半潛駁改造坐底式風電安裝船關鍵技術

張吉海，金 曄，陳 波，蔡舒鵬

（1.中國鐵建港航局集團有限公司，廣東珠海 519000；2.廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006）

0 引言

海上風電[1]是可再生清潔能源，具有風資源大、風能密度高、風湍流小、發電量大、環境影響小、靠近工業中心輸送距離短、電網消納能力強等諸多優點，受到世界各國的高度重視與大力發展。我國風能資源十分豐富，具備大規模發展海上風電的先天條件[2]，隨著清潔能源的開發推廣，在節能減排、氣候變化、能源短缺及能源供應安全形勢日趨嚴峻的大形勢下，海上風電成為綠色能源開發的主要方向[3]。海上風電安裝裝備是制約海上風電快速發展的最主要原因[4]。歐洲市場對海上風電施工裝備的研發已有30年，已形成一套從研發、建造、試驗、改進等一套完整的體系流程[5]；而國內對于海上風電施工裝備的研發尚處于初級階段[6]。根據當前風電安裝船施工效率，平均每月最多4～5臺，國內現有風電安裝設備已遠遠不能滿足在建海上風電場風機安裝的需要[7]。

目前國內海上風機安裝作業主要有兩種型式的風電安裝船：自升式[8]和坐底式[9]。其中坐底式風電安裝船通過自身的壓載系統調節自重使船體緩慢、穩定地下沉并與海底泥面接觸，利用泥面的支撐力保持船體平穩，從而進行現場風機安裝作業，適用于近海淺水區作業。王憲森等[10]研究了1 600 t坐底安裝船改造過程中的冷卻系統設計問題；閆方超等[11]對坐底式風電安裝船的坐底強度進行了有限元計算校核，為其設計和改造提供了借鑒；陸梅興等[12]研制了一套船體結構應力監測系統，用于半潛駁改造為坐底式風電安裝船后對砂性地質條件引起的沖刷和船底掏空的監控；高民[13]使用商用軟件FLUENT對風電安裝船坐底沖刷條件下的總體強度進行了研究。本文以“鐵建潛01”船為例，從功能定位、參數選型等方面對半潛駁改造坐底式風電安裝船進行了改造技術分析，使目標船能更好地發揮自身性能，進一步增強了我國海上風電建設裝備實力。

1 項目概況及目標船

1.1 項目概況

江蘇華爾銳啟東H3#項目位于江蘇啟東近海海域，風電場址中心距岸約37 km，海底地形較為平緩，屬于南黃海濱海相沉積地貌單元。場區內地基土表層以粉砂為主，水深10～16 m。啟東H3#風電場區呈梯形狀分布，東西跨度約16 km，南北跨度約2.7 km，規劃海域面積43 km2。該施工海域潮汐特征屬正規半日潮海區。

1.2 目標船簡介

目標船“鐵建潛01”原是一艘具有10 000 t級舉力的帶輔助推進非自航半潛甲板駁。箱形船體、四角塔樓、艏艉船底斜切、舉升甲板無脊弧無梁拱、圓弧舭部、單底單甲板鋼質焊接結構。船舶主要技術參數如表1所示。

表1 船舶主要技術參數

2 功能定位

2.1 綜合要求

為緩解國內風電安裝船高度緊缺、風電安裝能力嚴重不足的局面，擬在保持“鐵建潛01”原船尺寸不變的情況下，對該目標船進行改造：新增1個工作平臺、1臺主起重機和1臺輔起重機及相關配套，最終滿足國內近海淺水區7 MW以下風機安裝要求。

改造完成后，該船以半潛坐底的方式進行風機安裝施工，即通過壓載海水使船體坐底，利用坐底穩性及海床支持力完成精確定位后進行風機組件的吊裝施工。該施工工藝能降低海況條件對起重機作業的工況限制，提高近海淺水區的風機安裝能力，為縮短風機安裝周期和降低施工成本創造了先決條件。

2.2 主起重機選型

主起重機類型及大小的選取將考慮現有項目的風機組件的重量及不同風機吊裝需要的吊裝高度，同時兼顧到未來海上風電市場風機增大所需的起重機規格?！拌F建潛01”改造用起重機可選方案有兩種。

（1）海工吊方案

“鐵建潛01”改造起重機使用海工吊加筒體方案，即使用該筒體連接起重機基座和船底部分，同時通過增加筒體高度來提高海工吊吊高。海工吊方案具有較好的穩定性、適應性、安全性，且不配置超起，占地面積小，受風浪影響小，對海床要求不高等特點。

