玉環海域風機安裝船舶適用性分析

王玉林，顧鵬程，李志環

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

2 風機安裝船舶類型介紹

目前，風機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 系統的浮式起重船是利用DP 系統來抵消風、浪、流等其它自然條件對海上風機安裝船舶穩性的不利影響，可以有效的改善浮態起重吊裝的應用條件。

（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，可以有效規避浪、流對船舶穩性的干擾，應用最為廣泛。

（3）坐底安裝船。坐底安裝船是采用船舶坐底（船舶坐入泥質或沙質海床）的方式來提高施工時的船舶穩性。通過控制壓載艙內外海水的進出使船舶實現下潛坐底和上浮。按吊機型式分，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 直驅永磁型風力發電機型，風機機組規格尺寸[1]如下表所示。

表1 風機機組規格參數表

風場設計高水位為+2.82m，設計低水位為-2.18m，泥面標高最低為-9.42m。[2]風機輪轂中心高程為+114.5m。風機機組吊裝采用“分體式+整體風輪”吊裝工藝[1]，因吊點設置及吊具結構等原因，發電機吊高需保證8m 余量，機艙、風輪吊高需保證10m 余量，機艙、風輪吊高要求最高，吊高高程為+124.5m。吊裝最重組件為風輪172.8t，吊重安全系數取1.3，風輪所需吊重最大為225t。故風輪吊裝要求最高，需滿足吊重≥225t，吊高高程≥+124.5m。

風機基礎混凝土承臺直徑16.4m[2]，風機安裝船與承臺保持7m 以上安全距離，且風機安裝船與承臺間距離不宜過大。風機安裝船吊機與承臺側船舷距離為l1，則風機安裝船吊幅應≥（l1+15.2）m。

浮吊船漂浮于水面上進行施工，風場設計低水位為-2.18m，浮吊船甲板面與水面距離為h1，風機輪轂中心高程為+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，須滿足吊重≥225t，吊高≥（126.68-h1）m 施工要求。

自升式起重船風機安裝施工時，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，須滿足吊重≥225t，吊高≥（121.68-h2）m 施工要求。

坐底船坐底入泥進行風機安裝施工，設坐底船型深為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，須滿足吊重≥225t，吊高≥(135.92-h3)m 施工要求。

3.2 穩性分析

3.2.1 浮吊船穩性

華電玉環1 號海上風電場項目一期工程北區風場海域各月平均風速為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]；玉環海域涌浪較大，浮吊船穩性受涌浪影響較大，可滿足浮吊船施工海況較少，嚴重影響安裝的月可作業天數。

3.2.2 自升式起重船穩性

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。因自升式起重船進行風機安裝施工時，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、坐底船船舶穩性較強[11]。

3.2.3 坐底安裝船穩性[8][9][10]

玉環風電項目采用“德浮1200”風機安裝船，以“德浮1200”為例對坐底船穩性進行計算分析，根據計算結果，坐底安裝船滿足于玉環海域工況。

在坐底工況，正常作業時坐底安裝船抗傾安全系數Kq 應不小于下1.6[3]。自存狀態時抗傾安全系數Kq 應不小于下1.4[3]。

在坐底工況，正常作業時坐底安裝船抗滑安全系數KH 應不小于1.4[3]。自存狀態時抗傾安全系數Kq 應不小于下1.2[3]。

表2 抗傾計算結果

表3 抗滑移計算結果

從船舶抗傾及抗滑移計算結果來看，“德浮1200”坐底安裝船可以滿足玉環海域進行風機安裝施工，其它類似坐底船穩性可按此計算方法進行驗證。

4 經濟性分析

根據浮吊船，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機安裝船舶進行經濟性對比分析。

根據玉環海域水文氣象資料及現場實際施工經驗分析（2020年10月至2021年4月），浮吊船于玉環海域進行風機安裝施工，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1 號海上風電場項目采用“分體式+整體風輪”吊裝工藝。根據現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機2.59 臺；自升式起重船月平均安裝風機4.4臺，工效最高，但市場資源緊張，船機租用成本較高；坐底安裝船月平均安裝風機3.56臺。

據市場調研，配備DP 系統浮吊船施工作業時，日平均油耗為30t。自升式起重船施工作業時，日平均油耗為8t，坐底船施工作業時平均每日油耗為5t。

表4 經濟分析表

經分析，浮吊船、自升式起重船、坐底船平均單臺風機安裝成本約為886 萬元、717 萬元、583 萬元，相較于浮吊船、自升式起重船，坐底安裝船單臺風機成本最低，經濟適用性最高。

5 結語

玉環海域現場施工條件惡劣，涌浪較大，施工窗口期短，風機安裝施工工期要求嚴格。從3 種風機安裝船舶功能性看，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，作業效率相對較低，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生的影響，作業率相對較高。但現階段我國可于玉環海域進行施工的船舶資源較為稀缺。坐底安裝船在玉環海域地址條件下有較強的適應性，穩定性高，船舶資源相對豐富。避免了傳統樁靴插拔困難的問題。

從經濟方面對比分析，三類風機安裝船中，坐底船平均每臺風機安裝成本最低，經濟適用性最高。故若于玉環海域進行風機安裝施工，坐底安裝船最為適用。

本文針對玉環海域的氣象、水文、地質情況，對三種風機安裝施工船舶從功能性、經濟性方面進行了適用性分析，可為類似工程提供一定的參考。