海上風電場維護船功能及船型研究

楊鈴玉

摘 要：風能是一種清潔的可再生能源，海上風電場具有高風速高產出等優點，近年來得到越來越多的關注，隨著海上風電場的逐漸發展，風電場的運行維護問題隨之而來，海上風電場維護船是維護人員開展維護任務必不可少的交通工具，本文對海上風電場維護船的功能進行分析，從而確定并羅列了相應的維護船船型，為海上風電場的維護船船型設計奠定了一定的基礎。

關鍵詞：海上風電場 維護船 功能分析 船型研究

中圖分類號：U674 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（b）-0028-02

風能是一種清潔的可再生能源，由于海上風能資源豐富，且海上的風速更高，所以海上風電場相比陸上風電場可以提供更多的電能輸出。近幾年人們逐漸將視線轉移到海上風能的開發。對于海上風電場而言，許多技術挑戰來自于對其安裝、調試和運行維護方面，風電場維護任務主要包括維護人員交通和登離風電塔基并定期進行巡檢以及更換損壞部件。隨著距陸地距離越遠導致水越來越深，海上風況也越來越復雜，由于海上基礎建設和海上風電場運行維護成本極高，占據能源成本的20%[1]，為此，考慮到風電場常受到風浪和潮汐的影響，同時改善和提高維修人員登離塔基的安全性和可能性，有必要對海上風電場維護船功能及船型進行研究，以提供安全、經濟、高效的維護交通工具，提高海上風電場的運營效率和效益。

1 風電維護船功能定位和使用要求分析

1.1 功能定位

風電場維護主要包括維護人員交通以及定期檢修和更換部件，所以維護船是風電場開展日常維護工作必不可少的專用工具，體現在：一方面要承擔對維護人員安全登離風電塔基的任務；另一方面需要搭載相應的檢修裝備及部件，能夠確保維修工作的進行。

1.1.1 安全適航功能

由于風電場水域開闊，惡劣海況相對頻發。為了做到有計劃地對風電場設備進行維護和保養，且及時處理運營過程中的突發事件，因此要求維護船具有較好的適航性能以及較好的抗風浪能力。在保證安全的前提下，要求維護船具備一定的快速性能以及較好的船位控制和靠泊能力，使得維護船能夠安全停靠在風電塔基的基座上，以保證維護人員能夠安全登上塔基進行相應維護工作，避免由于故障時間導致的成本損失。

1.1.2 平臺搭載檢修設備功能

維護船是搭載專業維修人員以及相應的檢修設備及配件至故障點及時解除故障的必要的交通工具，因此在維護船上需要裝配有相應的起重設備和配件，以便能夠及時更換損壞零件[1]，同時也需要維護船具有較為寬敞的甲板來承載相應的裝備。

1.2 使用要求

1.2.1 航速

海上風電場距岸一般在10～60km。為了盡可能減少維護人員在途時間，因此對維護船航速也有一定的要求。以東海大橋海上風電場為例，其最北端距離南匯嘴岸線約6km，最南端距岸線約13km，且其東西向和南北向距離約5km。根據日常維護工作需要，希望1h內能達到任一風力發電機組塔基處，即航速不低于13km/h。考慮該海域潮流（約11km/h）和風速的影響，維護船設計航速不小于25km/h為宜。對于遠距離的深海風電場，維護船航速則有更高的要求。

1.2.2 作業

根據中國沿海風電場海域風級和波浪統計資料，結合運行維護實際需要，在6級風的情況下，維護船能夠進行船位控制、人員登離等安全作業。

1.2.3 艙室

根據陸上風電場維護情況，結合海上風電場維護需要，維護船要求能夠搭載維護人員5組（每組2人，且隨身攜帶小備件），即要求設置10座乘員艙室及輔助設施。對于需要攜帶大量備品、備件和小型設備的維護船，可以設置儲物堆場和小型起重機。

