文 | 朱榮華，張亮，龍正如，向君，蔣榮暉

海上風(fēng)電場設(shè)計(jì)壽命一般為25年，為了保證海上風(fēng)電場穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行運(yùn)行檢測(cè)與日常維護(hù)。在運(yùn)維過程中，除配備高效率、專業(yè)化維護(hù)團(tuán)隊(duì)外，設(shè)計(jì)符合當(dāng)?shù)睾Ｓ?、海況的運(yùn)營維護(hù)船（以下簡稱“運(yùn)維船”）也同樣非常重要。

風(fēng)電場運(yùn)營維護(hù)船（以下簡稱“運(yùn)維船”），英文Wind Farm Service Vessel，國際上將此船型縮寫“WFSV”，主要用于運(yùn)輸維護(hù)人員及相關(guān)工具等，以便進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的日常維護(hù)。

珠海桂山海上風(fēng)電場規(guī)劃容量為200MW，位于廣東省南部，與西北珠海海岸最近距離約20km－25km，水深范圍6m－10m，為近海風(fēng)電場；常見波高0.5m－1.5m，最大波高8.3m，海平面平均風(fēng)速約3m/s，50年一遇最大風(fēng)速為69.4m/s，且處在臺(tái)風(fēng)頻發(fā)的南海海域，受臺(tái)風(fēng)影響，易產(chǎn)生災(zāi)害性大浪。因此，必須結(jié)合其特殊的海上氣象條件和水文環(huán)境設(shè)計(jì)出適合此風(fēng)電場的運(yùn)維船，以確保運(yùn)維的安全性和便捷性。

珠海海上氣候環(huán)境多變，暴雨、臺(tái)風(fēng)、巨浪等惡劣氣候頻發(fā)，運(yùn)維船需具有在惡劣氣候條件下工作的能力，并能確保海上作業(yè)人員及設(shè)備的安全。當(dāng)海上風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，要能夠在第一時(shí)間內(nèi)將技術(shù)人員運(yùn)抵現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)，最大程度減少停機(jī)時(shí)間。因此，運(yùn)維船必須擁有較高的航度，以實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場運(yùn)維的快速反應(yīng)。

圖1 小型快艇運(yùn)維船

圖2 載物運(yùn)維船

運(yùn)維船種類及運(yùn)維船對(duì)風(fēng)電場的影響

對(duì)于海上風(fēng)電場的日常維護(hù)檢查工作，基于船舶的接近技術(shù)是目前較為普遍采取的方式，與直升機(jī)等其他方式相比，基于船舶的方式更經(jīng)濟(jì)和符合國情。目前，主要有三種比較常見船舶接近型式，包括非接觸型、舷板型和直接接觸型。

本文重點(diǎn)介紹基于直接接觸型船舶的方案。近岸風(fēng)電場日常維護(hù)通常需要1名－2名維護(hù)人員到達(dá)風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場進(jìn)行檢查和清潔，由于需要攜帶的運(yùn)維工具不是很多，因此可以使用小型快艇作為運(yùn)維船（見圖1）?？焱ЫY(jié)構(gòu)小巧靈活，行駛速度快，適合海上風(fēng)電機(jī)組日常維護(hù)工作。對(duì)于運(yùn)輸尺寸和重量比較大的設(shè)備，則需載物運(yùn)維船進(jìn)行運(yùn)輸（見圖2）。在運(yùn)維船艉部甲板布置載貨區(qū)，用于堆放大件設(shè)備和運(yùn)維工具。在左舷船艉上布置液壓折臂吊機(jī)，用于設(shè)備的碼頭裝載，可不必借助陸上起重機(jī)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)自給。

綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、安全性及目前我國所處的海上風(fēng)電場開發(fā)階段等因素，通過調(diào)研國外風(fēng)電運(yùn)維船產(chǎn)品，并結(jié)合我國目前的實(shí)際情況，海上風(fēng)電場運(yùn)維船參數(shù)要求大致如下：（1）雙體結(jié)構(gòu)船、鋁制或玻璃鋼材料船體。（2）航速在25kn－30kn之間。（3）船艏或船艉配備一個(gè)液壓伸縮克令吊。（4）抗風(fēng)浪一般考慮1.5m－2m浪高。（5）50%－80%氣象條件下可以通達(dá)。（6）靠泊方式：船艏頂住風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的靠船樁，在風(fēng)浪大時(shí)，主機(jī)不能停機(jī)，船艏裝有防護(hù)橡膠護(hù)船邦，部分船還有旋轉(zhuǎn)梯用于同行。（7）部分船舶配有齒輪箱油的補(bǔ)充系統(tǒng)專用裝置。

珠海風(fēng)電場運(yùn)維船運(yùn)維特點(diǎn)

珠海桂山海上風(fēng)電場有34臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，29臺(tái)明陽風(fēng)電SCD3.0兩葉片抗臺(tái)型風(fēng)電機(jī)組，正常運(yùn)行每年需要超過500次人為干預(yù)，約3000人次的登機(jī)處理。據(jù)DNV船級(jí)社的測(cè)算，每臺(tái)海上風(fēng)電機(jī)組平均每年有高達(dá)40次停機(jī)故障，整體故障率約3%，大約每20臺(tái)海上風(fēng)電機(jī)組就需要一艘專業(yè)的運(yùn)維船。珠海風(fēng)電場遇到的困難有，珠江口屬于繁忙的海上交通線，通航受限，通達(dá)一般選擇在白天，正常情況綜合珠海桂山海上風(fēng)電場的海況、氣象條件及維護(hù)要求，選擇直接接觸型船舶的運(yùn)維船方案是一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)可行并且經(jīng)濟(jì)的技術(shù)方案。

一、船型選擇

海上風(fēng)電場運(yùn)維船可采用的船型有單體船、雙體船和三體船。單體船特點(diǎn)有結(jié)構(gòu)重量輕、速度快、吃水可控制的更小、建造成本相對(duì)低。但是帶來的甲板作業(yè)面積小，不利于布設(shè)克倫吊，也不利于頂部靠泊風(fēng)電機(jī)組，船體窄，運(yùn)輸能力有限，珠江水系又處于河口，耐波性不好，乘員會(huì)感覺顛簸不適，空間狹小，生活設(shè)施配備不利，一般適合有效浪高在1m以下的場合；雙體船吃水淺，甲板面積大，布置寬敞，穩(wěn)性好，具有較高的航速，能承受較大的風(fēng)浪，保證海上作業(yè)時(shí)人員的安全，同時(shí)雙體船具有良好的操縱性、使用可靠、 維修方便等優(yōu)點(diǎn)，這樣的船體形式，無論在船舶靜止或處于海中的航行狀態(tài)，都可確保較小的移動(dòng)幅度；三體船有三個(gè)片體組成，中間為主船體，尺度約占排水體積的80%－90%，主要特點(diǎn)是中高速阻力性能優(yōu)于單體船和雙體船，適航性優(yōu)于單體船，甲板面積更寬，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量較大、操縱性能稍差，監(jiān)造、下水、錨泊和進(jìn)塢都比較苦難，只有極少數(shù)的運(yùn)維船采用此船型。按照上述特點(diǎn)，珠海桂山海上風(fēng)電場選用雙體船可以滿足作業(yè)甲板面積大、艏部靠泊方便、操控耐浪的要求。運(yùn)維船的抗風(fēng)浪能力越強(qiáng)，風(fēng)電場的可達(dá)性越高。

圖3 雙體船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

珠海桂山海上風(fēng)電場運(yùn)維船采用雙體船設(shè)計(jì)（如圖3所示），下部由兩個(gè)瘦長的單船體組成，上部用甲板橋連接，船體內(nèi)設(shè)置動(dòng)力裝置、發(fā)電機(jī)等設(shè)備，甲板上部安置上層建筑，內(nèi)設(shè)客艙及配套生活設(shè)施等。雙體船把單一船體分成兩個(gè)單體，每個(gè)單體與同等大小的單體船相比更瘦長，從而減小了水波阻力，可使其擁有更高的航速（約為20kn/h），從珠海港碼頭到桂山島海上風(fēng)電場1h內(nèi)能夠到達(dá)。

二、船體材質(zhì)

