玉環(huán)海域風(fēng)機(jī)安裝船舶適用性分析

王玉林，顧鵬程，李志環(huán)

（1.華電重工股份有限公司，北京 100160；2.中交路建海上工程公司，上海 201100）

1 工程簡述

華電玉環(huán)1 號海上風(fēng)電場項目一期工程位于浙江省玉環(huán)市近海海域，場區(qū)中心離岸距離約15.8km。場區(qū)水深7～10m，海底地形較平坦，為濱海相沉積地貌單元。風(fēng)場位置水下灘面地形較平緩，場區(qū)內(nèi)表層土以淤泥質(zhì)土為主，海底泥面高程在-9.20～-7.00m（本文標(biāo)高基準(zhǔn)面均為85 高程）之間，表層淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚度達(dá)15m～40m。[2]

2 風(fēng)機(jī)安裝船舶類型介紹

目前，風(fēng)機(jī)安裝船舶大致分為浮吊船、自升式起重船、坐底安裝船三種[4][7]。

（1）浮吊船。配備DP 系統(tǒng)的浮式起重船是利用DP 系統(tǒng)來抵消風(fēng)、浪、流等其它自然條件對海上風(fēng)機(jī)安裝船舶穩(wěn)性的不利影響，可以有效的改善浮態(tài)起重吊裝的應(yīng)用條件。

（2）自升式起重船。自升式起重船是通過電動液壓或電動齒輪條式升降裝置帶動樁腿升降，將船體升至脫離海面的一定高度，可以有效規(guī)避浪、流對船舶穩(wěn)性的干擾，應(yīng)用最為廣泛。

（3）坐底安裝船。坐底安裝船是采用船舶坐底（船舶坐入泥質(zhì)或沙質(zhì)海床）的方式來提高施工時的船舶穩(wěn)性。通過控制壓載艙內(nèi)外海水的進(jìn)出使船舶實現(xiàn)下潛坐底和上浮。按吊機(jī)型式分，常見的坐底安裝船又分為海工吊、履帶吊兩種[5][6]。

3 功能性分析

3.1 起重性能

本項目安裝的是東方電氣7MW 直驅(qū)永磁型風(fēng)力發(fā)電機(jī)型，風(fēng)機(jī)機(jī)組規(guī)格尺寸[1]如下表所示。

表1 風(fēng)機(jī)機(jī)組規(guī)格參數(shù)表

風(fēng)場設(shè)計高水位為+2.82m，設(shè)計低水位為-2.18m，泥面標(biāo)高最低為-9.42m。[2]風(fēng)機(jī)輪轂中心高程為+114.5m。風(fēng)機(jī)機(jī)組吊裝采用“分體式+整體風(fēng)輪”吊裝工藝[1]，因吊點設(shè)置及吊具結(jié)構(gòu)等原因，發(fā)電機(jī)吊高需保證8m 余量，機(jī)艙、風(fēng)輪吊高需保證10m 余量，機(jī)艙、風(fēng)輪吊高要求最高，吊高高程為+124.5m。吊裝最重組件為風(fēng)輪172.8t，吊重安全系數(shù)取1.3，風(fēng)輪所需吊重最大為225t。故風(fēng)輪吊裝要求最高，需滿足吊重≥225t，吊高高程≥+124.5m。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土承臺直徑16.4m[2]，風(fēng)機(jī)安裝船與承臺保持7m 以上安全距離，且風(fēng)機(jī)安裝船與承臺間距離不宜過大。風(fēng)機(jī)安裝船吊機(jī)與承臺側(cè)船舷距離為l1，則風(fēng)機(jī)安裝船吊幅應(yīng)≥（l1+15.2）m。

浮吊船漂浮于水面上進(jìn)行施工，風(fēng)場設(shè)計低水位為-2.18m，浮吊船甲板面與水面距離為h1，風(fēng)機(jī)輪轂中心高程為+114.5m，吊高須滿足距甲板以上114.5+10-（-2.18）-h1=（126.68-h1）m，故浮吊船需在吊幅≥（l1+15.2）m 范圍內(nèi)，須滿足吊重≥225t，吊高≥（126.68-h1）m 施工要求。

自升式起重船風(fēng)機(jī)安裝施工時，起升船體至海面以上，使船體不受波浪荷載。船體甲板與水面距離為h2，則吊高須滿足114.5+10-2.82-h2=（121.68-h2）m。故浮吊船需在吊幅≥（l1+15.2）m 范圍內(nèi)，須滿足吊重≥225t，吊高≥（121.68-h2）m 施工要求。

坐底船坐底入泥進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝施工，設(shè)坐底船型深為h3，坐底入泥2m，則吊高須滿足114.5+10-（-9.42-2）-h3=（135.92-h3)m。故浮吊船需在吊幅≥(l1+15.2)m范圍內(nèi)，須滿足吊重≥225t，吊高≥(135.92-h3)m 施工要求。

