CCS海工技術(shù)中心 李紅濤 劉 圓 李 曄 曲健冰

技 術(shù) Technology

海上風(fēng)電安裝船技術(shù)發(fā)展趨勢及突圍路徑

CCS海工技術(shù)中心 李紅濤 劉 圓 李 曄 曲健冰

海上風(fēng)力發(fā)電作為無污染的可再生能源開發(fā)，因其具有更好的風(fēng)能條件，不涉及土地征用問題，不會造成大氣污染， 環(huán)保價值可觀等優(yōu)點，受到世界各國的普遍高度重視，近年來發(fā)展非常迅速。那么當(dāng)前海上風(fēng)電安裝船現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢如何？中國船級社對海上風(fēng)電安裝船有哪些入級的相關(guān)技術(shù)要求？中國海上安裝船產(chǎn)業(yè)發(fā)展還需從哪些方面補強(qiáng)？

發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

自1991年丹麥建成第一個近海風(fēng)電場以來， 世界各國相繼開始建設(shè)海上風(fēng)電工程。到目前為止，包括丹麥、英國、愛爾蘭、瑞典、荷蘭、德國等國家建成海上風(fēng)電裝機(jī)容量約為40GW。國內(nèi)海上風(fēng)電開發(fā)項目發(fā)展迅速，目前在江蘇、福建、廣東、山東、河北、遼寧等沿海地區(qū)都相繼建成海上風(fēng)電場，據(jù)統(tǒng)計，至2014年，國內(nèi)海上風(fēng)電總裝機(jī)容量已達(dá)700MW，按照國家相關(guān)規(guī)劃，到2020年，海上風(fēng)電總裝機(jī)容量應(yīng)達(dá)到3000萬KW。

一、海上風(fēng)電安裝船分類

海上風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)中的最重要一個環(huán)節(jié)是海上安裝。相對于陸上風(fēng)機(jī)的安裝， 海上施工難度要高得多。海上風(fēng)電場的安裝主要包括風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)以及機(jī)艙、葉片的安裝。安裝過程典型的方式是由平甲板駁船裝載風(fēng)機(jī)部件或風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)拖航到現(xiàn)場，再由安裝船舶完成打樁及最后的安裝。按照船型特點將海上風(fēng)電安裝船分類如下：

（1）起重船。通常具備自航能力，船上配備起重機(jī)，可以運輸和安裝風(fēng)車和基礎(chǔ)。起重船除在淺水區(qū)需要考慮吃水外，其余區(qū)域不受水深限制，在不同風(fēng)機(jī)位置間轉(zhuǎn)移速度快，操縱性好，使用費率低，船源充足；但起重船極其依賴天氣和波浪條件，對控制工期非常不利，且安裝穩(wěn)定性較自升式安裝船差。

（2）坐底式風(fēng)電安裝船。一般應(yīng)用于沿海灘涂或極淺水域，依靠潮水退去或壓載系統(tǒng)將船體坐在海底，通過錨泊系統(tǒng)固定，然后進(jìn)行吊裝、安裝作業(yè)，優(yōu)點是穩(wěn)定性好，但受到作業(yè)水深限制，移位速度慢，對船底強(qiáng)度需特殊考慮。此種船型一般只應(yīng)用于灘涂海域，現(xiàn)已較少使用。

（3）自升式風(fēng)電安裝船。目前應(yīng)用較為廣泛的海上風(fēng)電安裝裝備，一般配備4到6個樁腿，到達(dá)現(xiàn)場之后樁腿插入海底固定平臺，通過升降裝置升起船體。通過船體上安裝的大型起重機(jī)完成風(fēng)機(jī)的安裝。此種類型的海上風(fēng)電安裝船甲板寬闊，易于裝載風(fēng)機(jī)，通過平臺上配有的打樁機(jī)可實現(xiàn)基礎(chǔ)打樁，吊裝時穩(wěn)定性好。但由于不具備自航能力，自升式安裝船需由拖船拖航，導(dǎo)致在現(xiàn)場安裝移位時時間較長，操縱不便，且需要平靜海況。

（4）自航自升式風(fēng)電安裝船。兼具自升式平臺和浮式船舶的優(yōu)點，專門為風(fēng)機(jī)安裝而設(shè)計建造，與上述安裝船舶相比，其具備一定的航速和可操縱性，可一次性運載更多的風(fēng)機(jī)，具有打樁和吊裝功能，且安裝、移位速度較快。目前自航自升式風(fēng)電安裝船是當(dāng)前海上風(fēng)電安裝的首選裝備。

