如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全性分析*

張 笛，金 曄，鄭和輝，陳旭東，薛 馳，林 峰，蔡舒鵬

（1.武漢理工大學交通與物流工程學院，武漢 430070；2.中鐵建港航局集團有限公司，廣東珠海 519075；3.招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226100；4.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇南通 226000；5.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣州 510006）

0 引言

海裝如東400 MW海上風電場（如東H3#）位于江蘇省南通市如東縣東側(cè)的牛角沙海域，如東H1#風電場南側(cè)。場區(qū)中心離岸距離39 km，海床面高程為-3.1～-23.5 m（1985國家高程基準），平面布置呈梯形，東西方向長約為18 km，南北方向平均寬約為6 km，規(guī)劃面積約為90 km2。風電場總裝機容量400 MW，安裝80臺單機容量5.0 MW變槳變速風力發(fā)電機組，包括55臺海裝H151-5.0 MW機型和25臺海裝H171-5.0 MW機型。海裝如東海上風電場的地理位置如圖1所示。

圖1 海裝如東400 MW海上風電場位置示意圖

本文重點針對海上風電施工和運維作業(yè)對風機、航行環(huán)境等存在的影響進行深入分析[1]，并提出緩解措施。風電場風機施工期間，施工船舶進出作業(yè)水域以及現(xiàn)場風機安裝改變了水域通航環(huán)境，對船舶通航的安全性造成危險。國內(nèi)早期的研究主要關(guān)注風電場施工本身安全與可靠性保障技術(shù)，例如海上風機安裝平臺起重機結(jié)構(gòu)可靠性[2]、吊臂優(yōu)化設(shè)計[3-5]、風機樁腿焊接技術(shù)[6-7]、防腐蝕技術(shù)[8]等。對于風電場風機施工通航安全性的研究起步較晚，其成果相對薄弱，主要包括風電場施工風險、對策措施以及通航安全監(jiān)管3個層次的內(nèi)容，如：梁帥[9]、黃意財[10]、楊逸飛[11]等對海上風電場施工對通航環(huán)境的影響及風險進行分析，意圖理出風電場施工安全風險源；陳傳全[12]、嚴輝煌[13]等結(jié)合風電場施工安全現(xiàn)狀，從不同方面提出了通航安全措施及體系；袁志濤[14]、張華偉[15]等從安全監(jiān)管的角度保障海上風電場施工作業(yè)安全。本研究對海裝如東400 MW海上風電（H3#）項目風機施工通航安全風險源分析及評估，用以保障風機施工作業(yè)安全，豐富海上風電場施工安全相關(guān)理論和實踐。

1 海裝如東400 MW海上風電（H3#）項目風機施工通航安全風險源分析

根據(jù)海裝如東400 MW海上風電場（如東H3#）項目施工方案，風電場風機主體施工順序為：鋼管樁等鋼結(jié)構(gòu)制作→穩(wěn)樁定位平臺安裝→沉樁（高應變檢測）→穩(wěn)樁定位平臺拆除→基礎(chǔ)防護→附屬構(gòu)件安裝→風機安裝及調(diào)試送電→單位工程驗收。從風機施工的4個主要環(huán)節(jié)進行通航安全風險源分析，即：施工材料及人員運輸、單樁基礎(chǔ)沉樁施工、附屬設(shè)備安裝施工以及風機設(shè)備吊安裝施工。

（1）施工材料及人員運輸

風機、鋼管樁、附屬結(jié)構(gòu)等大型構(gòu)件材料均通過海上拖帶方式運輸至施工現(xiàn)場，風機葉片、輪轂等設(shè)備航行路線涉及我國長江航行及沿海航線，水深條件良好，滿足本工程運輸駁船航行所需水深要求，由于運輸頻次不高，運輸船舶在遵守避碰規(guī)則的基礎(chǔ)上，執(zhí)行相關(guān)水上交通安全法規(guī)，對現(xiàn)有長江航線及沿海航線通航秩序和通航環(huán)境的影響較?。皇┕と藛T及小型機械設(shè)備由洋口港碼頭通過海上交通船經(jīng)海運進場。施工材料及人員運輸期間的風險源同一般海上運輸及拖帶作業(yè)較為類似，主要來自于風、波浪以及駁船穩(wěn)性及操縱性。海上運輸及拖帶作業(yè)期間，運輸需要注意風對拖帶作業(yè)的影響（特別注意橫風影響），降低風對船舶帶來的影響，尤其是海上大件設(shè)施的拖帶運輸受風影響較為明顯，極易因大風導致船舶搖晃，甚至翻沉。

