淺談深水區海上風電機組安裝技術與發展

陳杰湛

摘要：隨著深水區海上風電項目陸續開發建設，對風電機組安裝的技術提出了新的更高的要求，滿足深水區風電機組安裝的風電安裝船已屈指可數，文章以廣東省深水區開發項目為例，介紹海上風電安裝技術及風電安裝船發展現狀，探索風電安裝船對深水區風電機組安裝的適應性問題，并提出方案改造鉆井平臺作為過渡載體，為解決深水區風電機組安裝施工提供案例參考。

關鍵詞：海上風電;深水區;風電安裝船;風電機組吊裝;過渡階段

中圖分類號：TM747文獻標識碼：A文章編號：2096-6903（2021）12-0055-04

0引言

氣候問題已成為全國環境治理的主要議題，各國及地區在清潔能源發展上各自提出了戰略協議。據全球風能理事會預計，未來十年全球將累計新增超過235GW的海上風電裝機，中國占亞洲板塊新增裝機容量份額達71.8%，可見，我國未來海上風電行業開發規模、發展潛力巨大。就廣東省而言，到2030年底，即將建成投產海上風電裝機容量約3000萬kW，規劃建設海上風電場址23個，總裝機容量6685萬kW，其中淺水區占985萬kW，深水區占5700萬kW。同淺水區相比，深水具備的環境條件更加復雜，單機容量不斷增大，對施工技術的要求不斷提高，雖然近年來我國海上風電技術水平有著明顯地提高，但在深水區風電機組安裝的技術裝備水平仍無法滿足現階段我國海上風電建設需求[1]。

1海上風電安裝技術

1.1風電機組安裝施工工藝

風電機組設備主要包括：塔筒、主機、輪轂以及葉片。海上風機設備的安裝方法可分為分體式和整體式安裝法。整體式安裝效率高，對作業船甲板面積、承重、吊機等要求高，且碼頭準備工作復雜，在深水區長距離下運輸風險大[2];相比較分體式安裝最為常用，具有作業效率高、安裝形式多樣的特點，最為常見可分為“葉輪整體吊”和“單葉片吊裝”的形式，其主要安裝流程如下：

（1）葉輪整體吊：塔筒吊裝→機艙吊裝→輪轂與葉片組裝→葉輪翻身→葉輪吊裝;

（2）單葉片吊裝：塔筒吊裝→機艙吊裝→機艙與輪轂組裝→單葉片吊裝。

1.2風電安裝船用途及分類

風電安裝船是一種專業用于海上風電機組安裝的多功能自升式海工平臺，其根據只有配置自航自升、吊機、坐底、動力定位、裝載承重等能力的不同，可分為第一代、第二代以及第三代風電安裝船，第一代以配置全回轉吊機為主，設計布置在船尾處，且對于樁靴面積及可變載荷重量設計上存在不足，嚴重限制了船舶靠泊位置以及作業水深條件;第二代新進采用了繞樁式起重機，將吊機優化調整至舷邊，并優化了樁腿設計，但不具有自航功能，吊機甲板起高大多在108m以下，在深水區大兆瓦風電機組吊裝上已力所不及，第三代是目前風電安裝船新簽訂單的主流船型，同第二代新進增加了自航功能且配置動力定位系統，提升了進點就位作業的效率，并且加長了吊臂長度，增大了吊機甲板起高和起重量，更加適合且有能力進行深水區大兆瓦風電機組安裝。

1.3深水區風電機組安裝特點及存在問題

目前淺水區風電機組安裝已相對成熟，深水區具有以下的特點[3]：

（1）深水區天氣海況復雜多變，施工窗口期短暫，安裝受限條件多;（2）水深較深、淤泥層較厚，風電安裝船的結構強度、穩性控制難度大;（3）風機機型大、輪轂高度高、葉片長等，對吊機性能及樁腿長度要求高;（4）深水區海上風電機組安裝、調試與維護困難、成本高。