二、海上風(fēng)電安裝船的發(fā)展趨勢

早期的安裝船舶都是借用或由其他海洋工程船舶改造而成，但隨著風(fēng)機(jī)的大型化，小型船舶無法滿足起重高度和起重能力的要求，且使用時會出現(xiàn)機(jī)動能力、定位性能差， 風(fēng)浪稍大就不能作業(yè)和效率低等問題。因此針對海上風(fēng)電場開發(fā)設(shè)計專用的風(fēng)電安裝裝備是十分必要的，且隨著海上風(fēng)電逐步向深水發(fā)展，海上風(fēng)電安裝船有如下的發(fā)展趨勢：

（1）適用水深越來越大。隨著海上風(fēng)電場建設(shè)逐步向深水推進(jìn)，因此要求風(fēng)電安裝裝備的水深適應(yīng)能力逐步增強(qiáng)，從灘涂到目前的40米～60米水深，可以預(yù)測，隨著將來的浮式風(fēng)機(jī)逐步成熟，海上風(fēng)電安裝船的適用水深將進(jìn)一步加大。

（2）主吊能力越來越大。隨著海上風(fēng)機(jī)功率的不斷增大，到目前已經(jīng)有8MW的海上風(fēng)機(jī)研制成功，因此重量越來越大；海上安裝的一體化吊裝也成為節(jié)省成本、增加效率的有效方案，因此對安裝設(shè)備的吊裝能力提出了更高要求，目前海上風(fēng)電安裝平臺主流吊裝能力一般在800噸到1200噸，有的設(shè)計公司已經(jīng)設(shè)計出1600噸主吊能力的風(fēng)電安裝船。

（3）主甲板可利用面積越來越大。為提高安裝效率，要求海上風(fēng)電安裝船可運載更多數(shù)量的風(fēng)機(jī)設(shè)備，因此風(fēng)電安裝船的主甲板面積需進(jìn)一步加大，以適應(yīng)海上風(fēng)電的不斷發(fā)展需求。

（4）主甲板承載能力增強(qiáng)。隨著風(fēng)電設(shè)備重量及安裝能力的不斷增加，對海上風(fēng)電安裝船的主甲板承載能力要求不斷提高，已經(jīng)從前幾年的4t/m2到目前的20t/m2，且有不斷增加的趨勢。

（5）功能愈發(fā)完善。隨著海上風(fēng)電場建設(shè)的不斷發(fā)展成熟，也進(jìn)一步要求風(fēng)電安裝船的各種功能愈發(fā)完善，如配備動力定位系統(tǒng)，配備大功率打樁機(jī)、抱樁器，可容納更多的工作人員，配備有直升機(jī)甲板等。

CCS對海上風(fēng)電安裝船入級的技術(shù)要求

一、海上風(fēng)電安裝船的入級規(guī)范體系及法定要求

目前海上風(fēng)電安裝船主要為自升式，船級社對此類設(shè)施入級劃歸到海上結(jié)構(gòu)物入級范疇，因此要遵循海洋工程的相關(guān)規(guī)范體系。中國船級社（CCS）要求海上風(fēng)電安裝船入級應(yīng)滿足CCS船級社自己的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)體系，主要包括《海上移動平臺入級規(guī)范》、《材料及焊接規(guī)范》、《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》及《海上風(fēng)機(jī)作業(yè)平臺指南》等；中國籍的海上風(fēng)電安裝船還應(yīng)滿足公約、法規(guī)要求，主要包括IMO頒布的《海上移動式鉆井平臺構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》、《國際海上人命安全公約》、《國際防止船舶造成污染公約》、《國際載重線公約》等以及中國海事局頒布的《海上移動平臺安全規(guī)則》、《船舶與海上設(shè)施法定檢驗技術(shù)規(guī)則》等。海上風(fēng)電安裝船的設(shè)計、建造過程經(jīng)檢驗滿足上述入級規(guī)范后，中國船級社簽發(fā)《海上移動平臺入級證書》；同樣，海上風(fēng)電安裝船的設(shè)計、建造過程經(jīng)檢驗滿足上述公約、法規(guī)后，中國船級社代表海事局簽發(fā)《海上移動平臺安全證書》、《國際噸位證書》、《國際載重線證書》、《國際防油污證書》、《國際防生活污水證書》、《國際防空氣污染證書》、《防止船舶垃圾污染檢驗證明》、《國際防污底系統(tǒng)符合證明》等法定證書。

二、海上風(fēng)電安裝船的入級符號說明

入級符號是平臺主要用途、功能及特性的表述，具有強(qiáng)制性。平臺的主體（包括設(shè)備）和機(jī)械（包括電氣設(shè)備）符合船級社規(guī)范或等效規(guī)定，船級社將授予相應(yīng)的入級符號與附加標(biāo)志。中國船級社對入級符號和附件標(biāo)志規(guī)定如下：

