朱亞洲, 呂宏偉, 張曉宇, 樊巖松, 孫友杰， 姜 濱， 秦洪德

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國(guó)石油渤海裝備遼河重工有限公司， 遼寧 盤錦 124010； 3.中國(guó)石油渤海裝備研究院 海工裝備分院， 遼寧 盤錦 124010)

風(fēng)電安裝平臺(tái)坐底穩(wěn)性評(píng)估技術(shù)

朱亞洲1,3, 呂宏偉2, 張曉宇3, 樊巖松3, 孫友杰2， 姜 濱1， 秦洪德1

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國(guó)石油渤海裝備遼河重工有限公司， 遼寧 盤錦 124010； 3.中國(guó)石油渤海裝備研究院 海工裝備分院， 遼寧 盤錦 124010)

風(fēng)電安裝平臺(tái)是專門用來(lái)在近海、潮間帶地區(qū)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝的專用功能船舶。該文結(jié)合“遼河一號(hào)”風(fēng)電安裝平臺(tái)坐底安裝，一船多用的典型特點(diǎn)，對(duì)其坐底穩(wěn)性評(píng)估技術(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)編制程序，可以快速實(shí)現(xiàn)環(huán)境載荷計(jì)算，優(yōu)選波浪參數(shù)與地質(zhì)條件的合理匹配，為工程作業(yè)提供必要的技術(shù)參考。

坐底穩(wěn)性 風(fēng)電安裝 載荷計(jì)算

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)地不斷發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，氣溫升高，海平面上漲，空氣質(zhì)量下降，氣候異常等現(xiàn)象嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。世界環(huán)保組織和能源機(jī)構(gòu)規(guī)劃要求進(jìn)一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，降低化石能源所占比重，大力發(fā)展清潔能源。近年來(lái)，風(fēng)能發(fā)電作為可再生的清潔能源，已逐步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，在新能源產(chǎn)業(yè)的各子行業(yè)中，風(fēng)能發(fā)電是清潔能源的重要組成部分。我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展滯后，正處于起步階段，東南沿海地區(qū)對(duì)能源需求更為迫切，未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)，在需求拉動(dòng)政策的引導(dǎo)下，淺海和潮間帶區(qū)域是海上風(fēng)電發(fā)展的重點(diǎn)[1]。目前，海洋風(fēng)電設(shè)備安裝技術(shù)薄弱是制約海上風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。

海上風(fēng)電安裝通常有浮式安裝船錨泊定位的漂浮作業(yè)，升降樁腿式平臺(tái)的插樁定位作業(yè)和船舶被動(dòng)式搶灘的擱淺定位作業(yè)三種方式[2]。上述三種作業(yè)形式功能單一，需要多艘輔助船舶支持協(xié)調(diào)作業(yè)才能完成任務(wù)，“海洋36”是典型的被動(dòng)式擱淺定位作業(yè)船舶，借助潮漲潮落及船舶自重，實(shí)現(xiàn)擱淺作業(yè)。本文研究的“遼河一號(hào)”風(fēng)電安裝平臺(tái)是基于壓載艙配載，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)主動(dòng)式坐底作業(yè)，作業(yè)原理異于上述傳統(tǒng)作業(yè)形式，“遼河一號(hào)”風(fēng)電安裝平臺(tái)采用的主動(dòng)式壓載坐底作業(yè)形式屬于國(guó)際首創(chuàng)，極大地拓展了該平臺(tái)的作業(yè)范圍，提高了作業(yè)效率，節(jié)約了安裝成本。對(duì)于淺水區(qū)域，主動(dòng)式坐底作業(yè)方式無(wú)需樁腿、樁靴及升降鎖緊裝置，降低建造技術(shù)上的難點(diǎn)，建造成本同浮式起重船類似，一次性投資小，在建造成本上具有較大的競(jìng)爭(zhēng)力。本文研究的“遼河一號(hào)”風(fēng)電安裝平臺(tái)在風(fēng)機(jī)安裝作業(yè)時(shí)處于坐底狀態(tài)，最大程度上滿足吊機(jī)工作要求，降低了天氣和海況對(duì)吊機(jī)工作的影響，為縮短海上風(fēng)電場(chǎng)安裝作業(yè)周期、降低海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)、控制海上風(fēng)電場(chǎng)的施工成本創(chuàng)造先決條件。

