大結構重量G2（不含工裝重量，含索具重量），船機起吊質量=G2·K1·K2 時，吊機最大作業半徑為R2。

3.3 船舶樁腿插深計算、起吊吊高校核

船舶樁腿插深計算依賴于風場地質條件、安裝船船舶重量、樁靴尺寸等因素，樁腿插深計算偏差越小對風電安裝船越安全，根據工程經驗推薦采用SAME軟件插深計算，偏差基本控制在1.5 m 以內，完全滿足插樁需求。為避免地質條件較差或計算插深處于“雞蛋殼”層邊緣時，建議進行第三方插深校核，降低計算誤差，提高站樁及施工安全性。

通過計算樁腿插深，在已確定站位距離前提下，計算船舶樁腿長度、船舶氣隙、船舶型深和主吊機最大吊高，與風電設備就位標高（含吊索具高度及摘勾余量）對比，校核船舶最大起吊高度，若不滿足要求時，減小船舶站位距離再校核吊高是否滿足要求。船舶氣隙取值受船舶樁腿可用長度影響，但通常建議不超過海水提升泵揚程范圍，有利于避免船舶穩心偏高和船舶機械性能。

3.4 吊裝過程結構干涉分析

對于滿足起重能力、起吊高度的船舶站位距離，對風電機組設備、船舶結構施工過程放樣，保證所有設備吊裝過程中不與船舶結構發生干涉，特別是葉片就位距離及就位時葉片震顫抖動，確定不與吊臂發生干涉，考慮2～3 m 安全余量，從而篩選出合適風電安裝船。

3.5 風電安裝船輔助性能參數分析

一般情況下一個風場內船舶不同位置插深都存在較大差異，因此需要對選定安裝船展開多機位船舶插深計算，綜合判定船舶風場所有機位安裝適應性情況。此外，風電安裝船滿足風場全部風機安裝能力基本要求，還應考慮風機安裝的工效，本著提高工效、縮短安裝周期的原則，在適用風場風電安裝船中盡可能選擇甲板面積大的風電安裝船，同時考慮風電安裝船樁腿的驅動形式。從多個角度綜合分析，盡可能選擇具備覆蓋所有機位風機安裝能力的船舶。

4 結語

本文分析了海上風電安裝船施工過程中現存的問題，通過工程實踐形成了一套標準的海上風電安裝船選型流程，結合地勘資料、風機參數等，可以快速確定適合特定風電場項目的風電安裝船。基于某風電場項目，有效地驗證了該流程和關鍵要求設定的合理性。運用該流程，可提高風電安裝項目施工效率，降低風電安裝安全風險，可為海上風電安裝項目船機選型提供參考。