海上風電浮式運輸裝備研究

段斐

摘要——本文提出了一種海上風電浮式運輸裝備，闡述了其基本設計及其主要運輸方法。從初穩性高、靜穩性特性、響應幅值算子（RAO）等方面全面研究了浮云平臺-基礎整體結構的水動力特性及動力學特性，驗證了浮運平臺作為助浮裝備針對筒型基礎浮運提供穩性的能力。

關鍵詞-海上風電;浮運平臺;穩性; 響應幅值算子

1背景介紹

風能作為清潔可再生能源，成為近年來發展最快的新能源之一。海風與陸風不同，海上風力遠遠大于陸地，海上風電遠離人群，又不占用耕地，發展空間巨大，完全有能力擔任綠色可再生電力主力軍角色，大力發展海上風電，戰略價值巨大。海上風電近年來正在世界各地飛速發展。海上風機建設中基礎結構最常見的是樁基礎、重力式基礎以及近年來發展較快的筒形基礎。負壓吸力筒型基礎以其剛度大、抗傾覆能力強、總體造價低等優勢被大量地運用于受臺風影響以及巖層埋深較淺的海上風電場。但筒型基礎體型較大、重量較大，底部筒裙分倉板等均為薄壁結構，無法直接承受筒型基礎的大重量，因此無法放置在平板駁上直接運輸，只能通過浮運方式進行運輸。筒型基礎底部筒裙為開口結構，浮運過程中的穩定性和抗傾覆能力弱于船舶或海工等閉口結構型式，因此需要大型輔助裝備對其進行運輸作業。由于筒型基礎為新型的海上風電基礎結構，目前并不存在一種成熟的浮運裝置，因此需要研究一種能夠為其提供足夠穩性、實現安全運輸的浮運裝備及其運輸方法。

2海上風電吸力筒型基礎與浮運裝備

海上風電六邊形筒型基礎如Fig.1所示。基礎主體為上部全鋼結構+下部鋼包混凝土六邊形筒體的復合結構。基礎筒裙為六邊形開口結構，筒裙高度14m，筒裙邊對邊的距離為32m，筒裙厚度0.3m。筒裙內部設計有六邊形的內艙板，六邊形內艙板和外筒壁之間設計有6塊分艙板，為整個筒裙加強支撐、提高剛度。筒裙艙室因此分割為7個獨立艙室，為筒裙提供支撐、增強剛度。安裝時將首先利用基礎自重產生一定下沉量，同時筒裙內部氣體被海底泥面封閉在筒裙內部。自沉結束后將筒裙內部氣體抽走形成負壓，基礎在負壓作用下繼續下沉，直至整個筒裙嵌入到泥面內部。筒裙頂部設計由徑向梁與環向梁構成的筒頂梁系，以增強筒頂剛度。筒頂梁系上部設計有單柱和斜撐，單柱-斜撐-筒頂梁系三者形成聯合受力體系，以更好地傳遞頂部彎矩。

筒型基礎的浮式運輸通過浮運平臺來實現。浮運平臺長88.2m，寬65m，型深6m，設計吃水3.5m，將圓形筒裙完全包裹夾持，如Fig.2所示。如此筒型基礎和浮運平臺在運輸過程中形成運動整體，基礎的運動，尤其是對傾覆起關鍵作用的縱搖、橫搖，將傳到給浮運平臺，兩者共同運動。利用浮運平臺的大水線面為基礎在運輸過程中提供足夠穩性。

浮運平臺由兩個浮體模塊拼裝而成，一個嵌入型模塊（淺藍色）、一個為被嵌入型模塊（深藍色）。浮運平臺是組裝式非自航浮運平臺，為鋼質結構，提前在船廠進行制造，制造完成后托運至筒型基礎制造現場。浮運平臺拼裝時，在兩個模塊接觸面附近的甲板上，利用兩臺卷揚機將嵌入型模塊導向限位條沿被嵌入型模塊導向限位槽向前拉動，使嵌入型模塊前端與基礎筒裙緊密接觸，拼裝到位后將筒裙完全包裹匹配，兩個模塊被縱向拉緊固定，兩個浮體模塊與風機基礎連接成能共同運動的穩定結構形式。浮運平臺將筒型基礎夾持完成后，由拖船拖至場區安裝位置，如圖Fig.5所示。

3基礎浮運靜穩性分析

浮運平臺和筒型基礎作為一個整體，其主要參數如Table 1所示。整體坐標系坐標原點建立在筒裙底部，X軸指向航行前進方向，Z軸豎直向上，整體坐標系如Fig.6所示，浮運平臺和基礎靜穩性計算結果如Fig.7所示。

從Fig.7所示的結果中可以看出，一方面可以得到浮運平臺和基礎的初穩性高度為159.53m，滿足交通運輸部海事局關于《海上移動平臺法定檢驗技術規則》以及中國船級社《海上移動平臺入級規范》中“自由液面修正后初穩性高不少于0.15m”的要求;另一方面，從Fig.8所示中可以看出，回復力曲線和風傾曲線在第2交點處，復原力矩曲線下的面積與風傾力矩的面積比為17.6，滿足交通運輸部海事局關于《海上移動平臺法定檢驗技術規則》以及中國船級社《海上移動平臺入級規范》中“復原力矩曲線至第二交點或進水角（取小者）以下的面積至少應比風壓傾側力矩至同一限定角下的面積大40%”的要求。綜上所述，穩性校核結果表明，浮運平臺帶基礎滿足穩性校核的規范要求。

4基礎浮運時域計算及運動特性分析

以廣東珠海桂山海域為例，如Table 2 ?所示。從表中可以看出，桂山海域全年出現概率最大的波浪周期為2～4s，小于2s周期的波浪累計頻率僅為1%。

建立浮運平臺與筒形基礎的動穩性分析模型，浮體的運動響應可由幅值響應算子（RAO）來描述，在0°、45°、90°、135°、180°的波浪入射角下，橫搖響應和縱搖響應如下圖所示。根據Table 2所示的波浪參數，桂山海域全年出現概率最大的波浪周期為2～4s，而橫搖和縱搖的RAOs結果表明，浮式系統的固有周期集中在10～13s，遠離波浪周期。

從Fig.8和Fig.9中可以看出，橫搖RAO在90度浪向角下達到最大，而縱搖RAO在0度或180度浪向角下達到最大。此外，從圖中可以看出，不用浪向角下其RAO的響應是不用的，采取合理的浪向角可以顯著減小浮式系統的響應。在浮運過程中，當波浪周期接近共振周期10s時，橫搖縱搖會在此激勵下達到最大值，浮式系統會開始共振。然而，由于共振的發生需要一定時間激勵的累積，在預判到有大波高共振風險時將提前停止運輸，采取調整船艏迎浪角及調整艙內氣壓等安全措施，避免振蕩過大保證安全;另外，運輸前將提前2-3天預判好海況，在未來2-3天波浪很小時才會開始浮運。

結論

（1） 浮式系統初穩性高度為143.78m，滿足規范/標準不少于0.15m的要求

（2） 浮式系統靜穩性校核結果表明，靜穩性曲線特性滿足穩性校核的規范要求

（3） 合理調整浮式系統的迎浪角將有效減小波浪激勵下的運動響應，當遭遇到共振波浪時，應合理調整浪向角保證浮式系統安全

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