“遼河一號(hào)”風(fēng)電安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)建造適應(yīng)目前我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)水深5.0 m～200 m，可根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)海況選擇坐底或漂浮作業(yè)。淺水區(qū)域內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)全船坐底作業(yè)，相對(duì)于浮吊安裝作業(yè)，此種作業(yè)形式具有就位精度高、海上組裝安全性高、不需要額外工裝保護(hù)措施及一次成功率高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)全船坐底穩(wěn)性，需要綜合評(píng)估平臺(tái)壓載后海底地基的承載能力；坐底后平臺(tái)在風(fēng)浪流環(huán)境條件及吊重等聯(lián)合作用下，評(píng)估平臺(tái)抗側(cè)滑和抗傾覆能力；平臺(tái)作業(yè)完畢后，計(jì)及海底土壤吸附力及波浪垂向力等因素影響，評(píng)估平臺(tái)起浮能力等。上述評(píng)估因素互相制約，互相影響，因此，對(duì)平臺(tái)的坐底穩(wěn)性評(píng)估提出了非常高的要求，而目前各國(guó)船級(jí)社的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)尚未給出坐底式作業(yè)平臺(tái)的坐底穩(wěn)性評(píng)估方法，通過(guò)本文研究，應(yīng)用AQWA水動(dòng)力計(jì)算軟件建立波流環(huán)境模型和船體坐底三維模型，計(jì)算出不同工況下的波流載荷值，基于船級(jí)社規(guī)范推薦的海工平臺(tái)風(fēng)載荷計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到風(fēng)載荷值，基于插值計(jì)算原理，編制計(jì)算程序獲取任意水深、不同風(fēng)浪流組合情況下的環(huán)境載荷組合，并結(jié)合海洋地質(zhì)勘探所得到的土層參數(shù)，綜合評(píng)估該平臺(tái)坐底穩(wěn)性，為“遼河一號(hào)”風(fēng)電安裝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)“立得住、坐得穩(wěn)、起得來(lái)”的作業(yè)目標(biāo)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，更為各國(guó)該類坐底式平臺(tái)的坐底穩(wěn)性評(píng)估提供技術(shù)參考。

2 地質(zhì)及海況資料

在設(shè)計(jì)初始階段，需要對(duì)風(fēng)電安裝平臺(tái)作業(yè)海域地質(zhì)進(jìn)行調(diào)研，通過(guò)對(duì)地質(zhì)條件及海況資料進(jìn)行搜集研究。結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，以南堡1-10井位作為本風(fēng)電平臺(tái)的典型地質(zhì)條件，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 南堡1-10井位土層強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)

3 風(fēng)、浪、流載荷及傾覆力矩

3.1 風(fēng)載荷

按照中國(guó)船級(jí)社規(guī)范要求[3]，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式，風(fēng)載荷計(jì)算如下：

P=0.613V2

Fi=Ch·Cs·S·P

M=F·Z

式中：V為設(shè)計(jì)風(fēng)速(m/s)；P為風(fēng)壓(Pa)；Ch為暴露在風(fēng)中構(gòu)件的高度系數(shù)；Cs為暴露在風(fēng)中構(gòu)件的形狀系數(shù)；F為平臺(tái)所受總的風(fēng)傾力(t)；M為風(fēng)傾力矩(t·m)；Z為風(fēng)傾力臂(m)。

結(jié)合規(guī)范計(jì)算，求解平臺(tái)風(fēng)載荷，求解結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果

3.2 波流載荷

參照風(fēng)電平臺(tái)主要尺度參數(shù)，運(yùn)用多體水動(dòng)力分析軟件AQWA，建立波流載荷計(jì)算模型，如圖1所示。基于勢(shì)流的三維面源法，數(shù)值解算該平臺(tái)結(jié)構(gòu)物坐底作業(yè)時(shí)在指定作業(yè)海況下的波流載荷。將波流參數(shù)進(jìn)行系列化，利用分析軟件可以得到不同參數(shù)下的波流載荷，如圖2 ～圖4所示。

圖1 AWQA水動(dòng)力計(jì)算模型 圖2 橫向載荷水深、波高關(guān)系曲線

圖3 橫向載荷矩與水深、波高關(guān)系曲線 圖4 垂向載荷與水深、波高關(guān)系曲線

3.3 吊機(jī)傾覆力矩

參考吊機(jī)廠家提供吊機(jī)作業(yè)參數(shù)，可選取吊機(jī)吊重彎矩14 000 t·m進(jìn)行校核評(píng)估。

4 抗傾穩(wěn)性校核

抗傾覆力矩：

M抗

外力傾覆力矩：

M外=M波流+M風(fēng)載+M吊重

抗傾覆能力：

式中：W為某工況下平臺(tái)總重(t)；B接觸為船寬方向接觸長(zhǎng)度，取為31.82m；M波流為波流載荷水平力矩(t)；M風(fēng)載為風(fēng)載荷矩(t-m)；M吊重為吊機(jī)工作力矩(t-m)，按500t吊重，28m吊臂選取。