海工吊按類別可分為：全回轉起重機和非全回轉起重機。起重機按起吊方式可分為：單鉤頭起吊、多鉤頭起吊及分別采用單鉤吊裝和雙鉤或多鉤吊裝。中交三航局半潛駁改造船“三航工5”采用的為360°全回轉海工吊單鉤方案。如圖1所示。

圖1 “三航工5”海工吊方案

（2）履帶吊方案

履帶吊方案是將1 260 t或1 600 t履帶吊放置在工裝平臺上，利用履帶吊來吊裝風機組件的方案。該方案具有改造速度快，且改造船舶易恢復等特點，中交三航局半潛駁改裝船“航工半潛駁3號”采用的為履帶吊方案。如圖2所示。

圖2 “航工半潛駁5號”履帶吊方案

海工吊方案和履帶吊方案的選取將從安全適用、操作穩定等方面綜合考慮，兩種方案優缺點分析如表2所示。

表2 海工吊方案與履帶吊方案優缺點分析

經分析比較，海工吊方案相較于履帶吊方案更具安全性、適用性、操作性與穩定性。履帶吊在有現貨時安裝較快，但是無現貨時，備貨周期較海工吊更長，且施工安全性較低，經方案認證海工吊方案更適合“鐵建潛01”改造為坐底式風電安裝船的起重機。同時，根據半潛坐底式風電安裝船的施工工藝，起重機宜選用360°全回轉起重機，起吊方式單鉤頭吊重。

2.3 定位能力

由于坐底施工工藝對船舶坐底時的縱、橫傾斜度要求較高，需要隨時監控船體海床地質變化情況，以便調整其橫縱傾和水平度。通常采用的定位系統有DP動力定位系統和錨泊定位系統兩種。

我國現有自升式風電安裝船，大部分采用錨泊定位系統或DP-1動力定位系統，少數采用DP-2動力定位系統。錨泊定位系統可靠性強，成本較低，但每次定位需要錨艇配合作業，拋起錨作業時間較長。我國現有坐底式風電安裝船幾乎都采用了錨泊定位系統，“鐵建潛01”改造船由于其坐底特性，將采用系泊錨機的方式來進行船舶定位。

綜上所述，“鐵建潛01”改造船的功能定位以半潛坐底式風機安裝工藝滿足在江蘇華爾銳啟東H3#以及江浙等其他淺水區海域風電項目施工為目的。改造后船舶在下潛和上浮的過程中各項工況都要滿足穩性要求[14]，以求最大可能完成7 MW及以下風機安裝施工任務。

3 主要參數確定

3.1 主起重機

“鐵建潛01”改造船的主起重機的參數確定主要依托啟東H3#項目風機組件的重量及尺寸，啟東H3#項目風機相關參數如表3所示。由表可知，啟東H3#項目風機組件最大吊重在276 t，考慮起重吊具及起重機適應性，“鐵建潛01”改造船的主起重機最大起重能力在350 t為宜，且考慮船舶施工安全距離15 m，主起重機中心距船舶舷外15 m。因此，該改造船主起重機吊重參數選定需滿足350t@30m。

表3 啟東H3#項目風機相關參數

啟東H3#項目各類風機安裝時所需吊高最高為吊鉤離海平面最低高度加平均最高潮位水深即130 m+17.5 m≈148 m（含吊具、吊鉤高度、水深），而“鐵建潛01”型深6 m，即主起重機主鉤跨距30 m時吊鉤距舉升甲板約142 m。

3.2 輔起重機

輔起重機主要用于風機組件的調駁以及葉輪組拼后吊裝時溜尾作業。在進行風機組件的吊裝時，底段塔筒由于電氣設備安裝問題通常采用立式運輸，即使用主起重機直接吊裝風機底段塔筒至機位基礎上，其他段塔筒采用主輔起重機抬吊翻身或由專用吊具翻身后，主起重機吊裝至底段塔筒之上。其主要參數質量如表4所示。由表可知，風機組件吊裝時，取次重段塔筒數據，4種機型最重段塔筒最重為120 t，主輔起重機配合抬吊，考慮船舶施工靠泊間隙10～15 m，輔起重機基座中心距舷外5 m，因此輔助起重機參數需滿足60t@20m才能正常吊裝。

表4 啟東H3#項目風機組件參數

由于輔起重機主要用于葉輪吊溜尾作業，因葉片長度約為80 m，在葉輪吊起吊時需提高至甲板面45 m以上，再緩慢移動至舷外；考慮輔起重機吊鉤高度及吊具長度約15 m，因此輔起重機的吊高需到舉升甲板面60 m以上。

