海上風電場與航路安全間距確定研究

王國平 鐘慶云 朱成斌

摘 要：為保障船舶在海上風電場水域附近航路航行時與風機保持足夠的安全間距，確保船舶安全航行和風機正常運行，基于船舶在海上風電場水域航行的實際情況，綜合考慮船舶自身特性、風機正常運行所需安全領域、風致漂移量、流致漂移量等影響因素，構建了基于改進失控漂移模型的海上風電場與航路安全間距計算模型。以江蘇如東海域為例，運用MATLAB軟件計算了15萬噸級散貨船、5萬噸級集裝箱船、15萬噸級油船以及5萬噸級化學品船在失控狀態下與風機的安全間距，為相關部門提供參考。

關鍵詞：海上風電場;船舶通航安全;失控漂移模型;安全間距

海上風電場建成運行后，作為水域附近固定的礙航物，占用了一定的水域面積，與水域附近的航道、習慣航路、錨地等產生一定的矛盾，增加了海上風電場附近水域船舶通航環境的壓力[1]。薛雙飛等[2]針對船舶與海上風電場碰撞問題，研究基于A*改進的船舶避碰算法，得到船舶在海上風電場水域附近航行的安全航線;李國帥等[3]在研究平臺與習慣航線的安全距離時，基于船舶領域理論建立模型并進行計算，但是對于風流壓差的設置缺乏科學性;沈崇松[4]首次將船舶失控漂移模型運用到油田平臺安全作業區范圍大小的確定上。但以上學者均未涉及海上風電場與習慣航路、航道或錨地等的安全間距的研究。現有船舶與海上風電場風機的安全距離是建立在某種特殊狀態下船舶運動的數學模型而得到的，或是通過統計歷史數據得到的經驗值，大多數都是船舶正常航行的情況，如果船舶在風電場水域中發生故障導致船舶失控，那么此時所需的安全距離必定會增加。綜合考慮實際航行和風流等情況下改進了船舶失控漂移模型，以船舶失控在得到控制時的橫向漂移量為船舶至風電場風機的最小安全距離，以期對船舶與風電場風機安全距離的計算提供一定的參考。

1 海上風電場與船舶安全間距模型建立

1.1 安全間距計算模型建立原理

1.1.1風流和壓差

船舶在航行過程中會受到風流等因素的影響，其實際航線將會偏離計劃航線并改變預定航速。

1.1.2船舶失控漂移

船舶航行安全威脅最大的原因之一為船舶失控。船舶失控[5]指船舶發生機械故障，無法自主航行，亦無法通過操縱船舶避讓其他船舶和障礙物的情況。

根據船舶失控漂移理論，船舶在海上風電場區附近發生失控并產生漂移時，失控船舶的計劃航線與海上風電場區之間存在一定的安全間距，使得船舶在發生橫向漂移并在到達海上風電場區之前，能通過一定的措施將處于失控狀態下的船舶控制住，使失控船舶不誤入海上風電場區與風機發生碰撞。