目前國外運(yùn)維船船體常用材質(zhì)為玻璃鋼（FRP）和鋁合金，或者剛?cè)岢錃馔В≧IB）。RIB是一種復(fù)合材質(zhì)艇型，但是充氣護(hù)舷的壽命較短，且易被尖物損壞，玻璃鋼船使用壽命為10年，鋁合金船使用壽命為20年，綜合考慮船體性能和建造成本，船體可以采用鋼質(zhì)或者鋁合金材料，上層建筑采用玻璃鋼的復(fù)合型船。目前傳統(tǒng)玻璃鋼結(jié)構(gòu)存在剛性不足、強(qiáng)度有余的特點(diǎn)，以及其高昂的開模成本，是其制約因素。針對(duì)珠海桂山海上氣象條件和水文環(huán)境，其運(yùn)維船船體及甲板室均采用鋼質(zhì)。鋼材硬度高、比重大、加工性能好，可滿足運(yùn)維船的強(qiáng)度和剛度要求，能承載海上風(fēng)浪載荷沖擊。與鋼材相比玻璃鋼的剛度和強(qiáng)度較低，在船體結(jié)構(gòu)中剛性不足容易變形，珠海桂山海上風(fēng)電場常見波高0.5m－1.5m，最大波高8.3m，玻璃鋼運(yùn)維船難以承載此風(fēng)電場海上波浪的沖擊。鋁合金是脆硬性材料，韌性差，彈性模量只有鋼材的1/3，硬度低、沖擊性能差，而且鋁合金造價(jià)高昂，同等重量的鋁合金價(jià)格約為鋼材的3倍－4倍。船體材質(zhì)按照密度玻璃鋼（1.8g/cm3）、鋁合金（2.7g/cm3）、鋼質(zhì)（7.8g/cm3）而強(qiáng)度正好相反，因此，鋁合金和玻璃鋼均不宜作為珠海桂山海上風(fēng)電場運(yùn)維船船體材質(zhì)，鋼材將是最優(yōu)選擇。為了保證風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)靠泊的沖撞強(qiáng)度，避免船體結(jié)構(gòu)的重量增加，最終選擇鋼質(zhì)船體加玻璃鋼居住區(qū)的方案。

三、主尺度選擇

運(yùn)維船船寬盡量滿足甲板空間最大和綜合航道經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)最大的需求，船寬控制在5m－6m以內(nèi)，船長綜合考慮航速、設(shè)備和艙室布置及造價(jià)等多種因素，確定長為16m－20m，艏部設(shè)置可拆卸式液壓登乘梯，艉部設(shè)置集裝箱放置區(qū)，作為艉機(jī)保護(hù)與檢修平臺(tái)。航區(qū)為航行于中國沿海區(qū)域的遮蔽航區(qū)，全船結(jié)構(gòu)單底、縱骨架的雙體結(jié)構(gòu)形式，其良好的穩(wěn)性可以保證維護(hù)人員安全登上風(fēng)電機(jī)組。運(yùn)維人員由于不是專業(yè)船員，在海上的耐受時(shí)間根據(jù)研究顯示為1h，最長不會(huì)超過80min，因此考慮到到達(dá)機(jī)位距離時(shí)間設(shè)計(jì)航速為20kn，續(xù)航能力為160kn。船體參數(shù)見表1。

四、功能設(shè)置

海上風(fēng)電機(jī)組與陸上風(fēng)電機(jī)組最大區(qū)別在于兩者所處的位置，由于海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)位于海上，增加了許多不利于運(yùn)維船靠近風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的工況，增加了海上風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)的難度，由于海上風(fēng)電基礎(chǔ)平臺(tái)至海平面的高差大，運(yùn)行維護(hù)船在海上受風(fēng)、浪、流的影響下，較難精確定位。因此，為了保障運(yùn)維安全需要以下幾種方案解決上述問題。

（一）“弓形和靠船” 設(shè)計(jì)

