浮式風(fēng)機(jī)干拖運(yùn)輸技術(shù)研究

劉揚(yáng) 閔燁 李亞杰 王文娟

摘要：本文以某工程實(shí)例為基礎(chǔ)，對浮式風(fēng)機(jī)的海上運(yùn)輸方式進(jìn)行了介紹，并著重針對浮式風(fēng)機(jī)的干拖運(yùn)輸方式進(jìn)行了運(yùn)輸船的穩(wěn)性校核與運(yùn)動數(shù)值分析，通過穩(wěn)性校核分析，驗(yàn)證了運(yùn)輸船具有足夠的穩(wěn)性運(yùn)輸浮式風(fēng)機(jī)。通過對不同海況的運(yùn)動響應(yīng)分析，可以為浮式風(fēng)機(jī)與運(yùn)輸船之間的綁扎固定設(shè)計提供有效依據(jù)。

關(guān)鍵詞：浮式風(fēng)機(jī);干拖運(yùn)輸;穩(wěn)性校核;運(yùn)動分析

中圖分類號：U693文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006—7973（2022）04-0122-03

改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，能源消費(fèi)需求越來越大，但由于傳統(tǒng)的能源布局、結(jié)構(gòu)不科學(xué)、不合理，制約了經(jīng)濟(jì)社會的進(jìn)一步發(fā)展。目前風(fēng)電已成為我國除火電和水電外的第三大能源，研究認(rèn)為，未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整主要應(yīng)靠風(fēng)電，在陸上風(fēng)電開發(fā)進(jìn)入成熟期之后，未來海上風(fēng)電發(fā)展空間十分廣闊。

現(xiàn)階段，海上風(fēng)電機(jī)組主要是通過單樁或者導(dǎo)管架式等結(jié)構(gòu)固定在海床上，基礎(chǔ)固定式機(jī)組的最大缺陷在于只能應(yīng)用于水深不超過60m的近岸淺海海域，而當(dāng)水深大于60m時，固定式支撐結(jié)構(gòu)的成本急劇增加，而漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組將比固定式海上風(fēng)機(jī)更具有工程經(jīng)濟(jì)性[1-2]，漂浮式風(fēng)機(jī)受海床地質(zhì)條件限制小，選址靈活，且深遠(yuǎn)海風(fēng)能資源豐富，風(fēng)況穩(wěn)定，可岸上組裝，減少施工時間和成本等優(yōu)勢，使得深遠(yuǎn)海域的風(fēng)能資源開發(fā)成為了可能。因此，浮式風(fēng)電機(jī)組已成為深遠(yuǎn)海海上風(fēng)場建設(shè)的必然選擇，從而使得漂浮式風(fēng)電機(jī)組的海上運(yùn)輸方式備受關(guān)注，本文以某工程實(shí)例為基礎(chǔ)，介紹了漂浮式風(fēng)電機(jī)組的海上運(yùn)輸方式，并針對浮式風(fēng)機(jī)的干拖運(yùn)輸進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

1拖航方式

針對漂浮式風(fēng)電機(jī)組的整體拖航，一般有干拖和濕拖兩種方式。干拖航行速度較快，但需要考慮因素較多，如運(yùn)輸船的選擇，運(yùn)輸貨物的海上環(huán)境承受力以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)疲勞等。針對較遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸，一般采用干拖方式。濕拖相對速度較慢，如果安裝海域距離建造場地較近時則考慮濕拖。濕拖需要考慮風(fēng)浪流環(huán)境力的影響。

1.1濕拖運(yùn)輸

當(dāng)海洋工程結(jié)構(gòu)物的建造地點(diǎn)與海上安裝地點(diǎn)距離較近時，一般采用濕拖。濕拖時一般需要幾艘拖輪進(jìn)行掩護(hù)和拖拉，濕拖速度較慢，所以，在深遠(yuǎn)海項(xiàng)目里，應(yīng)盡量避免較長距離的濕拖。

1.2干拖運(yùn)輸

在進(jìn)行浮式風(fēng)機(jī)干拖運(yùn)輸時，首先要進(jìn)行運(yùn)輸船舶的選擇，根據(jù)以往項(xiàng)目案例，大件干拖運(yùn)輸多采用半潛船作為運(yùn)輸船，一般半潛船都自帶動力。如果沒有半潛船也可以選擇無動力的駁船，通過拖輪牽引前行。半潛船需具有承載大型結(jié)構(gòu)物的能力以及自潛裝卸的能力，并可以自主控制航行方向，因此干拖運(yùn)輸一般采用半潛船作為運(yùn)輸船舶。

