一種新型半潛式深海風電安裝平臺總布置設計

于 雯，李曙生，趙 峰，袁宇波，楊 甦

（1.泰州職業技術學院，江蘇 泰州 225300；2.南通中遠船務有限公司，江蘇 南通 226000；3.上海長興重工有限公司，上海 202150）

一種新型半潛式深海風電安裝平臺總布置設計

于 雯1，李曙生1，趙 峰1，袁宇波2，楊 甦3

（1.泰州職業技術學院，江蘇 泰州 225300；2.南通中遠船務有限公司，江蘇 南通 226000；3.上海長興重工有限公司，上海 202150）

為了滿足海上風力開發的深海化、專業化、大型化的需求，解決因海上氣候惡劣、有效工作時間短而導致的工作效率低的問題，吸取常規風車安裝船和半潛式平臺的優點，基于漂浮式基礎風車設備，設計一種新型半潛式風車安裝平臺。充分考慮運輸安裝一體化的作業形式和經濟性、安全性的要求對安裝平臺總布置、吃水、抗橫傾系統、推進裝置、主尺度等進行設計并提出風機運輸吊裝方案。總體布置方案初步滿足設計思想，可實現多臺風機組整體運輸安裝，可獨立完成海上風電機組的運輸、吊裝和維護等工作任務，能適合深海漂浮式基礎風機海上風電場建設需要。

深海半潛式；風車安裝平臺；總布置設計；運輸安裝一體化

風力發電是世界上發展最快的綠色能源技術。海上風電是風電技術的前沿，也是國際風電產業發展的重點領域[1]。整體而言，海上風電仍處于發展初期，目前主流的風機機組形式，按照基礎形式來分主要分為以下幾大類：重力式基礎、單樁式基礎、三腳架式基礎、導管架式基礎、多樁式基礎、筒形基礎和漂浮式基礎等。隨著近海資源的開發，近海水域的地域和環境限制，海上風電勢必會往深海發展。而淺海應用較多的樁基式等風力機基礎無法滿足深海開發的要求，且海上風機由于成本而大型化的趨勢，漂浮式風力發電站可以安置在深海中，遠比被需要海底地基固定的發電站要深，因此它可以深入到遠洋持續不斷的強風中。

海上風電機組安裝相對于陸上風電機組安裝有較高的技術難度，完成海上風電機組吊裝需要一個海上安裝作業平臺，是海上風電場建設的關鍵技術之一。目前安裝船主要有：大型起重船、自升式（非自航）平臺、帶定位樁腿的自航船、自航自升式安裝船[2]。根據比較目前風電安裝主要船型[3-5]，都是針對近海風機安裝，大部分船型受天氣影響較大，不能滿足風機大型化、深海化的發展趨勢，而半潛式風電安裝船具有耐波性好、作業水深深、適合風機整體運輸安裝等特點，因此半潛式風電安裝平臺更能適應全球未來海上風電大型化和深海化的發展趨勢。

因此吸取常規風車安裝船和半潛式平臺的優點，針對適應于深海風電開采的漂浮式基礎風機的運輸和安裝，研究一種新型半潛式風力發電安裝平臺的設計方案，滿足風機整體運輸、安裝一體化，解決深海風車運輸和安裝的問題，意義重大。

1 初步技術路線

通過對國內外沿海海上風電發展及趨勢的調研[6-9]，針對漂浮式基礎風機的運輸和安裝，提出一種新型半潛式風力發電安裝平臺的設計方案。半潛式風電安裝平臺主要影響因素是平臺的總布置和重量[10-12]。首先根據設計任務書，構思方案，確定初步船型及總布置，估算排水量，按適宜尺度比及限制條件等算出主要尺度，估算總船重量，總船重量等于空船重量、裝載風機重量及其他油水消耗品、人員等重量之和，重量與浮力平衡后進行性能校核，若滿足則結束或做經濟分析，否則修改主尺度重新計算，形成了半潛式風電安裝平臺的初步設計。流程步驟如圖1所示。