（2）單樁基礎(chǔ)沉樁施工

單樁基礎(chǔ)沉樁施工采用“穩(wěn)樁定位平臺穩(wěn)樁、起重船吊打沉樁”的工藝。單樁沉樁施工分兩條線進行平行施工，一條線選擇1 600 t起重船“穩(wěn)強8”+穩(wěn)平2（穩(wěn)樁定位平臺）；另一條線選擇1 000 t起重船“秦航工65”+650 t全回轉(zhuǎn)起重船“海洋52”。施工期間，現(xiàn)場沉樁施工安全性主要來自3個方面的威脅：一是外界船舶（如漁船等）誤入施工水域，影響作業(yè)安全；二是沉樁施工位于外海，波浪掩護條件較差，受風浪影響較大，容易引起船舶搖晃、沉樁不到位等現(xiàn)象，甚至可能發(fā)生失控、走錨，同時受潮汐的影響風機樁基礎(chǔ)的出水面可能會被海水淹沒，不易被過往船舶識別；三是起重船吊裝工藝及穩(wěn)性若不符合要求，可能會引起船舶側(cè)翻。

（3）附屬設(shè)備安裝施工

附屬構(gòu)件的安裝包括防撞管、爬梯、內(nèi)平臺、外平臺、電纜管、陰極保護系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的安裝。為避免防撞管、爬梯、內(nèi)平臺、外平臺、犧牲陽極、電纜管等結(jié)構(gòu)在打樁過程中損壞，均考慮沉樁后現(xiàn)場安裝。內(nèi)平臺在沉樁之后立即安裝，集成式附屬構(gòu)件在場內(nèi)制作組拼，現(xiàn)場整體吊裝。該階段主要采用600 t級起重船進行附屬構(gòu)件的安裝施工。這一安裝施工階段和單樁基礎(chǔ)沉樁施工較為類似，危險主要來自起重船作業(yè)期間。因此，附屬設(shè)備安裝施工期間危險源主要為風、浪以及起重船操作安全。

（4）風機設(shè)備吊安裝施工

海裝5.0 MW風機采用“塔筒和機艙分體吊裝、輪轂和葉片組裝成葉輪后整體吊裝”的安裝工藝。風機機組安裝施工期間，包括浮吊船定位、風機塔筒吊安裝、風機機艙吊裝、風機葉片甲板面組裝、風機葉輪吊裝等主要的現(xiàn)場作業(yè)環(huán)節(jié)。該施工階段主要為吊裝作業(yè)，吊裝期間施工船舶定位后會在海面以上留下錨纜，過往船只由于船速過快，較難發(fā)現(xiàn)錨纜的位置，其螺旋槳容易和錨纜絞到一起，使施工船偏離原始點位，甚至發(fā)生碰撞事故；現(xiàn)場吊裝作業(yè)受風影響較大，大風及風生浪容易導致施工作業(yè)船舶產(chǎn)生較大搖擺，甚至可能發(fā)生失控、走錨，同時風力過大也容易導致風機安裝不到位或掉落海中，成為水中礙航物。

海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全風險源如圖2所示。

圖2 海裝如東400MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全風險源

2 海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全性評估

在海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全分析的基礎(chǔ)上，為了更為清晰地展示海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全風險等級程度，采用模糊數(shù)學法判定海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全風險等級。

為了較好地進行風險等級判別，邀請了10位具有海上風電施工經(jīng)驗的船長及現(xiàn)場管理者填寫調(diào)查表，其中涉及的相關(guān)權(quán)重取值以及判斷矩陣均通過專家調(diào)查表獲取。

（1）風險評語集

將海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全評判等級劃分為以下5個等級：安全、相對安全、一般、相對危險、危險。不同評判級別所對應的范圍如表1所示。

表1 不同評判級別所對應的數(shù)學表達范圍

（2）確定權(quán)重

每位專家對每一層級的每項指標賦予一定權(quán)重值，權(quán)重值從0～1中選取，取值越大，所對應指標的重要性越大。

（3）判斷矩陣

每位專家按照風險評語集中的5種等級對各項指標作出判斷，據(jù)此每項指標的不同等級均有一個判斷值，將不同等級判斷值除以總的專家數(shù)量就獲得了每項指標的判斷矩陣。

根據(jù)調(diào)查表計算每項指標的權(quán)重值以及判斷矩陣如表2所示。

表2 每項指標的權(quán)重值以及判斷矩陣

（4）評判結(jié)果

二級指標施工材料及人員運輸下的三級指標權(quán)重值W（0.3,0.32,0.38），其 所 對 應 的 判 斷 矩 陣 為，則二級指標施工材料及人員運輸風險等級值Q計算如下：

根據(jù)計算結(jié)果可知，施工材料及人員運輸風險等級為一般安全。同理，單樁基礎(chǔ)沉樁施工、附屬設(shè)備安裝施工、風機設(shè)備吊安裝施工風險等級值分別為2.54、2.71和2.85。

則海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全 風 險 等 級 值 為（2.844×0.24+2.54×0.23+2.711×0.25+2.852×0.28）=2.74，海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全風險等級為一般。