3.2 穩(wěn)性分析

3.2.1 浮吊船穩(wěn)性

華電玉環(huán)1 號海上風(fēng)電場項目一期工程北區(qū)風(fēng)場海域各月平均風(fēng)速為4.9～7.5m/s,平均流速為0.54m/s，波周期均值為4.6s，最大波高均值為1.25m[2]；玉環(huán)海域涌浪較大，浮吊船穩(wěn)性受涌浪影響較大，可滿足浮吊船施工海況較少，嚴(yán)重影響安裝的月可作業(yè)天數(shù)。

3.2.2 自升式起重船穩(wěn)性

自升式起重船是通過電動液壓或電動齒輪條式升降裝置帶動樁腿升降，并將船體上升至海面以上一定高度，支撐其在海上作業(yè)。因自升式起重船進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝施工時，船體處于海面以上，船體受水流荷載、波浪荷載影響較小。相對浮吊船、坐底船船舶穩(wěn)性較強(qiáng)[11]。

3.2.3 坐底安裝船穩(wěn)性[8][9][10]

玉環(huán)風(fēng)電項目采用“德浮1200”風(fēng)機(jī)安裝船，以“德浮1200”為例對坐底船穩(wěn)性進(jìn)行計算分析，根據(jù)計算結(jié)果，坐底安裝船滿足于玉環(huán)海域工況。

在坐底工況，正常作業(yè)時坐底安裝船抗傾安全系數(shù)Kq 應(yīng)不小于下1.6[3]。自存狀態(tài)時抗傾安全系數(shù)Kq 應(yīng)不小于下1.4[3]。

在坐底工況，正常作業(yè)時坐底安裝船抗滑安全系數(shù)KH 應(yīng)不小于1.4[3]。自存狀態(tài)時抗傾安全系數(shù)Kq 應(yīng)不小于下1.2[3]。

表2 抗傾計算結(jié)果

表3 抗滑移計算結(jié)果

從船舶抗傾及抗滑移計算結(jié)果來看，“德浮1200”坐底安裝船可以滿足玉環(huán)海域進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝施工，其它類似坐底船穩(wěn)性可按此計算方法進(jìn)行驗證。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)浮吊船，自升式起重船，坐底安裝船的工效、租金和燃油成本等方面對三類風(fēng)機(jī)安裝船舶進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比分析。

根據(jù)玉環(huán)海域水文氣象資料及現(xiàn)場實際施工經(jīng)驗分析（2020年10月至2021年4月），浮吊船于玉環(huán)海域進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝施工，平均每月施工窗口期約為11天；自升式起重船相對受涌浪影響較小，施工窗口期較多，平均每月施工窗口期約為22 天；坐底安裝船坐底施工時，船舶穩(wěn)性相對較高，但相比自升式起重船，易受涌浪影響，平均每月施工窗口期約為16 天。

華電玉環(huán)1 號海上風(fēng)電場項目采用“分體式+整體風(fēng)輪”吊裝工藝。根據(jù)現(xiàn)場實際水文氣象情況及施工工效分析，浮吊船月平均安裝風(fēng)機(jī)2.59 臺；自升式起重船月平均安裝風(fēng)機(jī)4.4臺，工效最高，但市場資源緊張，船機(jī)租用成本較高；坐底安裝船月平均安裝風(fēng)機(jī)3.56臺。

據(jù)市場調(diào)研，配備DP 系統(tǒng)浮吊船施工作業(yè)時，日平均油耗為30t。自升式起重船施工作業(yè)時，日平均油耗為8t，坐底船施工作業(yè)時平均每日油耗為5t。

表4 經(jīng)濟(jì)分析表

經(jīng)分析，浮吊船、自升式起重船、坐底船平均單臺風(fēng)機(jī)安裝成本約為886 萬元、717 萬元、583 萬元，相較于浮吊船、自升式起重船，坐底安裝船單臺風(fēng)機(jī)成本最低，經(jīng)濟(jì)適用性最高。

5 結(jié)語

玉環(huán)海域現(xiàn)場施工條件惡劣，涌浪較大，施工窗口期短，風(fēng)機(jī)安裝施工工期要求嚴(yán)格。從3 種風(fēng)機(jī)安裝船舶功能性看，浮吊船受涌浪影響較大，同樣浪潮較大時會影響其正常作業(yè)，作業(yè)效率相對較低，工期也存在不確定性。自升式起重船可以有效的防止海上情況對吊裝產(chǎn)生的影響，作業(yè)率相對較高。但現(xiàn)階段我國可于玉環(huán)海域進(jìn)行施工的船舶資源較為稀缺。坐底安裝船在玉環(huán)海域地址條件下有較強(qiáng)的適應(yīng)性，穩(wěn)定性高，船舶資源相對豐富。避免了傳統(tǒng)樁靴插拔困難的問題。

從經(jīng)濟(jì)方面對比分析，三類風(fēng)機(jī)安裝船中，坐底船平均每臺風(fēng)機(jī)安裝成本最低，經(jīng)濟(jì)適用性最高。故若于玉環(huán)海域進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝施工，坐底安裝船最為適用。

本文針對玉環(huán)海域的氣象、水文、地質(zhì)情況，對三種風(fēng)機(jī)安裝施工船舶從功能性、經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行了適用性分析，可為類似工程提供一定的參考。