4000 噸自航式全回轉(zhuǎn)起重船“海峰2001”輪的研制

朱亞洲

（中交海峰風(fēng)電發(fā)展股份有限公司，上海 200030）

1 國內(nèi)外大型全回轉(zhuǎn)起重船的現(xiàn)狀

風(fēng)能作為一種可再生清潔能源，近二十年來發(fā)展迅速，相比陸上風(fēng)力發(fā)電，海上風(fēng)力發(fā)電具有風(fēng)速快、噪音污染小、電磁波干擾少等諸多優(yōu)點。海上風(fēng)電的建設(shè)近幾年高速發(fā)展，截止2021 年底總裝機容量已達到26G，十四五和十五五期間海上風(fēng)電仍然保持快速增長，同時海上風(fēng)電也開始逐漸走向深遠(yuǎn)海化。

大型全回轉(zhuǎn)起重船作為海上風(fēng)電施工的專用裝備，是一種多功能的風(fēng)電施工船舶。主要包括單樁基礎(chǔ)打樁、導(dǎo)管架基礎(chǔ)安裝、負(fù)壓筒基礎(chǔ)安裝、升壓站安裝及其他海事工程，其最大重量達到3000t 及以上，施工時利用大型起重船將基礎(chǔ)吊起，垂直放置海床自然沉降，再利用大型液壓打樁錘進行擊打沉樁至固定標(biāo)高。在海上風(fēng)電最初發(fā)展的十年，由于海上風(fēng)電大部分規(guī)劃在近海區(qū)域，水深較淺，風(fēng)電基礎(chǔ)重量及尺度較小，采用海油鋪管施工、平臺施工及打撈作業(yè)的大型起重船進行風(fēng)電基礎(chǔ)施工，而這類型的起重船雖具備較強的動力定位能力和起重能力，但其顯著特征吊高較小。如上海打撈局“創(chuàng)力號”、廣東打撈局“華天龍?zhí)枴薄⑷A西海工“華西5000”以及其他大型起重船。海上風(fēng)電進入第二個十年后，逐漸走向深遠(yuǎn)海化，施工水域更深，基礎(chǔ)更重，尺度更大，對起重能力和吊高要求更高。國內(nèi)典型起重能力3000t 以上起重船吊高均無法滿足要求，國內(nèi)典型大型起重船統(tǒng)計如表1 所示。

表1 國內(nèi)大型起重船統(tǒng)計表

國內(nèi)已建造的大型全回轉(zhuǎn)起重船基本來源于海上石油施工船舶，專用于海上風(fēng)電施工的大型起重船數(shù)量僅為幾艘。海上石油施工船舶具備較強的動力定位能力，且適用于水下起重打撈作業(yè)，缺點是吊高較低，普遍起升高度在90m 左右，國內(nèi)近幾年新建幾艘專用于海上風(fēng)電施工大型起重船，該類型起重船雖然在起升高度有較大幅度增加，但動力定位能力較弱，大部分船舶沒有配置DP-2 級動力定位系統(tǒng)，而采用常規(guī)的錨泊定位，需要多艘拋錨船輔助錨泊定位，在深遠(yuǎn)海作業(yè)時受限于海況條件影響，輔助拋錨船舶抗風(fēng)浪能力普遍較弱，可作業(yè)窗口期短，施工效率低，大大降低起重船作業(yè)時間。目前只有“烏東德”號大型起重船具備DP-2 動力定位能力，經(jīng)研究分析該艘船舶電力系統(tǒng)采用6600v 中壓電力系統(tǒng)，動力定位作業(yè)工況下采用三段母排分開運行，四臺發(fā)電機同時工作，在海況較好情況下，發(fā)電機通常在低負(fù)荷情況下運轉(zhuǎn)，經(jīng)濟性較差。

中交海峰發(fā)展規(guī)劃為海上風(fēng)電配套大型施工裝備，已建成的海峰1003、海峰1005、海峰1006 以及在建海峰1001、海峰1002 自升式風(fēng)電安裝船，專用于海上風(fēng)電風(fēng)機安裝，為海上風(fēng)電鏈長單位三航局做施工裝備強力支撐。三航局一直致力于海上風(fēng)電場建設(shè)，已建成東海一、二期風(fēng)場工程，陽江砂扒，中廣核平潭等海上風(fēng)電項目，在建12 個項目，占市場份額50%以上。中交海峰充分吸收海上風(fēng)電施工作業(yè)經(jīng)驗，總結(jié)歸納海上風(fēng)電基礎(chǔ)發(fā)展趨勢，研究國內(nèi)外高新裝備制造技術(shù)，研制出具備國際先進水平、國內(nèi)領(lǐng)先，適用于深遠(yuǎn)海風(fēng)電基礎(chǔ)施工與運輸?shù)拇笮推鹬卮c配套單位深入研究電力系統(tǒng)，研發(fā)出一種適用于海上風(fēng)電作業(yè)的6600v 中壓電力閉環(huán)系統(tǒng)，大大降低本船動力定位作業(yè)工況油耗，提升本船的經(jīng)濟性。本船借鑒了深水打撈起重船、起重鋪管船等船型的方案，從船舶性能及功能實現(xiàn)展開研究，本文就該船主要的設(shè)計思路和具體實施方案介紹如下：