圖1 設計技術路線

2 總體設計

2.1 船型設計特點

設計平臺為半潛式、雙浮筒、四立柱、6推進器安裝平臺，帶有DP3動力定位系統。全船肋距500 mm，浮筒和立柱的縱骨間距650 mm，甲板包的縱骨間距625 mm。

兩個浮筒通過桁架式連接橋連接，連接橋同時也是風機運輸甲板，甲板包中部有個四方形的開口用于安放風機，上甲板尾部和中間設有大槽口結構，便于風機的吊運。

兩個浮筒中縱剖面處設有一道縱艙壁，和橫艙壁一起把浮筒分割成各個水密艙室；立柱垂向每隔一定長度設置強結構，保證立柱的橫向強度；甲板包和立柱的連接處有一道艙壁，保證了平臺的整體強度，甲板包內部的其他橫艙壁和縱艙壁把甲板包分割成各個功能艙室。

同時平臺在上甲板尾部左舷處設一臺全回轉式起重機，用來吊裝風電設備。吊機的擱臂架位于上甲板首部左舷處。設有四層生活區，位于上甲板首部右舷處，用于調節空船重量重心平衡。生活區上方設有Sikorsky S92型直升機平臺，供海上人員上下。

半潛式平臺結構特點如下：

（1）設置風機整體運輸甲板平臺，實現多臺風機組整體運輸安裝，解決風機分步式安裝方式有效工作時間短、工作效率低的問題。

（2）運輸平臺下移。本平臺較一般半潛式平臺而言，中間主甲板開有槽口，將運輸平臺下移至浮筒上方，有效地解決了甲板風機重心過高而導致的穩性不足，有利于提高甲板載荷。

（3）流線型浮筒設計。流線型浮筒設計可以提高航速，有利于縮短作業場至碼頭的時間。

（4）四維抗橫傾系統。較一般船舶只調節左右橫傾而言，本平臺設計了四維抗橫傾系統，實現本平臺前后左右4個方向的抗傾斜系統。

半潛式平臺總布置圖如圖2所示，半潛式平臺三維結構如圖3所示。

圖2 總布置圖（側視圖）

圖3 半潛式平臺三維模型

2.2 主要設計指標

風電設備安裝平臺主要技術指標如表1所示。

表1 主要技術指標

2.3 初步主尺度參數

平臺的排水量、主尺度以及船型系數描述了平臺最基本特征數據，這些數據對平臺技術性能，如快速性、穩性、總布置以及平臺經濟性等都有重大影響。因此，恰當的確定這些要素，是平臺設計的一項最基本最重要的工作。

通過對任務設計指標的研究、總體布置要求、甲板裝載、性能驗證和方案反復的選擇分析后，得出主尺度數據如下：浮筒長度104.5 m；浮筒寬度13.65 m；浮筒高度12 m；立柱長度13 m；立柱寬度13.65 m；立柱高度19.5 m；上甲板長度83.5 m；上甲板寬度65.0 m；上甲板高度82.0 m；航行吃水10.5 m，自存吃水15.5 m，工作吃水17.5～20.0 m；可變甲板載荷3 000 t；最大排水量36 777 t。

3 總體布置設計

3.1 艙室劃分

3.1.1 浮筒 設左、右兩個浮筒，提供浮力。每個浮筒內側外板距中心線19.5 m，浮筒寬13.65 m，內部設一道縱艙壁，距最外擋外板7.15 m。橫向設11道橫艙壁，將浮筒沿船長分為壓載艙1P/S、壓載艙2P/S77、壓載艙3P/S、壓載艙4P、燃油艙4S、壓載艙5P/S、壓載艙6P/S、壓載艙7P/S、壓載艙8P、淡水艙8S、壓載艙9P、燃油艙9S、壓載艙10P、淡水艙10S、壓載艙11P、壓載艙12P/S、壓載艙13P/S、壓載艙14P/S、壓載艙15P/S、壓載艙16P/S、壓載艙17P、燃油艙17S、壓載艙19P/S、壓載艙20P/S及壓載艙21P/S，其中壓載艙3P/S、壓載艙5P/S、壓載艙6P/S、壓載艙7P/S、壓載艙13P/ S、壓載艙15P/S、壓載艙16P/S和壓載艙19P/S兼做抗橫傾壓載艙組，燃油艙和淡水艙集中在右舷，用于調節船因起重機引起的重心偏移。浮筒內還設有6個推進器艙、4個泵艙和2個靠尾部的壓載水處理裝置艙。浮筒內部設前后貫通的管弄和通道。浮筒內部結構和抗橫傾系統壓載艙布置如圖4所示。