2干拖運(yùn)輸穩(wěn)性及運(yùn)動分析

本節(jié)以某工程實(shí)例為基礎(chǔ)，針對某一浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)干拖運(yùn)輸進(jìn)行了穩(wěn)性校核及運(yùn)動性能研究。

浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)輸布置圖如圖3所示。

浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)干拖運(yùn)輸主要參數(shù)如表1所示。

在浮式風(fēng)機(jī)干拖運(yùn)輸過程中，運(yùn)輸船狀態(tài)如下：

船首吃水：7.59 m

船中平均吃水：8.01 m

縱傾：0.22°

2.1穩(wěn)性校核

浮式風(fēng)機(jī)采用干拖方式進(jìn)行運(yùn)輸時，根據(jù)DNVGL- ST-N001規(guī)范的11.10.2節(jié)，11.10.3節(jié)以及11.10.4節(jié)中對完整和破艙穩(wěn)性校核的規(guī)定，對本次分析中的運(yùn)輸船舶進(jìn)行了完整和破艙穩(wěn)性校核。

根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范要求，浮體搖擺角度和力矩關(guān)系如圖5所示。穩(wěn)性范圍消失角大于36度，回復(fù)力臂與風(fēng)傾力臂的比值大于1.40。

完整穩(wěn)性

·運(yùn)輸船艏吃水7.59m

·縱傾角0.22degrees

·穩(wěn)性消失角73.07deg>36.00deg

·回復(fù)力臂與風(fēng)傾力臂比值7.74>1.40

完整穩(wěn)性滿足穩(wěn)性要求。

破艙穩(wěn)性

為了保證拖航安全，除了校核完整穩(wěn)性，還需要對運(yùn)輸船進(jìn)行破艙穩(wěn)性校核，數(shù)值模擬了所有艙的破艙穩(wěn)性校核，這里只列出了最危險工況的破艙情況。

WB0406破艙穩(wěn)性結(jié)果如下：

·運(yùn)輸船艏吃水7.66m

·縱傾角0.27degrees

·橫搖角-1.97degree

·穩(wěn)性消失角69.68deg>36.00deg

·回復(fù)力臂與風(fēng)傾力臂比值27.00>1.40

破艙穩(wěn)性滿足穩(wěn)性要求。

2.2運(yùn)動響應(yīng)

浮式風(fēng)機(jī)在拖航運(yùn)輸時，不僅要考慮運(yùn)輸船穩(wěn)性，還需考慮運(yùn)輸船的運(yùn)動。在浮式風(fēng)機(jī)的拖航路徑中十年一遇的極限波高為6.2m，根據(jù)DNVGL-ST-N001規(guī)范[3]的11.8.5節(jié)中對波高選取的定義，本次運(yùn)輸船運(yùn)動分析中考慮的海況如下：

0&180deg：Hs=6.2m，Tp=8.98s～13.64s

45&135&225&315deg：Hs=5.58m，Tp=8.52s～12.94s

90&270deg：Hs=3.72m，Tp=7.86s～10.56s

Wave Spectrum：ISSC

Wind Speed：25m/s

利用三維勢流理論進(jìn)行了運(yùn)輸船的水動力分析，運(yùn)輸船在設(shè)計條件下的最大橫搖是11.31度，如表4所示。

由于運(yùn)輸船運(yùn)動，將在浮式風(fēng)機(jī)上產(chǎn)生慣性力，慣性力將轉(zhuǎn)換為加速度，用于綁扎固定設(shè)計。

3結(jié)論

本文針對某一工程實(shí)例，對浮式風(fēng)機(jī)的干拖運(yùn)輸進(jìn)行了完整和破艙穩(wěn)性校核，校核結(jié)果顯示該運(yùn)輸船有足夠的穩(wěn)性對浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行干拖運(yùn)輸。同時針對拖航路徑的不同海況對其進(jìn)行了運(yùn)動分析，運(yùn)動分析的結(jié)果可以用于運(yùn)輸綁扎固定的設(shè)計，從而保證干拖運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]HENDERSON A R，WITCHER D. Floating offshore wind energy—a review of the current status and an assessment of the prospects [J]. Wind Engineering，2010，34（1）：1—16.

[2]陳嘉豪，斐愛國，馬兆榮，龐程燕，海上漂浮式風(fēng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展，南方能源建設(shè)，2020，7 （1）.

[3]DNVGL—ST—N001，Noble Denton Marine Services，Edition 2020.