復雜海況條件下海上風電施工主作業船適用性分析

林逸凡，劉玉飛，王小合，逯 鵬，趙 輝，崔文濤

應用研究

復雜海況條件下海上風電施工主作業船適用性分析

林逸凡，劉玉飛，王小合，逯 鵬，趙 輝，崔文濤

（華電重工股份有限公司，北京 100070）

海上風電建設項目組織難度大、成本高，施工受海洋環境制約顯著。海上作業面中，用于基礎施工和風機吊裝的主作業船，其適用性對項目實施順利與否具有關鍵的決定因素。以廣東某海上風電建設項目為例，基于多年風浪數值后報數據，考慮基礎施工主作業起重船的可作業風速、波高、波周期以及海上施工特點，以建設周期內的可作業天數為評價指標，分析滿足建設要求的船舶所需達到的抗風浪水平，幫助業主和承建單位對主作業船進行選型。

海上風電 起重船 適用性研究 可作業窗口期

0　引言

本項目場址位于廣東省揭陽市海域，場址中心距離陸岸約25 km，場區內水深約34～39 m之間。規劃裝機總容量約500 MW，擬安裝46臺單機容量12 MW風電機組，計劃采用先樁法導管架型式基礎[1]。根據前期調研，該海域4至9月海況更好，為實現當年開工、當年并網，項目進度安排要求海上風電機組安裝于4月啟動，9月底必須全部完成。為保障上部機組安裝不受基礎施工進度限制，按期完成任務，基礎施工進度需要于7月底結束。根據廣東海域過往建設經驗，單個機位完成小樁施工和導管架安裝，平均工時約3天左右，46個機位共需可作業天數138天，項目考慮配置2個基礎作業面，平均至4至7月，單個基礎作業面中起重船的月可作業天數要求達到17天水平。結合風場所處海域的水文條件，本研究分析了主作業起重船滿足項目建設要求需達到的性能水平。在此基礎上，論證目前國內海上風電施工領域主要起重船舶在工程海域的適用性。

1　可作業水平分析

為提高評估的可靠性，需收集工程海域多年長期歷史風浪數據。項目研究中，歷史風場數據采用歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）開發的全球大氣再分析產品ERA5再分析風場，時間分辨率為1h，相較于前代ERA-Interim，該后報風場應用了更先進的Cycle 41r2四維同化技術，并將更多高質量的實測資料作為輸入數據用以再分析，是目前海洋工程領域研究氣象條件主流的數據集合[2]。海浪則基于SWAN模式[3]，對廣東近海區域進行了精細化數值后報。過程中，對影響模擬精度顯著的風能輸入項、白帽耗散項以及海底摩擦耗散項參數進行了校正，模擬輸出與實測數據比較顯示具有較高的準確性。

圖1 滿足風浪和時長限制條件的窗口期示意圖

圖2 可作業天氣窗口長于1d要求下，不同風浪限制條件對應的4-7月平均月可作業天數

目前，評估施工船舶可作業天氣窗口主要考慮風速和浪高[4]，本工程屬于離岸較遠的無掩蔽海域，起重船在該海域施工受長周期涌浪及風涌混合浪影響顯著，因此更接近實際對可作業天氣窗口進行分析，需考慮波浪周期。另一方面，包括起重船主吊機起、落大臂，運輸船靠泊等準備工作需1到2小時，從時效和安全性考慮，現場正常情況下不會利用短暫天氣窗口進行搶裝作業，因此，為使評估結果更接近于實際，分析中進一步對窗口期的時長進行約束。由此，目標施工船在某一時間段內根據極限環境條件判斷可作業，但時長短于約束條件，則該時間段將不被計入窗口期。對于時長限制，以導管架基礎施工為例，工效3天，考慮起重船移、就位及定位架施工，鋼管樁翻樁、插打樁施工及定位架拆除，導管架吊裝及消缺等作業可按順序間斷進行，窗口期的最短時長根據1天估計較為合理（如圖1所示），相當于現場根據天氣預報，未來至少24小時內的海況良好則組織施工。