圖4 浮筒抗橫傾系統布置圖

3.1.2 立柱 浮筒上方設前后左右4個立柱，立柱前后間距53 m，左右間距52 m。立柱由基線往上12～31.5 m，高19.5 m，上下分為 3層：12～17.15 m，17.15～26.45 m，26.45～31.5 m。沿立柱外側設4個壓載艙，中間內部為電梯、樓梯走道和設備區。

3.1.3 上甲板包 上甲板包高度從31.5～39.7 m，分為3層。第一層是甲板包雙層底艙，艙室劃分為空艙和功能性液艙，如污油艙、污水艙、消防水艙、滑油艙等。第二層為甲板包下甲板，下甲板布置機艙、配電間、錨機間和生活區域。第三層為中甲板包中間甲板，布置生活區域。

3.2 平臺設備布置

浮筒首中尾共設6個推進器艙，布置推進器主機水上部分及其控制設備，推進器功率為3 000 kW，全回轉式；泵艙#1～#4分別位于浮筒首尾處，布置每臺500 m3/h壓載水泵，共8臺、每臺500 m3/h抗橫傾泵，共8臺及其他常規泵組；浮筒尾部左右舷各設置一個壓載水處理裝置艙，用于布置壓載水處理單元，壓載水處理能力為500 m3/h，滿足最新生效的壓載水管理規定。

立柱區作為浮筒和上甲板包之間的上下通道，一個功能是作為上下樓梯電梯通道，另一個作用是作為浮筒設備和甲板包設備之間的銜接區域，設備區供管道電纜通道穿行，還布置銜接接浮筒設備區和甲板設備區之間的小型設備，如生活污水處理單元、淡水造水機、推進器變壓器、主機板冷設備、油水分離器等設備，充分利用立柱空間。

上甲板包分成兩個功能區，生活區和機械設備區，共上下兩層甲板。主機機艙位于甲板包靠首部，占據兩層甲板，主機艙層高6.6 m，布置6臺3 800 kW主機，滿足全船動力定位系統、起重機作業及其他通用設備電力供應；配電間位于主機艙前方，配備有690 V/440/110 V/24 V電制變壓器及配電盤等操作控制設備，集控室位于中間甲板，負責操作和監測全船工作狀態；下甲板配電間兩側是機修間和電工間，負責主機艙和配電間的日常維護；下甲板配電間兩側是儲藏室，用于存儲備件；空調機間位于首部兩側角落處，負責每層甲板的溫度調節；FR20-FR30左舷下甲板布置有兩個輔助設備間，主要布置其他輔助設備；在平臺首尾左右舷處布置4對錨鉸機，共八臺，錨機導纜器位于錨鉸機正下方，立柱外沿16.5 m處。相應的錨架位于浮筒上，布置8個定位錨。

3.3 甲板機械布置

3.3.1 救生系統 本平臺主甲板兩舷各設置1艘能夠滿足120人的全封閉式耐火玻璃鋼機動救生艇，共2艘，其中一艘兼做救助艇，并配置相應的艇架和艇機。艇架由一對重力式倒臂架收放。同時配置10只25人可吊式氣脹救生筏，左右舷各2只。救生筏置于救生筏架上，并設置2個相應的筏吊。另配備相應數量的救生衣救生圈。

3.3.2 甲板系固系統 本平臺主甲板尾部槽口兩側布置兩排系固絞車，共24臺絞車(可根據需要臨時增加或減少絞車數量)。該系固絞車主要用于裝載風機時，通過纜繩輔助固定風機塔，防止風機在運輸過程中的前后左右搖晃。絞車置于滑道上，便于前后調節系固位置。