按照上述公式及載荷計(jì)算結(jié)果即可進(jìn)行抗傾穩(wěn)性校核。表3為5.5m和9.5m吃水作業(yè)工況某環(huán)境條件下進(jìn)行的抗傾穩(wěn)性校核結(jié)果樣例。

表3 抗傾穩(wěn)性計(jì)算表

5 抗滑移穩(wěn)性校核

抗滑力：

F抗滑力=F對(duì)地壓力×Cf+Abott×Cv

滑移力：

F滑移力=F風(fēng)載荷+F波流載荷

抗滑移能力：

式中：F對(duì)地壓力為平臺(tái)總重與排水量差值(t)；Cf為摩擦力系數(shù)，取為0.12；Cv為粘結(jié)力系數(shù)，取為0.09；Abott為距基線300mm水線面面積，2 757.2m2。

按照上述公式及載荷計(jì)算結(jié)果即可進(jìn)行抗滑移穩(wěn)性校核。表4為5.5m和9.5m吃水作業(yè)工況某環(huán)境條件下進(jìn)行的抗滑移穩(wěn)性校核結(jié)果樣例。

表4 抗滑移穩(wěn)性計(jì)算表 單位：t

6 地基抗壓能力校核

對(duì)地基最大壓應(yīng)力：

地基承載能力：

式中：δmax為對(duì)地基最大壓應(yīng)力(t/m2)；Disp為排水量(t)；Abott為平臺(tái)底部與地質(zhì)接觸面積，取為2 757.2m2；IX為橫向慣性矩，取為213 714m4；B接觸為船寬方向接觸長(zhǎng)度，取為31.82m。

參考土力學(xué)原理和海工經(jīng)驗(yàn)，粘性土的地基承載力通常為土壤剪切強(qiáng)度的9倍，即

P地基承載能力=9×Su=9×7=63 kPa

=6.42 t/m2

表5為地基抗壓能力計(jì)算表。

表5 地基抗壓能力計(jì)算表

7 起浮能力估算

地基吸附力：

F吸附力=(W總重-Disp)×Ca

起浮力：

F起浮力=W壓載水-(W總重-Disp)

式中：Disp為排水量(t)；W總重為壓載后總重(t)；W壓載水為壓載水重量(t)；Ca為吸附力系數(shù)，取為0.35。

表6為起浮能力計(jì)算表。

表6 起浮能力計(jì)算表 單位：t

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)平臺(tái)典型工況下坐底穩(wěn)性進(jìn)行評(píng)估，給出了平臺(tái)在典型工況下吊機(jī)全回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)滿足抗傾、抗滑、地基承載能力及起浮能力要求下的風(fēng)浪流組合及地質(zhì)條件，明確了平臺(tái)作業(yè)環(huán)境條件，保障了平臺(tái)作業(yè)安全。同時(shí)，本論文也為類似平臺(tái)未來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)坐底穩(wěn)性評(píng)估方法給出有意義的借鑒和參考。

[1] 劉林,葛旭波,張義斌等. 我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展與技術(shù)現(xiàn)狀分析 [J]. 能源工程，2009,4：21-25.

[2] 姚興佳，隋紅霞，劉穎明等.海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].上海電力,2007,2：111-118.

[3] China Classification Society Rules for Classification of The Offshore Mobile Units[R] . 2012.

AssessmentTechnologyofOn-bottomStabilityofWindTurbineInstallationUnit

ZHUYa-zhou1,3,LVHong-wei2,ZHANGXiao-yu3,FANYan-song3,SUNYou-jie2,JIANGBin1,QINHong-de1

(1.CollegeofShipbuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,HarbinHeilongjiang150001,China;2.ChinaPetroleumLiaoheEquipmentCompany，PanjinLiaoning124010,China；3.BohaiPetroleumEquipmentInstitute,OceanEngineeringInstitute,PanjinLiaoning124010,China)

Wind Turbine Installation Vessel is specialized in installing wind turbine generator system in the offshore area and intertidal zone. This article combines with the typical characteristics of LIAOHE No.1 Wind Turbine Installation Vessel and researches its assessment technology of On-bottom stability. Base on the programming, the environmental loads can be calculated quickly, the optimized wave parameters and the geological conditions can be reasonablely matched, which can provide a necessary technology reference for engineering operation.

On-bottom stability Wind turbine installation Loading calculation

朱亞洲(1982-)，男，工程師，在讀博士。

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