2風電安裝船現狀與發展

2.1專業風電安裝船“供不應求”

在國內“取消電價補貼”政策影響下，多家海上風電單位追趕年底并網，全面迎來了風電安裝施工的“搶裝潮”，江蘇海域單臺風機吊裝價格一度從400萬/元漲至800萬/臺左右，廣東海域更是翻兩倍，最高價格去到1000～1300萬/臺，盡管價格暴漲，但由于資源受一些單位提前鎖定，部分施工單位出現了價格翻番仍“一船難求”局面，此現象是全球性的，美國近海的風電項目，風電安裝船單日的租金價格已經暴漲至18萬美元/天[4]。

2.2適應深水區風電安裝船屈指可數

深水區海上風電機組已趨于大型化，常見均為5MW以上機型，機組輪轂高度增高，葉片長度加長，機組部件設備重量增重，如表1所示。

風電機組安裝涉足深水區，水深范圍在40～60m，根據文獻4中統計，目前我國自升式風電安裝平臺（含在建，由于設計入泥與不同海域入泥情況存在差異，其中部分有效作業水深有修正）適應40m以上水深作業僅有8艘，但在廣東省開發深水區場址海域地勘資料顯示地質表層多為淤泥，淤泥層最大勘測厚度近20m，且土層多為粘土質層，對自升式風電安裝船吊高、樁腿長度、預壓載荷要求更高，依照目前市場熱門選擇機型，若采用8MW海上風電機組，深水區需具備自升式專業風電安裝平臺，要求滿足甲板以上吊高>115m，樁腿長度>90m，單位預壓載荷<40t為宜且配置600t級以上繞樁式起重機且配置有動力定位系統（DP）為宜。

2.3風電安裝船發展進入過渡階段

風電安裝船作為海上風電機組安裝施工的作業載體，是海上施工作業不可或缺的船機裝備，隨著作業水深、風機高度、地質條件、機組重量等要求不斷提高，風電安裝船也逐漸走向深水化、大型化、專業化的方向，大型化發展對風電安裝船的吊重吊高、定位能力、樁腿長度、甲板面積及承載等各方面都提出新的要求，這也標志著淺水區到深水區過渡建設中，風電安裝船也正式從第二代向第三代過渡。

鑒于目前我國擁有專業風電安裝船裝備水平仍處于第二代居多的局面，第三代風電安裝船的制造大多仍處于圖紙設計階段，而目前國內深水區海上風電建設需求和技術要求不斷增大，如何解決過渡階段的“尷尬”局面，是推進海上風電深水區風電機組安裝的關鍵[5]。

3深水區風電機組安裝適應性研究

從作業載體、運輸以及施工三方面對風電機組安裝適應深水區做出研究。

3.1鉆井平臺適應性改造

為適應“搶裝潮”下風電安裝船的需求，以改造閑置鉆井平臺來進行深水區風電機組安裝施工，成了業內部分施工單位緩解船機資源壓力的新思路。自2021年5月以來，國內先后出現了4艘以鉆井平臺為原型，拆除鉆井包，利用鉆井平臺自身擁有的深海作業特性的優勢，通過加裝吊機和對甲板結構進行改造，使其具備風電機組安裝施工條件。其中如“H194”平臺改造而來“護衛”風電安裝平臺，原配置有近128m樁腿、“DP1”動力定位系統和雙臺舷邊輔助吊機，施工甲板主要進行以下改造。

3.1.1650T海工吊機

加裝吊機方案區別另外三艘改造風電安裝船，采用加裝650T全回轉海工吊，如圖1所示，加高底部將軍柱高度，有效避開與甲板上樁腿結構干涉區域，具有更強的吊裝操作性，且節省甲板占用面積，可空余出更多甲板空間用于風電機組安裝施工。