3.3.3 甲板吊機 主甲板左舷尾部布置一臺1 500 t主吊機，該吊機可實現1 500 t定點吊裝和1 000 t的全回轉吊運。吊機在運作時，通過調節壓載水艙的方式，保持船體浮態平穩。吊機布置在主甲板上，距底部裝載平臺24.5 m，另加上基座與吊臂距離和吊臂可提升高度，整體最大吊高可達120 m，充分滿足未來大型化風機的尺寸。

3.3.4 應急發電機 在上層建筑內配置一臺600 kW的應急發電機，該型發電機采用自然通風冷卻。應急發電機間配備有相應的燃油柜、變壓器、配電設備及電池裝置等。應急發電機功率滿足照明、通風等常規應急電力需求。

3.4 生活區布置

本平臺生活區分為兩部分，主甲板之下和上層建筑內。主甲板之下主要布置有功能性艙室，上層建筑主要布置居住艙、辦公區域和駕駛區域。上層建筑部分位于主甲板右舷首部，有利于調節空船重量重心位置。

在主甲板之下生活區主要布置：冷庫、食品間、廚房、餐廳、電影院、多媒體室、健身房、娛樂休閑室、多媒體閱讀室、更衣室、洗衣干衣房。

在上層建筑生活區主要布置：會議室、醫務室、辦公室、公共衛生間、船長輪機長居住室、高級船員居住室、高級客戶居住室、雙人間居住室、四人間居住室、休息室、吸煙室、直升機待機人員休息室、直升機管理室、通訊室、駕駛室。

4 風機甲板裝載方案

該運輸平臺主要用于整體裝運風機，甲板運輸平臺采用桁架式設計，桁架式結構不僅可以節約鋼結構重量，還可以減少航行中海浪沖擊。風機運輸平臺位于浮筒上方5.15 m處，整體裝載風機時可降低風機重心，保證平臺有足夠的穩性，運輸甲板可承載甲板載荷為3 000 t。6臺風機在陸地碼頭整體組裝完畢，進行整體運輸。裝載風機時，通過風機底座固定風機，通過上甲板絞車繩索固定風機，提高其航行時的穩定性，保證操作的安全。

風機的運輸吊裝方案由碼頭裝載航行、定位下潛、吊機整體安裝但部分組成。如圖5所示。

圖5 風機運輸吊裝程序

平臺靠泊風機碼頭，將可伸縮式推進器回收至浮筒內，減少對碼頭深度的要求，對于本平臺。利用平臺自身起重機實現風機碼頭至平臺（或者運輸平臺至平臺）的裝載。風機裝載甲板裝有固定風機的底座工裝，甲板包主甲板上有輔助固定的纜繩。完成固定后，平臺移出泊位，伸出推進器，啟動尾部兩臺推進器，運輸航行。

到達目標海域風電場后，確認風電場海域環境條件，若水深小于50 m，天氣較為惡劣，可用錨泊進行定位，動力定位系統輔助；若水深大于50 m，天氣情況較為平穩，可由動力定位系統進行定位。定位后，半潛式平臺通過壓載水將平臺下潛至操作水深20 m，下潛過程中盡量保持船體浮態平穩，減少對風機風塔傾斜的風險。

下潛后，繼續調整定位精度，控制船體浮態。平緩啟用起重機，調整起重機吊臂擺幅和角度，將吊臂調整至風機上方，由風機塔內操作人員進行吊鉤掛索具作業，完成掛索具后，人員撤離，確認安全后，將風機吊運出平臺，安裝至預先安裝好的風機基座。在吊裝過程中，抗橫傾系統能根據實時浮態傾斜情況，完成自動調平。完成一臺風機安裝后，起重機吊臂回復至擱臂架上，繼續前往下個風機基座，重復步驟進行安裝。由此，實現了深海風電組運輸、安裝一體化。

