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

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

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(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。

1　可作業(yè)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(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。

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(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。

3　結語

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