3.1.2葉輪組裝平臺

通過甲板結構改造在右舷外增設“葉輪組裝平臺”，如圖2所示，不僅擴大了施工甲板面積，并且實現葉輪的整體舷外安裝，使葉輪組裝過程回轉不經過甲板上部結構，降低了葉片回轉吊裝的難度和碰撞風險，同時葉輪可借氣隙高度進行翻身，如圖3所示，降低了翻身作業對吊機吊高的要求，有效地解決了鉆井平臺改造風電安裝船因甲板面積受限而導致的施工效率低下問題[6]。

“護衛”在華電陽江青洲三海上風電項目成功完成了3.5d單臺風電機組安裝的實踐，可滿足水深60m以上及8.0MW機型以上的風電機組安裝。鉆井平臺改造運用至海上風電領域，作為第三代風電安裝船全面普于項目運用前的過渡載體，充分發揮閑置海工資產、人員及技術上的優勢，并緩解了國內海上風電風電機組安裝施工

3.2風電安裝船的“精細”就位

3.2.1插樁頂升就位

風電安裝船施工作業過程中，需將樁腿插至具備設計承載力的穩定土層，且不存在穿刺風險，最終樁腿的預壓深度決定了平臺安裝船的是否能安全作業及吊高是否滿足風電機組安裝要求，在作業準備前對插樁入泥深度計算預估具有重要的意義，行業內多采用APIRP2GEO、SNAME規范內公式計算。通過入泥分析，可提前根據各機位地質條件核算風電安裝船的作業可行性及安全性，樁靴入泥深度越深，拔樁困難度越大，拔樁時間越長，進行對入泥計算、穿刺分析、拔樁分析及吊高校核的“一機位一計算”具有必要性，以如表2及圖4所示為青洲三項目為例，29#、30#機位滿足吊高要求施工，其中30#機位由于計算氣隙在安全要求5m以下，施工應注意挑選合適窗口期施工（潮汐差<2m，最大波高<1m海況）。

3.2.2進點靠泊就位

深水區海域由于屬于深水波屬性，海況以長波浪周期為主，對風電安裝船就位的穩定性影響較大，船舶應采用船尾頂流方式進點，通過在風電安裝船加裝DGPS高精度定位系統，提高風電安裝船進點就位的安全性和準確性。風機設備運輸船靠泊應選擇在安裝船的下風向及下流向，減小不良海況下運輸船走錨撞船的風險，運輸船縱軸線盡量與涌浪方向一致，頂流靠泊，進點靠泊就位如圖5，降低運輸船風電機組安裝施工過程中的橫搖程度，提高作業效率[8]。

3.3風機設備運輸及布置優化

由于深水區海上風電施工海況條件復雜性，施工窗口期短暫，優化風機設備的裝船布置，且可將可岸上完成的工作提前布置完成，不僅可以實現吊裝方案的優化，同時節省了吊裝作業時間，有利于提高海上施工的作業效率。

3.3.1塔筒立式運輸

傳統淺水區風機塔筒運輸均采用臥式運輸方案（第一節立式，其余均采用臥式運輸），塔筒卸船時，需進行塔筒翻身吊裝，即采用“雙機抬吊”方案，如對塔筒立式工裝進行設計制造，采用具備符合穩性要求的船舶進行塔筒立式運輸并提前完成吊索具的預掛，如圖6所示，吊裝方案可優化成單機抬吊，可減少了船舶機械配置要求，節省海上塔筒翻身及吊索具安裝的作業時間，并且相對于臥式運輸方案，可實現“小船大裝”，大大減少了塔筒裝船甲板占用面積，26m船寬運輸船即可滿足兩套塔筒運輸，深水區可節省運輸船長距離來回裝船運輸的時間。