在海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維過程中，當(dāng)運(yùn)維人員從運(yùn)維船跨上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)懸梯登上風(fēng)電機(jī)組島時(shí)，受到波浪影響，船只和基礎(chǔ)間會(huì)產(chǎn)生比較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)人員安全造成威脅。為了保證運(yùn)維人員安全登上風(fēng)電機(jī)組，在運(yùn)維船和靠船裝置間采取“弓形船首”（如圖4所示）的特殊設(shè)計(jì)，船艏設(shè)置成凸型，并安裝橡膠護(hù)舷，將運(yùn)維船前端的弓形部分推入風(fēng)電機(jī)組島懸梯防撞護(hù)欄橫檔間固定，同時(shí)運(yùn)維船保持足夠的推力，使運(yùn)維船與導(dǎo)管架間接觸保持靜止，以保證運(yùn)維人員安全登上風(fēng)電機(jī)組島平臺(tái)。

（二）可拆卸式液壓登乘梯

珠海桂山海上風(fēng)電場采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)，所以在船艏位置布置可拆卸式液壓登乘梯（圖5），用于方便運(yùn)維工程師登上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)平臺(tái)，當(dāng)運(yùn)維船前段凸形，推入風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的防撞靠船裝置時(shí)，打開伸縮梯，運(yùn)維工程師可以避開風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)海生物的滋生區(qū)域，安全可靠地登至風(fēng)電機(jī)組島平臺(tái)，降低海上風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)的難度，保障運(yùn)維工程師的安全。液壓登乘梯需要適應(yīng)不同的工況，采用伸縮和可拆卸的方式，伸縮部分包括固定段和活動(dòng)段，固定段固定在運(yùn)維船上，活動(dòng)段與固定段滑動(dòng)連接，伸縮控制通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

表1 船體參數(shù)表

圖4 凸點(diǎn)與靠船邦

圖5 可拆卸式液壓登乘梯示意圖

（三）甲板載貨

海上風(fēng)電機(jī)組的正常工作須由多種復(fù)雜機(jī)電設(shè)備相互緊密配合完成，這些設(shè)備包括電機(jī)、葉片、齒輪箱等，而每個(gè)設(shè)備又由更小的原件組成，所以運(yùn)維船艉部甲板布置有甲板載貨區(qū)，可用于堆放集裝箱等大尺寸部件，同時(shí)對(duì)風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組可能發(fā)生故障的部件尺寸和重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以保證裝載的可容納性。

五、推進(jìn)方式選擇

高速船常用的推進(jìn)方式有螺旋槳和噴水推進(jìn)。就運(yùn)維船的特性而言，噴水推進(jìn)總效率比螺旋槳低20%，加上價(jià)格和系統(tǒng)重量方面原因，采用螺旋槳推進(jìn)應(yīng)較為合理、可行。盡管噴水推進(jìn)具有保護(hù)性好、工況變化適應(yīng)性強(qiáng)、引起的振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，但難以彌補(bǔ)上述三個(gè)方面的缺點(diǎn)。

螺旋槳采用巴普米爾的快艇螺旋槳設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，比較經(jīng)濟(jì)的是一對(duì)三葉槳，但由螺旋槳引起的葉頻脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致較大振動(dòng)，所以如果經(jīng)濟(jì)上沒有問題，采用鷹翅型大側(cè)斜（390）五葉漿，會(huì)對(duì)減小振動(dòng)有明顯效果。

結(jié)語

珠海桂山海上示范風(fēng)電場作為國內(nèi)第一個(gè)使用導(dǎo)管架基礎(chǔ)的風(fēng)電場，又處在臺(tái)風(fēng)頻發(fā)的南海海域，復(fù)雜的氣候和水文環(huán)境給運(yùn)營維護(hù)帶來很大困難，為此，本文結(jié)合其特殊的海上氣候和水文環(huán)境設(shè)計(jì)出適合此風(fēng)電場的運(yùn)維船，以滿足大部分日常運(yùn)維需求，風(fēng)電場定檢和維護(hù)的快捷性、安全性、經(jīng)濟(jì)性，為國內(nèi)未來的海上風(fēng)電場運(yùn)維船設(shè)計(jì)提供一些經(jīng)驗(yàn)和參考依據(jù)。專業(yè)運(yùn)維船的使用，將提高海上風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)的安全性和便利性，提高工作效率。