2 船型研究

海上風電場維護船作業能力反映在：一是快速安全航行以及在大風浪下能夠安全出航的能力；二是搭載相應的維護裝備的能力；三是可靠的登離裝置能夠搭載維護人員的能力。維護船安全航行的能力主要由其總布置、主尺度、裝機功率及推進方式等來決定；搭載維護裝備的能力通常由船型要素，船型設計以及甲板面積等來決定；可靠的登離裝置能力由專門的輔助登離裝置來保證。為此，船型方案應當側重快速性、適航性以及寬敞甲板這三方面進行構思。

根據維護船的功能定位以及分析單體船、雙體船和三體船的特點，研究適應海上風電場不同要求的維護船船型方案。

2.1 高速單體船型方案

在海況相對正常的情況下，為了縮短風電維護人員在航時間，維護船可采用高速船型方案[2]（見圖2）。該船型主船體為單體圓舭折角型式[3]，有較大的長寬比和舭部升高，以提高快速性能；船尾裝備2臺套可調螺距推進裝置和2只懸掛式流線型平衡舵，船首設置1臺套側推裝置，以達到船位控制操縱的目的。

該方案在滿足維護人員乘用和船員正常工作以外，主甲板以上設簡易輕質甲板室，一方面進一步改善船舶性能；另一方面可提供足夠的首甲板空間，用于布置輔助可調節登離裝置，提高登離時的安全性。

2.2 中速單體船型方案

在較大風浪海況情況下，為了提高船舶的操縱性能，維護船可采用中速船型方案（見圖3）。該船型采用2臺套全回轉舵槳操縱推進裝置，以保證船位的控制和航海性能。

該方案在滿足維護人員乘用以外，主甲板以中部留有較寬敞的備件堆放甲板，并設有1臺套全回轉液壓折疊式小型起重機，以送達風電塔筒平臺。

2.3 高速雙體船型方案

高速雙體船型片體細長，阻力性能較好，甲板寬敞，抗風浪能力較強，橫搖角較小。該船型非常適合較大風浪海域高速航行，但由于存在兩片體，機艙設備布置和管理較不便。

穿浪雙體船型與常規雙體船型相比，其最大優勢表現為耐波性更好；其不足之處是船體幾何形狀和結構較為復雜，且艙室設備布置困難。針對海上風電場的實際情況及維護船的使用要求，在常規雙體船的基礎上，吸取小水線面雙體船的優點，采用相對長度較大的球首和球尾船型[5]（如4所示），以獲得優良的快速性能和耐波性能。

2.4 中高速三體船船型方案

三體船型最先由英國提出，它由一個主體和兩個側體組成，兩個側體對稱布置于主體兩側[4]。本文所設計的中高速三體船側體排水量占總排水量的比值相對較大，為12%，增大側體的大小從而提高甲板的利用率，并且也有利于主機的布置。跟單體船和雙體船相比，三體船在快速性、耐波性、穩定性、安全性以及可布置性方面均具有優勢，但其自身也存在著一些不足。由于目前并沒有專門的三體船規范，因此給設計帶來了一些不便，通常在設計時均參照相關高速船規范，本文所設計的三體船的模型如圖5所示。

3 結語

海上風電場的運行維護是保證其效益穩定產生的重要基礎工作，其維護船是維護人員進行維護必不可少的交通工具。

本文根據海上風電場維護船的功能進行了分析，并根據相應的功能需求分析了幾種合適的船型。所進行的維護船功能需求分析和船型研究，對風電場運行維護及其效益的發揮具有一定的現實意義和工程應用價值。

參考文獻

[1] 劉永前.風力發電場[M].北京：機械工業出版社，2013.

[2] NAPA Oy Finland.Introduction to NAPA[Z]. 2011.

[3] 謝云平，姚誠鈺，姚偉.圓舭折角高速船型線參數化設計及其阻力性能分析[J].船舶工程，2012，34（4）：21-23.

[4] 盧曉平，酈云，董祖舜.高速三體船研究綜述[J].海軍工程大學學報，2005，17（2）：43-48.

[5] 張秀萍.海上風電場維護船船型及相關性能研究[D].江蘇科技大學，2014.