2 船型及總布置

首先明確該船要達到的功能是：

（1）該船具備水深100m 海上風(fēng)電基礎(chǔ)施工作業(yè)，包括單樁打樁、導(dǎo)管架及負(fù)壓筒基礎(chǔ)安裝；

（2）該船具備DP-2 動力定位系統(tǒng)，能夠在3kn流速、2.5m 有義波高、6 級風(fēng)海況下施工作業(yè)；

（3）該船具備自航能力，能夠運輸3 根2000t 單樁、3 座2000t 導(dǎo)管架或2 座3000t 導(dǎo)管架基礎(chǔ)遠(yuǎn)洋運輸；

（4）該船具備其他海工基礎(chǔ)施工作業(yè)，包括海上石油導(dǎo)管架、橋梁結(jié)構(gòu)等海洋工程。

對于大型起重船，船舶主尺度、起重能力及經(jīng)濟性是重要的性能指標(biāo)，船舶主尺度能夠適應(yīng)深遠(yuǎn)海風(fēng)電作業(yè)，穩(wěn)性及抗風(fēng)浪能力滿足廣東、福建100m 水域作業(yè)要求，船舶主尺度太小，抗風(fēng)浪能力弱，船舶橫搖、縱搖大，起重機無法正常作業(yè)，船舶主尺度太大，經(jīng)濟性較差，造價成本高，綜合考慮選擇最佳的船舶主尺度，既能滿足水深100m 海上風(fēng)電施工，船舶經(jīng)濟也較好。起重能力衡量全回轉(zhuǎn)起重船作業(yè)能力最重要的性能指標(biāo)，起重能力的大小直接影響本船是否能夠適應(yīng)海上風(fēng)電基礎(chǔ)施工作業(yè)，起重能力太大，對船舶主尺度要求較高，船舶造價高昂，起重能力太小，無法覆蓋海上風(fēng)電基礎(chǔ)施工，經(jīng)充分研究海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式，選擇最優(yōu)的起重機，以保證能夠滿足深遠(yuǎn)海風(fēng)電基礎(chǔ)施工作業(yè)。本船的經(jīng)濟性直接關(guān)系到建造的可行性及必要性，其中油耗又是經(jīng)濟性的關(guān)鍵指標(biāo)，如何更好地節(jié)省燃油消耗是研究本船的重要因素，油耗太高，本船的經(jīng)濟太低，回收期過長，投資收益回報率低。經(jīng)充分研究，研發(fā)出一種專用于海上風(fēng)電施工作業(yè)的中壓閉環(huán)電力系統(tǒng)，打破常規(guī)的動力定位作業(yè)三段母排獨立運行模式，采用動力定位作業(yè)時電力系統(tǒng)閉環(huán)運行，充分發(fā)揮柴油機使用效率，減少發(fā)電機運行臺數(shù)，減少油耗的同時，增加柴油機的使用壽命，提升了本船的經(jīng)濟性及經(jīng)營周期。結(jié)合上述考慮，最終確定船舶主尺度、起重機選型、電壓系統(tǒng)及其他主要性能參數(shù)，如下所示：

本船的主要性能參數(shù)：

船舶類型：自航式全回轉(zhuǎn)起重船

船舶能力：4000t（固定吊）3000t（全回轉(zhuǎn)）

船長*船寬*型深：195m*46.9m*16m

設(shè)計吃水：12m

定員：150 人

航速：10kn

動力定位：DP-2

主機功率：6*3850kw

推進系統(tǒng)：艉部3*3000kw 全回轉(zhuǎn)舵槳，首部3*3000kw 側(cè)推裝置

主起重機：主鉤固定尾吊4000t@40m/120m，全回轉(zhuǎn)3000t@45m/120m

甲板載荷：15t/m2

錨泊定位系統(tǒng)：8*120t 變頻錨絞機

電力系統(tǒng)：6600v 中壓閉環(huán)電力系統(tǒng)