1.2 安全間距計算模型的建立

設船舶在航行中發生失控危險，船舶失控狀態能在一定的救援方法下得到控制所需要的時間為T（T< T0）。設海上風電場區船舶通航安全間距為R，因此：

2 安全間距計實例

2.1 定量參數的設置

2.1.1 船舶尺度

在分析研究江蘇省沿海水域船舶通航環境以及船舶交通流特征的基礎上，進一步綜合《海港總體設計規范》[6]中的船型尺度，特選取以下代表船型。

2.1.2 船舶風致漂移系數K

風致漂移系數一般取0.038-0.041，文章取0.041。

2.1.3 船舶淺水修正系數

淺水修正系數可根據水深與船舶滿載吃水比值來確定。

2.1.4 船舶風壓差系數

船舶在航行過程中所受的風流時刻在變化，風流壓差也在時刻變化，通過對大量模擬試驗所測得的船舶風壓差值進行處理，得到了代表船型的風壓差系數，具體如表3所示。

2.1.5 船舶速度減半時間常數C

船舶速度減半時間常數可根據代表船型的排水量來確定，代表船型的船舶速度減半時間常數取值如表4所示。

2.1.6 失控航速V

2.1.7 船舶慣性接近消失船速V0

設所選取的代表船型慣性在接近消失時的航行速度V0取值為0.05m/s。

2.1.8 船舶航行環境參數的確定

綜合考慮江蘇如東海域監測統計的風速和流速資料，取風速的極限值為20m/s、流速的極限值為2.0m/s。

2.1.9 時間參數確定

安全間距計算模型中所涉及的時間參數有船舶失控控制時間T，即在航路航行的船舶在失控狀態下得到控制所需要的時間。

通過綜合考慮各種約束條件因素以及考慮江蘇如東水域的海事安全保障能力和港口應急資源的配置等，論文將船舶從失控開始到失控得到控制所需要的時間設定為21min。

2.2 變量參數的設置

船舶在航行過程中所受風流作用，計劃航線將會與風流作用方向形成不同夾角，將船舶計劃航線與所受風流作用形成的夾角設為變量，假定船舶在航行過程中失控后所受風流為同側風流作用下的船舶橫向漂移。

2.2.1 船舶計劃航線與所受風向的夾角

風的方向指風的來向，文章將船舶計劃航向設置為0°，因此船舶的計劃航線與風向的夾角大小與風向角的大小是相同的，假定代表船型右舷受風影響，則船舶計劃航線與所受風向夾角的大小取值范圍為0°～180°。

2.2.2船舶計劃航線與所受流向的夾角

流的方向為流的去向，文章將船舶計劃航向設置為0°，因此船舶的計劃航線與流向的夾角的大小與流向角的大小是互補的，假定代表船型右舷受流影響，流向為180°～360°，則船舶計劃航線與所受流向的夾角為0°～180°。

2.3 安全間距的計算

將選取的各個參數取值代入海上風電場與船舶通航安全間距模型的MATLAB程序中求解，最終得到各代表船型在不同風流條件組合的情況下與海上風電場安全間距范圍大小，如圖5所示。

由圖所知，15萬噸級散貨船、5萬噸級集裝箱船、15萬噸級油船以及5萬噸級化學品船與海上風電場的安全通航間距值與不同風流條件組合下的變化趨勢接近一致，同時也可得知，各代表船型的計劃航線與風的夾角在80°～100°范圍內時海上風電場與代表船型的安全通航間距達到了峰值，當各代表船型與流的夾角在60°～120°范圍內時海上風電場與代表船型的安全通航間距達到了峰值。

同時，為保障船舶通航安全以及海上風電場的安全生產運行，船舶在海上風電場附近水域航路航行過程中所受風流等因素影響時應考慮風流組合最惡劣的情況，具體如表8所示。

由表8可知，15萬噸級散貨船與海上風電場的通航安全間距最大值為2649.6m;5萬噸級集裝箱船與海上風電場的通航安全間距最大值為2789.8m;15萬噸級油船與海上風電場的通航安全間距最大值為2630.9m;5萬噸級化學品船與海上風電場的通航安全間距最大為2795.5m，綜合取整為2800m。綜上所述，考慮通航船舶在失控狀態下與風機不發生碰撞時的最小安全間距為2800m。

3 結束語

（1）通過對海上風電場水域通航安全距離計算原理和依據的介紹，構建了基于改進失控漂移模型的海上風電場與航路通航安全間距計算模型，并以在江蘇如東海域航行的15萬噸級散貨船、5萬噸級集裝箱船、15萬噸級油船以及5萬噸級化學品船為例計算了在不同風流組合下各代表船型與風機的安全間距，并最終確定了該海域航路與風機的最小安全間距，驗證了模型了有效性。

（2）從改進的船舶失控漂移模型出發計算海上風電場水域最小通航安全距離可為船舶的航路規劃和海上風電場的選址提供一定的指導，對降低海上風電場水域船舶通航風險、保障風機正常運行也有一定的意義。

參考文獻：

[1] 張明. 海上風電建設對船舶航行安全的影響研究[J]. 天津航海， 2014（04）：58-60.

[2] 薛雙飛，謝磊，王樹武，夏文濤，包竹.海上風電場區船舶A～*避碰尋路算法[J].中國航海，2018，41（02）：21-25.

[3] 李國帥，章文俊，尹建川. 固定式平臺與習慣航線安全距離確定[J]. 船海工程， 2016， 45（1）： 186-190.

[4] 崇松. 渤海海域油田平臺安全作業區范圍研究[J]. 天津航海， 2010， （3）：28-29.

[5] 劉明俊，李世剛，楊曉妍，等. 船舶失控后運動狀態分析[J]. 船海工程， 2005， （2）：58-60.

[6] 中華人民共和國交通運輸部. JTS 165-2013. 海港總體設計規范[S]. 北京：人民交通出版社.