海上風電設備甲板運輸駁船四錨系泊系統優化設計

成海亮　勞軍

【摘 要】 為滿足高風浪條件下海上風電機組的安全轉駁與起吊安裝作業，以載質量 t海上風電設備運輸甲板駁船四錨系泊系統為例，綜合考慮吊裝及系泊安全要求，提出海上風電設備運輸甲板駁船系泊系統的評價指標，基于三維勢流理論，建立風電設備甲板運輸駁船四錨系泊水動力模型，獲得滿足海上風電運輸甲板駁船系泊系統的評價指標相應的系泊設施及系纜參數，為甲板運輸駁船海上四錨系泊提供實踐指導依據。

【關鍵詞】 風電設備;四錨系泊系統;水動力分析

0 前 言

當前，世界經濟發展面臨資源銳減、環境惡化的嚴峻挑戰，清潔能源的發展受到世界各國的重視。海上風能作為一種清潔的可再生能源，具有湍流強度小、主導風向穩定、節約土地資源、風能平穩、無噪音及景觀污染、資源豐富、適宜于大規模開發等優勢，近年來發展迅速并潛力巨大。但是，惡劣的海上開發環境，導致了海上風電開發成本高（開發成本是陸上風電的1.5～2倍）。從海上風電成本構成來看，風機費用占比為40%～50%，風電基礎結構費用占比為20%～30%，運輸安裝及其他成本占比為20%～40%;在“3060目標”及“平價項目并網”的大背景下，海上風電設備運輸需求和降本的壓力劇增，相比降低整機成本來說，優化海上風電設備運輸和安裝，實現高風浪條件下風電機組的安全轉駁和起吊安裝，增加裝機可作業的時間窗口，提高施工裝機效率，從而降低海上運輸及吊裝成本，是短期內降本增效較為有效的途徑之一;因此，筆者以滿足過駁吊裝時所要求的船舶運動響應幅值的限定為目標，對四錨系泊系統方案進行了優化，提出了滿足系泊性能指標相應的系泊設施及參數設置，為海上風電設備甲板運輸駁船海上系泊標準的修訂提供理論支持和實踐指導依據。

1 系泊系統評價指標

按照系泊力的提供方式可將定位方式分為被動式定位系統、動力定位系統（DP）兩類。被動式定位系統是目前使用最為廣泛的一種系泊系統類型，其是通過錨鏈或者系泊纜繩與錨將船舶與海底相連，達到約束船舶運動的目的，其中海上風電設備甲板運輸駁船的四錨定位系泊（見圖1）是海上風電施工現場最為常見的系泊方法。

海上風電設備甲板運輸駁船系泊系統的評價指標主要考慮運輸甲駁板船的運動幅值和系泊系統安全性兩個方面，其指標主要包括船舶的平動自由度運動量（船舶縱向位移、橫向位移及升沉）、船舶的橫搖角及系泊纜的最大張緊力。

1.1 船舶4個自由度的運動幅度

海上風電設備的吊裝作業需在限定的海況條件下完成，其海上作業限制氣象條件主要依靠經驗或數值仿真獲得。受裝卸工藝的限制，甲板運輸駁船在吊裝前需完全受系泊系統約束，若甲板運輸駁船發生較大運動，會導致吊裝作業無法完成。在非橫浪工況下甲板運輸駁船作業允許運動幅值標準見表1。

1.2 系泊纜的張緊力

系纜遭受過大的張緊力，將導致整個系泊系統失效，造成嚴重事故。根據相關的系泊指南，在海上過駁吊裝風電機組設備時，甲板運輸駁船為臨時系泊，采用系泊纜繩的張緊力應小于其最小破斷力，并考慮一定的安全系數;筆者采用動態分析方法，其系泊張緊力的安全系數為1.67。

2 系泊系統水動力模型

載質量（目前航運行業中還在使用“載重噸”）為 t海上風電設備甲板運輸駁船配置6.5 t無桿錨霍爾錨。載質量為10 000 t海上風電設備甲板運輸駁船整體的質量、重心和慣性半徑基本參數見表2。系纜采用鋼絲繩纜，具體參數見表3。

利用水動力軟件建立甲板運輸駁船水動力模型，艏樓建筑根據外部尺寸進行簡化處理，建立好的甲板運輸駁船四錨系泊示意圖（見圖2）。

3 海況環境參數

為了獲得甲板運輸駁船系泊系統在風、浪、流載荷作用下的運動響應，分析載質量為10 000 t甲板運輸駁船在4種波高作業海況條件下系泊系統的運動幅值及系纜張緊力，作業有義波高分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m，均采用Jonswap波浪譜進行模擬;作業環境條件風速為13.8 m/s，流速為0.9 m/s。

4 船舶四錨系泊系統運動響應分析

分析四錨系泊系統在4種波高作業海況下船體運動的趨勢和錨纜張緊力，載質量為10 000 t甲板運輸駁船在該系泊方式下的最大運動幅值和最大張緊力的情況見表4。

由表4可以看出：

（1）在有義高波為0.5 m的條件下，該四錨系泊系統能滿足海上吊裝要求對甲板運輸駁船運動幅值的限制;

（2）隨著有義波高的增大，甲板運輸駁船的運動幅值隨之增大，系泊纜的最大張緊力為 kN、安全系數為1.53，不滿足最小安全余量的要求;因此，四錨系泊系統是無法滿足在有義波高2.0 m及以上的風電吊裝作業的要求。

5 四錨系泊系統優化設計

為了實現高風浪條件下風電機組的安全轉駁和起吊安裝，通過增加纜繩的預張力，增強被系泊船舶的耐波性，從而達到減少船舶運動幅值的目的。通過對載質量為10 000 t甲板運輸駁船在不同預張力下的水動力分析，得到甲板運輸駁船運動幅值響應和系纜張緊力（見表5），并對其方案的可行性和合理性進行技術論證和綜合評估。

6 結 語

（1）由載質量為10 000 t甲板運輸駁船的預張力從150 kN增加到260 kN的試驗結果可知：船舶運動幅值有所減小，每根系泊纜張緊力相應增加，但預張力在200 kN以上繼續增加時，其對降低船舶的運動幅值已不明顯;當預張力提高為260 kN時，載質量為10 000 t甲板運輸駁船能滿足1.5 m波高下吊裝作業的要求，即被系泊的甲板運輸駁船運動幅值及系纜強度均滿足風電機組起吊安裝要求。

（2）兼顧吊裝對甲板運輸駁船的運動幅值及系泊系統的安全要求，在波高1.5 m以下的，建議采用四錨定位系泊的載質量為10 000 t甲板運輸駁船的預張力設置為260 kN。

參考文獻：

[1] 劉必勁，孫昭晨，張志明，等. 橫浪作用下大型開敞式碼頭系泊船舶運動量研究[J]. 水運工程，2008（8）：94-97.657DF0DD-B6FA-4AF4-B9A0-D7EC965C37B8