船級符號：CSA Floating Crane;Lifting appliance;Ice Class B;PSPC(B);In-Water Survey;SPS；CSM AUT-0;DP-2(CB);Electrical Propulsion System;G-EP(AFS,GPR,GPR(EU));G-ECO(BWM(T));NEC(SCRS)

本船總布置圖如圖1 所示：

圖1 總布置圖

3 主尺度的選擇

船長是船舶的重要表征，與船舶的快速性、耐波性、總布置、經(jīng)濟性等關(guān)系緊密。從快速性考慮船長對阻力有較大影響，在推進條件相同情況下，降低船舶阻力是提高船舶快速性的有效辦法，且航行中摩擦阻力占總阻力的成分較大，因此增加船長對減小興波阻力，改善船舶的快速性效果有限。從船舶的耐波性角度考慮，增加船長對縱搖和垂蕩都是有利的。結(jié)合本船作業(yè)海況，有義波高2.5m 對應(yīng)的4 級海況下，平均周期8～9 秒，估算出表觀波長平均值約100m～130m，根據(jù)耐波性理論，船長大于1.5 倍波長，船舶耐波性較好，此時無論是否發(fā)生諧搖，縱搖和垂蕩都不會很大。船長較小的船難免發(fā)生較大的縱搖和垂蕩。本船船長大于 1.5λ ≈（150米～195 米），這樣在大多數(shù)情況抗縱搖性能較好。從總布置方面考慮，該船配備主起重機、錨泊定位系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)等集成系統(tǒng)，對船舶長度的分配有一定的要求，同時，本船具備單樁、導(dǎo)管架遠(yuǎn)洋運輸能力，綜合以上因素，合理選取最佳的船舶長度，取190m 左右對經(jīng)濟性、總布置、快速性、耐波性能都比較有利。

船舶寬度的選擇主要考慮因素為穩(wěn)性、橫搖性能、大型設(shè)備和設(shè)施布置等，船寬是影響穩(wěn)性的決定性因素，大型起重機、基礎(chǔ)運輸?shù)仍O(shè)備和構(gòu)件，均設(shè)于主甲板上，船舶重心較高。作業(yè)時為滿足船體傾角的要求，船舶應(yīng)有足夠的GM 高度。因此，要求船舶寬度能適當(dāng)取大。從船舶運動角度考慮，應(yīng)盡量增大船的橫搖周期，橫搖周期愈大，則在波浪上的橫搖愈平穩(wěn)，橫搖角和橫搖加速度愈小，并且海上易遭諧搖的程度也愈小。橫搖周期與初穩(wěn)性高度有很大關(guān)系，而船寬又在很大程度上影響著初穩(wěn)性高度。從耐波性角度出發(fā)，船舶寬度不宜過大。為更好地滿足穩(wěn)性、甲板機械設(shè)備和設(shè)施布置及總布置要求，控制船舶的橫搖周期和橫搖角度。綜合考慮，船寬取48 米。

船舶型深選擇的主要考慮穩(wěn)性、耐波性、調(diào)傾能力，對于同等體量的船舶，B/d 越小，耐波性越好。本船型深取16 米，深遠(yuǎn)海作業(yè)時B/d 為3.83，大部分起重船B/d 在4.15～5.1 范圍內(nèi)，本船相對于大部分起重船具有更好的耐波性能。

4 額定起重量

本船型專用于深遠(yuǎn)海風(fēng)電基礎(chǔ)施工，以及兼顧其他海洋工程。海上風(fēng)電基礎(chǔ)的形式主要包括單樁、導(dǎo)管架（多種形式）、高樁承臺、吸力筒等，近海風(fēng)電主要以單樁和高樁承臺基礎(chǔ)為主，未來50 米及以上水深遠(yuǎn)海風(fēng)電基礎(chǔ)主要以導(dǎo)管架、負(fù)壓筒結(jié)構(gòu)形式為主，目前單樁基礎(chǔ)最大重量已達到3000t，導(dǎo)管架和負(fù)壓筒重量更重，重量達到4000t，本船主起重機的選擇即能在近海作業(yè)，也能覆蓋深遠(yuǎn)海作業(yè)，因此對額定起重量的選擇尤為關(guān)鍵。海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不同于海洋石油工程，其特點要求具有較大的起升高度，因此起重機的起升高度同樣重要，經(jīng)分析十四五、十五五期間海上風(fēng)電風(fēng)場規(guī)劃，研究出具備4000t 額定起重能力，120 米起升高度的重型起重機，起重機工作圖如圖2 所示：

