海上風電安裝船技術發展趨勢及突圍路徑

中國電建集團貴州工程有限公司 王 坤 甘國民

國家能源局在“十二五”規劃中提出在2015年風電規劃裝機容量在1億千瓦左右，而海上風電就達到了500萬千瓦，“十三五”規劃提升至了2.1億千瓦，其中海上風電500萬千瓦，另外隨著各地區相繼響應“十四五”規劃，在碳達峰、碳中和的政策引導下《風能北京宣言》發布，呼吁“十四五”期間年均新增風電裝機容量50GW以上，風電行業裝機容量有望突破新高，由此可知海上風電的受重視程度是較高的。

1 海上風電安裝船分類

1.1 起重船與坐底式風電安裝船

起重船擁有較強的自航能力，起重機械也可直接進行安裝，對其加以利用可保證風機機組順利運送到指定地點并完成相關的安裝作業。這里需指出，水深產生的限制較大，如在淺水區進行作業吃水線是必須要重點關注的。此類船只有著明顯的優勢，移動速度相對較快且操作較為簡單，費用支出可控制在合理范圍內。然而其也有明顯不足，就是天氣、波浪產生的影響較大，工期控制有一定難度，安裝穩定性也是無法保證的，相較于自升式安裝船實際應用存在限制。

在沿海灘涂、極淺水域展開安裝的過程中應要選擇適宜的安裝船，當下常用的是坐底式風電安裝船，簡單來說就是對潮水壓力、壓載系統加以利用，確保坐底能夠順利達成，而對其進行固定時則應選用錨泊系統，這樣就可使得吊裝、安裝順利完成。此種船只在穩定性方面具有優勢，然而水深帶來的限制較大，想要實現快速轉移不太可能，此外要確保船底強度能夠達到要求。此類船只的應用范圍局限于沿海灘涂、極淺水域，而當下的海上風電建設呈現出深度加大的趨勢，這就使其實用性明顯降低。

1.2 自升式與自航自升式風電安裝船

在對海上風電安裝船予以應用時應保證選擇最合適的，而自升式風電安裝船的運用是最為常見的。此種類型安裝船樁腿數量通常在4至6個間，運抵現場后須確保樁腿插入更為順利，同時要保證平臺能夠真正固定到位。在此之后則要對升降裝置加以利用，確保船體能上升至合適位置，在此過程中應將大型起重機的作用充分發揮出來。其優勢較為明顯，有著較大甲板，就可保證風機裝載更為便利，整個作業也呈現出良好的穩定性。當然問題也客觀存在，船只并不擁有自航能力，因而對拖船的依賴性較大，現場移位所需時間較長，操控也不夠靈活，海況條件也要滿足要求方可進行作業。

自航自升式風電安裝船是將自升式平臺、浮式船舶具有的優點加以結合，在自航能力、操縱性等方面具有明顯優勢，可在短時間內完成安裝、移位，風機運載能力也較強，打樁作業能夠順利完成，吊裝的整體效率也會有明顯提高，在展開海上風電建設過程中此種船舶的應用效果是最為理想的。中遠海運船務公司擁有此類船舶4艘，使用的實際情況表現較為優越。在2019年購置的“鐵建風01”擁有的功能更為全面，自升平臺、打樁施工、起重安裝、動力定位、自航運輸以及智能管理等能實現集成，是一艘自主研發的自航自升式風電安裝船，整個設計、建造工作均在國內完成。其樁腿的長度達到了85m，甲板作業面共有2500m2，續航能力則達到3000nmile，海面臺風達到16級或海況較為惡劣時依然能夠保證安裝精度，其具有的起重能力在同類船舶中也處于領先位置。

1.3 改造安裝船

由于海上風電安裝船的緊缺且面臨著沉重履約任務，非自航半潛駁船和鉆井平臺改造成安裝船成為一種有效出路。改造后的安裝船具有諸多優點，在抗風能力、操作穩定性、作業效率等方面優勢顯著。目前改造成功的有非自航半潛駁船改造的“正力潛19000”、鉆井平臺改造的“護衛”號、JU2000E 鉆井平臺改造的“國信”號、CJ46-X100-D 鉆井平臺改造的“國瑄”號等，分別在福建平海灣三期風電場、廣東陽江青洲三500兆瓦海上風電場等海上風電項目得到運用，具有安裝7.0MW以下風機向8.0MW 以上海上風機安裝、淺海向深海風電作業的變化趨勢。