3.3.2整機運輸

一般風機設備運輸會將塔筒、機艙、葉片分多船運輸，但由于頂節塔筒一般附帶有電纜等其他重要電氣部件，安裝要求需在吊裝完成后的12h內壓上機艙，且機艙吊裝前有螺栓預裝、測試等準備工作提前在甲板進行，為保證施工連續性以及“吊機不停歇”效率原則，風機設備裝船時，可選擇將塔筒、機艙及輪轂布置在一船進行運輸，若有大型運輸船（船寬>32m）條件支持下，可重點考慮整套風機設備同船運輸的可能性，如圖7所示，可減少運輸船來回運輸及靠泊就位次數，并且提升運輸船的海況適應性，增加深水區風電機組安裝施工的效率，再配合塔筒立式運輸，在施工效率及運輸成本上大有幫助。

3.3.3葉片“兩頭一尾”式裝船

在以往葉片裝船大多采用同頭同尾的裝船方案，即葉片的朝向一致，在分體式安裝的風機吊裝施工中，葉片需抬升回轉，由于葉輪開角120°，存在葉片葉尖相對的組裝，若朝向一致布置，則至少有一片葉片的回轉組裝在吊裝中需要進行大回轉，導致現場可能存在吊機干涉問題，因此，采用“兩頭一尾”布置，可節省葉輪組裝過程中葉片回轉路徑，如圖8所示，能夠有效提高作業效率。

4結語

隨著海上風電開發向深水區發展，在具備更深作業海域的第三代風電安裝船普及項目運用前，通過極限條件可滿足作業的第二代風電安裝船以及閑置鉆井平臺“二次創業”改造進行深水區風電機組安裝，加強對施工過程中的“精細及安全”把控、詳細設計運輸及靠泊方案，可提升深水區海上風電安裝施工的效率。同時，建立專業的施工船隊、培養專業人才，加強施工技術研究，加大風電安裝船等裝備的投資力度，對適應我國未來能源需求發展具有重要意義。

參考文獻

[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，2016，38（1）：1-7+30.

[2]廣東省發展和改革委員會.廣東省海上風電發展規劃（2017-2030年）（修編）[S].

[3]本刊編輯部.海上風電安裝船市場將迎來春天[J].珠江水運，2021（6）：71-73.

[4]鄧達纮，陸軍.淺析海上風電施工與運維裝備[J].機電工程技術，2019，48（8）：45-47.

[5]李澤宇，王世明.海洋風電安裝船技術現狀與發展動態[J].中國海洋平臺，2021，36（5）：51-58.

[6]李俊來，雷丹.復雜海況下海上風機安裝技術研究與應用[J].中國設備工程，2018（9）：231-233.

[7]張茂東.我國海上退役油氣平臺再利用研究[J].海洋開發與管理，2021，38（7）：62-67.

[8]施小波，張帆.淺析海上風機底段塔筒豎立運輸工藝[J].中國水運（下半月），2020，20（5）：20-22.

DiscussiononInstallationTechnologyandDevelopmentofOffshoreWindTurbineinDeepWaterArea

CHENJiezhan

（ChinaEnergyConstructionGroupGuangdongThermalPowerEngineeringCo.，Ltd.，

GuangzhouGuangdong510730）

Abstract：Withthedevelopmentandconstructionofoffshorewindpowerprojectsindeepwater，therearemoreandmorenewandhighrequirementsofwindturbinesinstallationtechnology.However，thenumberofengineeringvesselsusedtowindturbinesinstallationthatmeettherequirementsofwindturbinesinstallationindeepwaterisrare.AccordingtothedevelopmentprojectsofoffshoreengineeringindeepwaterinSouthChinaSea，thisstudyisaimedtointroducethetechnologiesofoffshorewindturbinesinstallationandthedevelopmentstatusofoffshorewindturbinesinstallationships.Besides，thisstudyinvestigatestheadaptabilityofengineeringvesselsappliedtowindturbinesinstallationindeepwaterareaandproposesaschemetousethemodifieddrillingplatformasthetransitioncarrier.Finally，thisstudycanprovideacasereferenceforsolvingtheinstallationandconstructionofwindturbinesindeepwaterarea.

Keywords：offshorewindturbines;deepwaterarea;windturbinesinstallationvessels;windturbinesinstallation;transitionstage