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(yè)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(huán)境制約顯著。海上作業(yè)面中,用于基礎施工和風機吊裝的主作業(yè)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(shù)值后報數(shù)據(jù),考慮基礎施工主作業(yè)起重船的可作業(yè)風速、波高、波周期以及海上施工特點,以建設周期內(nèi)的可作業(yè)天數(shù)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(yè)主和承建單位對主作業(yè)船進行選型。
海上風電 起重船 適用性研究 可作業(yè)窗口期
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(qū)內(nèi)水深約34~39 m之間。規(guī)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(jù)前期調(diào)研,該海域4至9月海況更好,為實現(xiàn)當年開工、當年并網(wǎng),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(jù)廣東海域過往建設經(jīng)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(yè)天數(shù)138天,項目考慮配置2個基礎作業(yè)面,平均至4至7月,單個基礎作業(yè)面中起重船的月可作業(yè)天數(shù)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(yè)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(nèi)海上風電施工領域主要起重船舶在工程海域的適用性。
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(shù)據(jù)。項目研究中,歷史風場數(shù)據(jù)采用歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)開發(fā)的全球大氣再分析產(chǎn)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(shù)據(jù)用以再分析,是目前海洋工程領域研究氣象條件主流的數(shù)據(jù)集合[2]。海浪則基于SWAN模式[3],對廣東近海區(qū)域進行了精細化數(shù)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(shù)進行了校正,模擬輸出與實測數(shù)據(jù)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(yè)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(yè)天數(shù)
目前,評估施工船舶可作業(yè)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(yè)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(xiàn)場正常情況下不會利用短暫天氣窗口進行搶裝作業(yè),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(nèi)根據(jù)極限環(huán)境條件判斷可作業(yè),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(yè)可按順序間斷進行,窗口期的最短時長根據(jù)1天估計較為合理(如圖1所示),相當于現(xiàn)場根據(jù)天氣預報,未來至少24小時內(nèi)的海況良好則組織施工。
由數(shù)據(jù)集提取工程海域近20年逐小時風浪數(shù)據(jù),根據(jù)界定規(guī)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(yè)天氣窗口并計算總時長,在此基礎上,將各月份可作業(yè)總時長的20年平均值作為最終的指標用于評估可作業(yè)水平。圖2展示了可作業(yè)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(yè)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(yè)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(yè)天數(shù)幾乎沒有增加,影響適用性的關鍵因素在于船舶的耐波穩(wěn)性。
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(nèi),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(nèi)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(shù)及可作業(yè)海況,其中,風速和海浪有效波高結合規(guī)范要求和廣東、浙江海域的過往施工經(jīng)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(yè)條件下海浪波長應小于0.8倍船長,根據(jù)DNV規(guī)范(公式1)換算得到極限波周期。


表1 國內(nèi)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(yè)天數(shù)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(wěn)性好同時吊裝作業(yè)靈活,但相比華景001和4500噸創(chuàng)力號全回轉浮吊船,其吊裝作業(yè)時的壓載水調(diào)節(jié)更為復雜。另一方面,華電中集01以及創(chuàng)力號配備了DP3動力定位系統(tǒng),可依靠推力器提供抵抗風、浪、流等環(huán)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(yè)面布置的限制條件更少。
本項目中,基于多年長期風和海浪數(shù)值后報數(shù)據(jù),考慮起重船的可作業(yè)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(xù)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(yè)天數(shù)的計算,未考慮運輸船供貨,為充分發(fā)揮船機使用效率,避免窗口期起重船閑置,在主作業(yè)起重船確定后,應根據(jù)工效,進一步統(tǒng)籌供貨計劃、集散碼頭等條件對運輸船組的數(shù)量和運輸方案進行詳細規(guī)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(shù)據(jù)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(shù)值模擬與統(tǒng)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(lián)合計算的打樁船施工作業(yè)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