圖2 起重機工作圖

5 中壓電力系統(tǒng)的選擇

5.1 電制的選擇

為充分適應(yīng)船舶各種作業(yè)工況需求及具有較高的定位響應(yīng)速度，本船采用全電力推進系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)主要設(shè)備組成包括：6 臺3850kw 主發(fā)電機組、3 臺尾部全回轉(zhuǎn)推進器、3 臺首部側(cè)向推進器、高壓配電板、各推進器驅(qū)動電機、變壓器、變頻器以及推進控制系統(tǒng)。電力推進系統(tǒng)組成參考示意圖如圖3 如下：

圖3 電力推進系統(tǒng)組成圖

本船電站總?cè)萘吭?0MW 左右，在目前的技術(shù)條件下，塑殼式斷路器與空氣斷路器在690V 電壓等級下，其最大分?jǐn)嗄芰s100kA，遠(yuǎn)不能滿足短路電流分?jǐn)嗄芰σ螅虼酥苯右筇嵘娋W(wǎng)電壓等級，電網(wǎng)電壓設(shè)置在6.6kV，目前高壓船用真空短路器的短路電流分?jǐn)嗄芰υ?1.5kA 左右，能滿足本船的使用需求。考慮本船動力定位能力（DP-2）要求，將推進系統(tǒng)分為三組，每組推進系統(tǒng)包括2 臺主發(fā)電機組、一段6.6kV 中壓配電板、1 臺尾部全回轉(zhuǎn)推進器、1 臺首部側(cè)向推進器（其中1 組無該側(cè)推）以及各推進器對應(yīng)驅(qū)動電機/變頻器/移向變壓器等設(shè)備組成。

電力推進系統(tǒng)采用冗余設(shè)計，增加系統(tǒng)的操作安全性。高壓主配電板分為3 段母排，通過3 臺日用變壓器與3 座低壓主配電板連接。每臺主推進器采用12 脈沖變頻驅(qū)動，每臺艏側(cè)推采用12 脈沖變頻驅(qū)動，連接在同一段匯流排上的1 臺主推進器與1 臺艏側(cè)推組成虛擬24 脈沖系統(tǒng)，有效的控制整個電網(wǎng)諧波。

整個電力系統(tǒng)（6.6kV、400V 及230V 配電板）靈活設(shè)計，可分區(qū)供電也可集中供電。6.6kV 高壓主配電板可以分段運行，也可以并聯(lián)運行；本船電力單線圖如圖4 所示。

圖4 電力單線圖

5.2 閉環(huán)運行

閉環(huán)電網(wǎng)作為一項新興解決方案，目前應(yīng)用在一些鉆井平臺、大型起重船以及飽和潛水支持船等船型上。相比傳統(tǒng)電網(wǎng)，閉環(huán)電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機共享負(fù)載，減少運行發(fā)電機的數(shù)量，增加發(fā)電機的負(fù)荷，減少主機的積碳，提高運行效率，節(jié)約燃油，減少發(fā)電機運行時間，同時能降低碳與氮的排放，系統(tǒng)的可靠性與靈活性高，節(jié)能環(huán)保。當(dāng)然系統(tǒng)復(fù)雜性提高，技術(shù)難度大，閉環(huán)電網(wǎng)對于包括配電板保護、發(fā)電機保護、故障穿越、短路仿真和實船短路試驗等方面有更高的要求。一方面增加單臺發(fā)電機的輸出功率，提升發(fā)電機的功率/ 油耗比。另外，減少發(fā)電機組的運行時間也有助于減少潤滑油消耗，減少維護保養(yǎng)和更換配件所需的費用。在出現(xiàn)單點故障時，需及時切除故障，如隔離故障的發(fā)電機或匯流排，確保電網(wǎng)其他正常部分能繼續(xù)工作。最大單點故障只損失1 臺主發(fā)及1 臺推進器。相比較分區(qū)供電的電網(wǎng)而言，動力定位能力有較大的提升。

本船采用環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，則高壓配電板按照主發(fā)電機組數(shù)量分為6 段匯流排，每段匯流排上設(shè)1 臺主發(fā)、1 臺推進器。DP 全在線工況下，高壓配電板組成環(huán)網(wǎng)運行，大部分環(huán)境條件下發(fā)電機的負(fù)載都較小，閉環(huán)電網(wǎng)只運行2 臺或3 臺發(fā)電機。