由數據集提取工程海域近20年逐小時風浪數據，根據界定規則，研究中針對不同的極限風浪組合，篩選了4～7月份逐年、逐月的可作業天氣窗口并計算總時長，在此基礎上，將各月份可作業總時長的20年平均值作為最終的指標用于評估可作業水平。圖2展示了可作業時長大于等于1天條件下，極限風速為五級（10.7m/s）和六級（13.8m/s）時不同波浪組合條件對應的4至7月平均月可作業時長。圖中，用紅色圓圈標記了可滿足施工要求（4至7月的平均月可作業時長大于17天）的最低限度的浪高和波周期。如圖可見，風力由五級提升至六級，船舶的可作業天數幾乎沒有增加，影響適用性的關鍵因素在于船舶的耐波穩性。

2　船機適用性分析

廣東海域水深、風浪條件差，基礎施工需采用大噸位和強起重能力的船舶，包括租金、油水和人員費用在內，單月使用成本可達到2000甚至3000萬元。本項目在船機選型階段，考慮了目前國內主流的起重船舶，類型包括半潛式起重船，全回轉浮吊船及固定桅桿浮吊船，表1列出了收集到的各船舶的基本參數及可作業海況，其中，風速和海浪有效波高結合規范要求和廣東、浙江海域的過往施工經驗給出。對于海浪周期，考慮起重船通常船艏迎浪布置，該情況下當海浪波長與船長接近時會引起較大的船舶晃動[5]，本研究中假定起重船吊裝作業條件下海浪波長應小于0.8倍船長，根據DNV規范（公式1）換算得到極限波周期。

表1 國內海上風電施工主流起重船評估結果

通過結果分析，博強2300固定桅桿浮吊船在工程海域不滿足施工要求，其余備選起重船性能達標，4月至7月期間，除宇航29外，剩余船舶的月平均可作業天數均可達到20天以上。其中，華電中集01為半潛式起重船，右舷前后布置2臺1800噸全回轉吊機，水面線面積小、穩性好同時吊裝作業靈活，但相比華景001和4500噸創力號全回轉浮吊船，其吊裝作業時的壓載水調節更為復雜。另一方面，華電中集01以及創力號配備了DP3動力定位系統，可依靠推力器提供抵抗風、浪、流等環境力，使船舶保持在海面要求的位置上，相比錨泊定位船舶移位更加快速靈活，同時減少了船舶間的錨纜干涉，作業面布置的限制條件更少。

3　結語

本項目中，基于多年長期風和海浪數值后報數據，考慮起重船的可作業風速、波高、波周期以及滿足條件施工窗口期的時長限制，對工程適用的起重船進行了初步論證和評估。

對于滿足施工要求的船舶，后續還需結合船機特點設計施工工藝驗證其吊高吊重是否滿足施工要求，在此基礎上進一步比較工效。除此之外，需要補充說明的是，本研究中對于起重船可作業天數的計算，未考慮運輸船供貨，為充分發揮船機使用效率，避免窗口期起重船閑置，在主作業起重船確定后，應根據工效，進一步統籌供貨計劃、集散碼頭等條件對運輸船組的數量和運輸方案進行詳細規劃。

[1] 田偉麗, 汪冬冬, 高健岳. 海上風電項目中導管架基礎施工技術綜述[J]. 中國港灣建設, 2020, 40(5): 20-24.

[2] 孟憲貴, 郭俊建, 韓永清. ERA5再分析數據適用性初步評估[J]. 海洋氣象學報, 2018, 38(1): 91-99.

[3] 李雪, 宋沖, 鞏藝杰, 等. 山東沿海臺風浪數值模擬與統計分析[J]. 海洋湖沼通報, 2018(1): 27-33.

[4] 劉晉超. 海上風電施工窗口期對施工的重要性[J]. 南方能源建設, 2019, 6(2): 16-18.

[5] 杜宇, 高子予, 王晨旭. 基于時-頻域聯合計算的打樁船施工作業窗口計算[J]. 船舶工程, 2022, 44(3): 139-144.

Applicability analysis of main operating vessels for offshore wind power construction under complex sea conditions

Lin Yifan , Liu Yufei, Wang Xiaohe, Lu Peng, Zhao Hui, Cui Wentao

(Huadian Heavy Industry Co., Ltd., Beijing 100070, China)

TP23

A

1003-4862（2023）09-0047-04

2023-04-27

林逸凡（1990-），男，博士研究生，主要從事海上風電施工技術研究。E-mail：632847010@qq.com