從鉆井平臺改造來看，涉及鉆井包、懸臂梁、井架及相關管系的拆除和滑移，電力系統、通風系統、照明系統、甲板下布置等改造，還有新增結構如履帶吊及行走軌道、雜物吊、吊車擱架、鉤箱、尾部作業平臺及其他輔助結構，以實現海上風電機組塔筒吊裝及翻身、機艙吊裝、葉片吊裝、葉輪吊裝及翻身等作業，并滿足單葉片吊裝、葉輪組合吊裝等不同吊裝方式。

由于吊裝平臺樁腿長且為3根三角桁架式、樁靴面積大、結構穩定、起重能力強，適用大容量、深海海上風電機組的吊裝。鉆井平臺涉及的改造項目比較多、改造時間長、需拖航船只待命、插拔樁費事費力等缺點，導致改造費用高昂，雖緩解了海上風電安裝船的緊張局勢，但只能解決短期內需求，長期考慮還需從設計方面著手研究新的安裝船，改造目的只適用于解決短期內的需求，在后續安裝船的發展趨勢下購買或租賃成品顯得更具有利用價值。

2 海上風電安裝船的技術要點

若想保證海上風電安裝船得到充分利用，須對其技術要點有清晰認知。自升式風力安裝船和自升式鉆進平臺有明顯區別，其重量不大且插裝、拔樁較為頻繁，能在短時間內升降。通常在船尾處要設置功率較大的起重機，這要求站立能夠保持平穩狀態，所以要對結構設計及設備布置等加以重點關注。

2.1 樁腿設計

對作業水深、船體結構等類的因素要有切實了解，在此基礎上將樁腿數量予以確定，同時要保證結構形式是最為合適的，通常樁腿數量應在4至6根之間，而且大多選用的是圓柱形結構，但桁架式結構更加穩定，有較強的抗風浪能力，通常設置3根樁腿。需出的是，必須要保證其結構強度能達到要求，在設計過程中需對幾種工況加以關注。

首先是拖航、自航工況，我國已頒布實施的《海上移動平臺入級規范》中針對船體運動的相關要求進行了細化，搖擺慣性力及傾斜角度均得到了明確，在此基礎上完成強度校核；其次是站立工況，除要考慮平臺自身的重量外，同時要對風浪流外載荷加以重視，在此基礎上將樁腿強度予以明確，特別是要關注的是下固樁楔塊樁靴；再次是預壓、升船工況，其并不屬于控制工況，需注意的是極端天氣帶來的實際影響。

2.2 樁靴設計

整個設計過程中須對樁靴予以重視，其形式、大小均要作為關注重點，要選擇合適的施工裝備，作業效率也須提升，且要在短時間內完成拔插樁，所以要保證插樁深度最為合適，對海底地質條件有切實的了解，在基礎上確定樁底壓強，各種影響因素均要納入考慮范圍，保證選擇是最為合適的。若想保證結構強度設計能做到位，須對以下工況予以關注：首先是預壓工況，也就是使得預壓載荷真正做到同心分部；其次是作業工況，需關注最大樁腿反力，了解其對樁靴產生的實際作用；再次是特殊工況，樁腿所具有的最大垂直反力應加以重視，確定其對樁靴底部能夠造成的實際影響。

2.3 船體設計

海上風電安裝船、平板駁船的相似度較高，前者在長寬比值方面更大。需指出的是，對圍阱結構區域進行設置時須要慎之又慎，站立作業過程中須保證過度中垂能切實避免。設計過程中應對甲板載荷加以關注，保證分布是最為合理的，結構尺寸須保證更加科學，即保證板厚、型材最為合適，從船體結構強度角度須對以下工況加以關注。

一是拖航、自航工況。當船體處于漂浮狀態時，針對結構強度予以分析，特別是要對樁腿搖擺時固樁區域實際情況有切實了解；二是站立工況。要對正常作業、風暴期間船體具有的強度加以分析，其屬于控制工況；三是預壓工況、升船工況。預壓、拔樁發生危險的幾率較高，要從實際情況出發來對船體強度展開全面分析。整體強度設計須做到位，要對局部強度加以重視，即要將設備底座、升降圍阱區域及直升機甲板均納入到考慮范圍中。另外拖航穩性及站立穩性須要和規范要求相符合。

2.4 升降系統設計

海上風電安裝船實際應用時須對作業安全性加以重視，而要達成這個目標，使用的升降系統切不可出現任何安全問題。需指出的是，當前使用的升降裝置較為多樣，其中普遍使用的有電動齒輪齒條式、液壓油缸頂升式及鋼絲繩式，且不同形式各有優點與不足。