3 海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全保障措施

通過對海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工作業(yè)風險分析及評估結(jié)果可知，雖然海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工作業(yè)安全風險等級為一般安全，但在風機運輸及安裝期間仍易誘發(fā)水上交通事故，需采取針對性的預防控制措施。

3.1 針對施工材料及人員運輸?shù)姆揽卮胧?/h3>

風機、鋼管樁、附屬結(jié)構(gòu)等大型構(gòu)件材料在拖帶運輸前，需要對拖帶期間的船舶穩(wěn)性以及涉及的相關(guān)通航要素（拖力、通航水深、通航寬度）進行核算，并做好系固，確保拖帶作業(yè)期間的通航安全；風機等大型構(gòu)件拖帶運輸受外界影響較大，需要根據(jù)氣象以及海況預報資料，選擇合適的時間作為構(gòu)件運輸?shù)钠鹜先眨斖蠋ё鳂I(yè)條件不滿足起拖條件時，禁止開展拖帶作業(yè)。

拖帶運輸期間，施工材料及人員運輸所經(jīng)海域船舶交通密度較大，必須制定詳細的航行計劃，嚴格遵守相關(guān)規(guī)定，在航行過程中駕駛員要謹慎駕駛，注意瞭望，小心避讓，加強安全值班，通過VHF等通訊設(shè)備加強船舶之間的交流，提前明確船舶動態(tài)，防止意外事故的發(fā)生。

3.2 針對單樁基礎(chǔ)沉樁施工的防控措施

沉樁施工過程中，如遇到風浪較大侵襲時，船舶搖晃，落錘不穩(wěn)，難以達到實際落錘效果，甚至溜錘乃至樁傾斜，影響施工作業(yè)效率及安全。施工作業(yè)期間，必須嚴格按照施工作業(yè)限制條件進行施工，并安排專人收集氣象預報并將氣象信息傳輸給施工船舶，提高施工作業(yè)效率及安全。

為了防止外界船舶進入作業(yè)水域，需要提前向海事申請發(fā)布航行通告，并在施工船舶外圍設(shè)置警戒維護船，用以提醒船舶繞開作業(yè)水域。

風機基礎(chǔ)沉樁施工完成，為了確保其在大潮淹沒時能夠被他船發(fā)現(xiàn)，須在鋼管樁頂部設(shè)置醒目的警示帶或警示燈，以提醒過往船舶注意。

3.3 針對附屬設(shè)備安裝施工的防控措施

附屬設(shè)備安裝期間，必須要在合適的風級條件下進行作業(yè)，降低因大風引起的船舶晃動，使得安裝失敗，設(shè)置設(shè)備掉落；起重施工現(xiàn)場作業(yè)期間嚴格限制浪高對施工作業(yè)的影響，當浪高大于1.5 m或者視當時海浪情況對施工作業(yè)安全造成影響的，立即停止作業(yè)。

附屬設(shè)備起重期間需要認真驗算各吊點承受力要滿荷載要求，每班吊裝起重前安全檢查吊具完好上吊。起重吊裝前做好必要的安全技術(shù)交底，堅持做到“十不吊”。作業(yè)時起重臂下設(shè)置作業(yè)半徑范圍警示標志，禁止無關(guān)人員入內(nèi)。

3.4 針對風機設(shè)備吊安裝施工的防控措施

風機設(shè)備安裝在定位、水平校正方面要求精度較高，且風機安裝高度很高，增加了施工的復雜性。因此要求施工在綜合考慮風、浪、流的影響下，控制好船位、船舶的航向和船舶的搖擺，并且制定相應的管理措施，包括施工船舶之間的避讓關(guān)系、行動規(guī)則、聯(lián)系方式等，同時對施工人員進行培訓，規(guī)范施工船舶之間的相互協(xié)調(diào)行動，保證安全和工程的順利進行。

施工期間，加強拋錨作業(yè)船舶船艏和船尾的瞭望，在錨纜靠近錨的一端拴上有鮮艷顏色的漂浮物（錨標），避免過往船只絞纜，影響吊安裝施工。

4 結(jié)束語

由于風電場風機施工的特殊性及危險性，風機構(gòu)件的運輸以及現(xiàn)場安裝不可避免地對水域通航安全產(chǎn)生影響，本文分析了風機施工全過程涉及到的4個主要環(huán)節(jié)，即：施工材料及人員運輸、單樁基礎(chǔ)沉樁施工、附屬設(shè)備安裝施工以及風機設(shè)備吊安裝施工進行通航安全風險源分析，在此基礎(chǔ)上將專家經(jīng)驗和歷史數(shù)據(jù)有效融合，利用模糊數(shù)學法進行計算得出海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全風險等級為一般，最后針對風機施工的4個主要環(huán)節(jié)提出了針對性的安全防護措施，研究結(jié)論有助于為保障海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工作業(yè)安全提供決策支持。