5 結束語

本設計根據海上風電產業的發展和風機大型化、深水化的趨勢，以深海漂浮式基礎風機運輸安裝任務為目標，研究了海上風機的運輸安裝技術，開發一深海半潛式風電運輸安裝一體化平臺。進行了海上風機運輸安裝方案研究和總布置研究，設計方案初步滿足設計思想，并為方案下一步整體結構強度分析、局部關鍵區域結構強度分析、疲勞分析論證提供基礎。下一步針對全球海況的特點設計平臺，從而使平臺的總體方案具有更廣泛的適用性。

在甲板裝載方案的設計中，甲板風機布置充分考慮運輸安裝一體化的作業形式，風機在碼頭組裝后，將風機吊運至運輸甲板，裝載固定后，運輸風機航行至預定風場，由吊機整體吊裝，安裝風機。此運輸安裝方式，充分考慮經濟性、安全性的要求，提高作業效率，增強平臺在目標海域的適用性。

[1]張海亞,鄭晨.海上風電安裝船的發展趨勢研究[J].船舶工程,2016(1):1-7.

[2]劉志杰,劉曉宇,孫德平,等.海上風電安裝技術及裝備發展現狀分析[J].船舶工程,2015(7):1-4.

[3]于多,馬鴻鋼,王文濤.800噸自升式風電安裝平臺的設計特點[J].船舶工程,2015,船舶工程,2015,(S1):227-229.

[4]劉曉,董美余,晁世方.基于1000 t自升式風電安裝船的浮態起重作業穩性探究[J].船舶工程,2016（S1）:46-49.

[5]劉建峰.自升式海上風電安裝船的模型試驗分析研究[J].造船技術,2014(1):21-25.

[6]ABS.Rules for Buildingand ClassingMobile Offshore DrillingUnits[S].2006.

[7]DNVOffshore Code-OS-C201/Section3/D.Variable Functional Loads/D200[S].2011.

[8]姜哲,謝彬,謝文會.新型深水半潛式生產平臺發展綜述[J].海洋工程,2011,29(3):132-138.

[9]馮士明.國外半潛式深水平臺新概念設計[J].石油工程建設,2009,35(2):13-16.

[10]劉海霞.深海半潛式鉆井平臺的總布置[J].中國海洋平臺,2007,22(3):7-11.

[11]崔銘超,馮軍,譚美.自升式懸臂梁鉆井平臺總布置設計[J].船舶工程,2013(s2):144-146.

[12]任憲剛,白勇,賈魯生.自升式鉆井平臺總布置的研究[J].船舶工程,2010(s2):121-125.

Overall Design of a New Type of Deep-Water Semi-Submersible Platform for Wind Power Generation

YU Wen1,LI Shu-sheng1,ZHAO Feng1,YUAN Yu-bo2,YANG Su3
1.Taizhou Polytechnic College,Taizhou 225300,Jiangsu Province,China; 2.COSCO Shipping Co.,Ltd.,Nantong 226000,Jiangsu Province,China; 3.Shanghai Changxin Heavy Industry Co.,Ltd.,Shanghai 202150,China

In order to meet the needs of deep-water,large-scale and professional wind power exploitation in deep-sea areas,and to solve the problem of low working efficiency due to short working time and the harsh marine environment,this paper designs a new type of semi-submersible windmill installation platform based on the floating windmill devices,which fully considers and integrates the advantages of conventional installing vessels and semi-submersible platforms.Considering the operation mode of integration of transportation and installation,as well as the requirements of low costs and safety,this paper designs and presents the general layout,draft,anti-heeling system,propulsion device and principal dimension.The hoisting transport plan is also proposed.The general layout scheme preliminarily meets the design idea,capable of realizing whole transport installation of multi typhoon units,and a series of work tasks have been completed,such as transport,lifting and maintenance of offshore wind turbines,which will be suitable for the construction of offshore wind farm.

deep water semi-submersible;windmill installation platform;overall layout design;integration of transportation and installation

U656.6；P751

A

1003-2029（2017）03-0091-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.017

2017-01-02

泰州職業技術學院大學生創新創業項目資助（YJD2017003）；泰州職業技術學院年度創新性科研團隊先進制造項目（TZYTD-16-2）

于雯（1986-），女，碩士，講師，主要研究方向為般舶與海洋工程。E-mail:yuwenftlin@163.com