動齒輪齒條式已較成熟，可在短時間內實現升降，但頻繁升降會導致齒輪、齒條損壞，使用壽命必然受到影響；鋼絲繩式也得到普遍應用，但在安全性及可靠性等方面存在問題，因而使用范圍受到限制。從海上風電安裝平臺現狀看，液壓油缸頂升式的應用較為常見，為保證應用效果更理想，須對插銷、環梁及液壓系統的設計予以重視，而電動齒輪齒條式則要保證齒輪及齒條強度最為合適，傳動系統、軸承強度等方面的設計也須做到位，升降裝置公差、升降系統基礎等設計也應予以強化。

2.5 其他部分設計

吊機底座設計。海上風電安裝船需配備合適的起重機，在將吊重能力明確后，對底座的形式、位置加以確定，并要保證和船體有效連接。要保證吊機底座屈服強度以及屈曲強度的設計是最為合理的，支撐肘板也應該要完成疲勞設計，確保和既定的標準要求是相符的。

穩性設計。需對漂浮穩性、站立穩性均加以重視。海上風電安裝船的船舷并不大，艙室采用集中布置方式，在展開穩性分析過程中，平臺穩性、船艙穩性時須加以重點關注。展開站立穩性分析的過程中，舷外起吊、環境載荷保持同一方向的話，須對最壞影響予以關注。簡單來說就是要保證機電設備、防火設備、消防設備等方面的設計是最為合理的，其和自升式平臺并不存在明顯差異，但要保證和現行規范標準相符。

3 海上風電安裝船的發展趨勢與思考

從早期安裝船舶來說，通常是對海洋工程船舶進行改造，然而在風機變大之后，船舶規模過小的話，起重的能力、高度就很難得到滿足，而且使用的過程中還會導致機動能力以及定位性能難以保證，一旦風浪過大的話，作業就難以展開，效率也變得較為低下。所以在設計海上風電場的過程中，必須要保證安裝裝備能夠滿足需要。在現階段，海上風險呈現出深水發展趨勢，因而要對海上風電安裝船予以改變。

適用水深明顯增加。在當前時期，海上風電場建設工作成為關注的重點，而且深水逐漸成為主要的建設場地，而要保證相關工作順利展開，安裝設備應該要能夠具有較強的適應力。眾所周知，灘涂水深能夠達到60米，當浮式風機更為成熟之后，海上風電安裝船必須要確保使用水深能夠有大幅增加。

主吊能力明顯加大。現階段海上風機功率呈現逐漸加大趨勢，8.3MW 海上風機已得到應用，其重量也非常大。采用一體化吊裝方式可使成本控制在合理范圍內，效率也會大幅提升，而要實現這個目標，安裝設備須具有更強的吊裝能力。當下的海上風電安裝平臺吊裝能力可達到800至1200噸，已研制出主吊能力達到1600噸的風電安裝船；主甲板可用面積大幅增加。若想保證安裝效率有明顯提升，須保證風機設備能滿足實際需要，安裝船須具有更大運載能力，這就要求主甲板面積滿足需要，才能和當下發展需求相適應。

主甲板具有的承載能力切實增強。在展開風電設備安裝時設備重量持續加大，安裝能力也得到提升，這就要求主甲板須擁有較強承載能力，當前已達到20t/m2，且呈現出逐漸增加的趨勢；功能會得到進一步完善。從海上風電場建設現狀看，須保證風電安裝船具有更為全面的功能且人員承載能力要提升，直升機甲板也是不可缺少的。

關鍵部門要重視海上風電開發。職能部門要認識到海上風電開發的重要性，并將支持、引導作用展現出來。海上風電開發涵蓋領域較多，不同單位的認知也不同，管理標準也未能統一，因而相關部門要完成好溝通、協調等工作，尋找可行途徑保證管理更具實效性，使得海上風電行業能保持穩健發展，這對海上風電安裝船發展也可起到促進作用。

需擁有自主知識產權的安裝船。對海上風電安裝船予以大力開發，尤其要保證船型產品擁有自主知識產權。我國擁有海上風電安裝船設計能力的企業不多，且在展開船型開發時將市場需求作為出發點，使產品未能實現系列化。海上風電開發的受重視程度大幅提升，要求設計單位切實完成好研發工作，確保船型產品真正擁有自主知識產權，并能在國際市場中具有較強競爭能力。