6 DP-2 動力定位系統(tǒng)

根據(jù)航行能力和動力定位要求，本船尾部配置3 臺3000kW 全回轉(zhuǎn)推進器，首部配置3 臺3000kW 隧道式側(cè)推，如圖5 所示。依據(jù)動力系統(tǒng)的配置及動力定位能力分析，計算工況如表2 所示。（本船的動力定位設(shè)計環(huán)境條件如下：6 級風(fēng)，風(fēng)速取13.8m/s，最大波高2.5m，流速為3.0kn。）

圖5 推進裝置布置圖

圖6 12 米吃水抗風(fēng)能力曲線

表2 完整及失效模式示意圖

由于風(fēng)、浪、流同向的時候?qū)Υw的載荷作用最大，計算時將風(fēng)、浪、流置于同向，分別計算0o～180o范圍內(nèi)的抗風(fēng)能力曲線和功率利用率，載荷方向的間隔為10o，可根據(jù)對稱性得到180o～360o范圍的抗風(fēng)能力曲線和功率利用率。

完整模式情況下，12 米吃水下抗風(fēng)能力曲線如圖66 所示。從圖上可以看出，可實現(xiàn)-70°～70°，110°～250°范圍內(nèi)的動力定位要求。

單艉推進器失效情況下，抗風(fēng)能力曲線如圖7 所示：從圖上可以看出，-30°～30°，150°～210°可實現(xiàn)在失效模式設(shè)計環(huán)境條件下的動力定位要求。

單艉推進器失效情況下，12 米吃水抗風(fēng)能力曲線如圖8 所示：從圖上可以看出，-20°～20°，160°～200°可實現(xiàn)在失效模式設(shè)計環(huán)境條件下的動力定位要求。

圖8 單艉推進器失效下12 米吃水抗風(fēng)能力曲線

經(jīng)計算，可以發(fā)現(xiàn)在12 米吃水下，動力定位在完整模式具有良好的定位能力，可定位能力艏向角度很大，可以較好的滿足就位時的定位要求。在單一故障情況下，本船仍可以獲得-20～20 度的有利艏向，能保證一定的動力能力保證應(yīng)急措施的實施。起重作業(yè)主要以錨泊定位為主，動力定位系統(tǒng)用于風(fēng)場就位以及拋錨過程的定位，也能滿足有利艏向條件下起重作業(yè)的動力定位能力。

7 錨泊定位能力

全回轉(zhuǎn)起重船在作業(yè)過程中需要保持船位，為了維持起重船的正常作業(yè)，必須抵抗外在環(huán)境條件的作用，限制船舶的位移，因此需要一套可靠的定位系統(tǒng)來保障起重船在各種工況下的作業(yè)和安全，可行的方式有動力定位和錨泊定位兩種，海上風(fēng)電施工時兩種系統(tǒng)結(jié)合使用，對于需要長時間定位系統(tǒng)施工時，錨泊定位更加經(jīng)濟。目前，以典型的單樁基礎(chǔ)為例，單個單樁典型的施工周期約為1～2 周時間，但實際上需要精確定位的“吊樁-沉樁-打樁”時間一般僅約12～24 小時，大部分時間是處于待命狀態(tài)，采用錨泊定位更加節(jié)省燃油消耗。本船作業(yè)工況采用 8 點分布式錨泊定位。A 甲板首部每舷各布置 2 個出錨點，主甲板尾部布置 2 個出錨點。8點錨泊定位系統(tǒng)布置方式如下圖9 所示。

圖9 錨泊系統(tǒng)定位布置圖

8 結(jié)語

4000t 自航式全回轉(zhuǎn)起重船技術(shù)先進，在海上風(fēng)電施工領(lǐng)域具備領(lǐng)先地位，其船型設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)緊湊，功能全面。船舶動力定位和錨泊定位能力適應(yīng)深遠(yuǎn)海風(fēng)電施工需求，其動力系統(tǒng)采用中壓閉環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)濟性高、節(jié)能環(huán)保、性能優(yōu)越。主起重機的選型適應(yīng)海上風(fēng)電基礎(chǔ)打樁、安裝需求，船舶主尺度滿足起重作業(yè)的功能要求，并兼顧耐波性、穩(wěn)性、總縱強度和經(jīng)濟性方面的要求。該船舶總體達到作業(yè)效率高、技術(shù)先進、節(jié)能環(huán)保。解決了海上風(fēng)電施工船舶資源缺乏難題，為海上風(fēng)電工程提供有力的裝備支撐，該船型設(shè)計思路及設(shè)備配置給相類似船型設(shè)計提供借鑒。