3.3 坐底能力

“鐵建潛01”改造船由于其獨特的船舶結構特點，能夠滿足0～18 m水深范圍內的施工作業。原空船質量約5 310 t，改裝后空船質量增加約2 900 t，共計約8 200 t；改裝后，空船平浮吃水約3.0 m。其改造后各部件的主要質量如表5所示。

表5 改造后新增質量參數表

3.4 工裝平臺

“鐵建潛01”改造船在舉升甲板以上增加一個工裝平臺，桁架式工裝平臺與舉升甲板以焊接形式連接，用于堆放風機組件以及專用吊索具、工具用具等，平臺由鋼管桁架支撐于舉升甲板上。

由于該改造船經設計驗算最大作業深度為18 m，即舉升甲板以上12 m，海浪高度富裕3 m，即增加3 m下沉深度，即“鐵建潛01”改造船最大作業水深18 m，最大坐底自沉水深為21 m，工裝平臺總面積約1 900 m2。

3.5 定位系統

鑒于DP動力定位系統價格昂貴，且改造時間較長，“鐵建潛01”由于其改造的特殊性將采用錨泊定位系統。為滿足施工海域風、浪、流綜合作用力下的作業條件，根據計算每臺電動定位錨機的額定能力為30 t，并配置5.85 t的AC-14大抓力錨，錨索端配備短錨鏈。

3.6 抗滑移能力

為加強改造后的抗傾斜、抗滑移能力，避免坐底后由于海底涌浪及地質原因導致船舶滑移，在船體四周增加5個抗滑移樁位，3根抗滑樁。在每根抗滑樁的布置位置處船體上下各設置1個船體基座，抗滑樁長約30 m，直徑1.6 m，壁厚25～30 mm?？够瑯兜脑黾幽苡行ПO控坐底式平臺在定位作業過程中遭遇的地基液化、淘空、滑移問題。

船舶在坐底作業時改變了周圍水流的流速和流態，造成一定程度的海底沖刷，沖刷的程度與地基狀況、船舶結構及潮流變化等因素有關[15]。當施工區域船底由于流急等海洋水文原因導致海床沖刷嚴重時，將會導致船舶坐底應力變化，即造成集中受力的情況，且這種情況較難通過理論進行計算得出。為防止這類情況的發生，需裝備各類檢測系統來對船底情況進行檢測，避免由于船底掏空和傾斜造成船舶損壞[16]。

3.7 改造后的坐底式風電安裝船

“鐵建潛01”以原船尺寸為基礎，增加了主起重機、輔起重機、工裝平臺，在保有原坐底能力的情況下，增加了大型起重功能，最終確定了改造后的參數如表6所示。

表6 改造后的坐底式風電安裝船性能參數

3.8 經濟性分析

“鐵建潛01”原值為6 196萬元，船齡5年，改造時凈值為5 019萬元，改造新增投入約9 360萬元。與新造一臺同等級施工能力的海上風電安裝平臺相比，不僅大幅度節約了成本，建造時間也大幅縮短，同時搶占了市場先機。

研制的新型半潛坐底式海上風電安裝平臺，其坐底和起浮等工序作業時間平均為8 h，每月風機安裝臺數為2.5～3臺風機，年安裝月份總計10個月，年安裝風機總臺數為25～30臺風機。船舶改造實施周期是2年，1年內完成改建投入使用，根據目前市場上安裝一臺風機報價300～400萬元，預計1年可產生7 500～12 000萬元的經濟效益。

4 結束語

本文針對一種適用于國內近海淺水區的半潛坐底式風電安裝船改造及其功能定位和參數選型等關鍵技術進行了探討，通過以上配置分析，該坐底式風電安裝船具有如下優點。

（1）受涌浪等條件影響相對較小。主動坐底式施工工藝無需插拔樁和保供壓操作工序，施工較便捷，上浮和下潛等船舶操作時間較短，省去了支腿船插拔腿和保壓的時間，時效性更強。

（2）能夠適用自升式風電安裝船無法站樁的近海潮間帶及淤泥較厚地帶的風電場施工。

（3）主起重機采用最大起重能力600 t的海工吊，性能穩定，安全可靠，可滿足近海7 MW及以下風機作業高度和起吊重量要求。

（4）具備抗滑移功能，坐底施工穩定性、精準性更高。同時具備應力檢測和船底掏空系統，能夠及時發現并處理由于海底地質原因導致的海底沖刷、船體傾斜等。

綜上所述，半潛坐底式風電安裝船與自升式平臺船可形成優勢互補和資源互換，半潛駁改造風電船將緩解國內海上風電風機安裝施工的壓力，進一步推進“3060”碳達峰、碳中和目標的進程。