（1）入級符號：★CSA或★CSA

★CSA表示平臺的結(jié)構(gòu)與設(shè)備由中國船級社審圖和建造中檢驗，并符合規(guī)范的要求；

★CSA表示平臺在建造時不是由中國船級社按照其規(guī)范進(jìn)行檢驗，其后經(jīng)中國船級社進(jìn)行檢驗認(rèn)為其符合規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，此一般指建造后轉(zhuǎn)級平臺。

（2）附加標(biāo)志是指描述平臺類型、用途、特殊特征、航區(qū)限制以及其他含義的1個或1組標(biāo)志。附加標(biāo)志中除表示平臺類型和用途的符號外，其他附加標(biāo)志均為業(yè)主根據(jù)需求自愿進(jìn)行申請，并經(jīng)中國船級社檢驗確認(rèn)后授予。相關(guān)的附加標(biāo)志及說明見下表所示。

表1 附加標(biāo)志及說明

上表中所列入級符號附加標(biāo)志為目前海上風(fēng)電安裝船的常用符號，詳細(xì)的附加標(biāo)志及說明可見參考《海上移動平臺入級規(guī)范》中第1篇第2章中的表 2.3.2.5。

海上風(fēng)力安裝船的入級符號和附加標(biāo)志應(yīng)按上述次序填入入級證書。例如：由CCS按其規(guī)范檢驗的自升式風(fēng)電安裝平臺，設(shè)計用于近海航區(qū)的海上風(fēng)機(jī)安裝、維修，帶有DP系統(tǒng)，設(shè)有直升機(jī)甲板，起重設(shè)備滿足CCS規(guī)范要求，其入級符號和附加標(biāo)志表示如下：

★CSA Self-elevating Offshore Wind Turbine Service Unit，DP-1，HELDK，Lifting Appliance，Service Area Restricted(Greater Coastal Service In China)。

三、海上風(fēng)電安裝船的技術(shù)要點

本節(jié)主要以目前常見的自升式風(fēng)力安裝船為例，論述中國船級社入級規(guī)范對其設(shè)計的技術(shù)要求要點。區(qū)別于傳統(tǒng)的自升式鉆井平臺，自升式風(fēng)力安裝船重量較輕，插拔樁頻繁，升降速度較快，船尾設(shè)置大功率的起重機(jī)，對平臺的站立穩(wěn)性要求較高，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備布置等方面具有自身特點，詳細(xì)分析如下：

（1）樁腿設(shè)計

樁腿數(shù)量及結(jié)構(gòu)形式的選擇要綜合考慮作業(yè)水深、作業(yè)能力、船體結(jié)構(gòu)形式、船體尺寸等因素，需平衡各種因素，通過最終的結(jié)構(gòu)分析確定。一般對于海上風(fēng)電安裝船，樁腿數(shù)量為4根到6根，一般都為圓柱形結(jié)構(gòu)形式樁腿。樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計需考慮如下工況：①拖航/自航工況。CCS《海上移動平臺入級規(guī)范》中規(guī)定，自升式平臺遠(yuǎn)洋或油田內(nèi)遷移時，應(yīng)考慮由于船體運動產(chǎn)生的搖擺慣性力及傾斜角度，并校核上固樁楔塊處的樁腿強(qiáng)度；②站立工況。規(guī)范中規(guī)定，在正常作業(yè)和風(fēng)暴自存工況下，考慮平臺重量、風(fēng)浪流外載荷作用下的樁腿強(qiáng)度，尤其是位于下固樁楔塊處的樁腿強(qiáng)度；③預(yù)壓、升船及拔樁工況。此工況一般不是控制工況，但在極端不利條件下也應(yīng)進(jìn)行考慮。

（2）樁靴設(shè)計

樁靴的大小、形式選擇對海上風(fēng)電安裝船的設(shè)計至關(guān)重要，因為對于此類施工裝備，要求作業(yè)效率高，插拔樁迅速，因此插樁不易過深，設(shè)計時要根據(jù)實際作業(yè)海底地質(zhì)條件確定樁底壓強(qiáng)，并綜合考慮各種因素確定樁靴形狀、大小。依據(jù)規(guī)范要求，樁靴的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計應(yīng)滿足如下工況：①預(yù)壓工況：預(yù)壓載荷同心分布最初接觸到完全灌入一系列可能的接觸面積上；②作業(yè)和自存工況：最大樁腿反力、樁腿下導(dǎo)向處彎矩的50%和水平載荷疊加作用于樁靴；③特殊工況：樁腿最大垂直反力作用于50%的樁靴底部面積。

（3）船體設(shè)計

海上風(fēng)電安裝船的船體類似平板駁船，長寬比值較大，但在船體上設(shè)置有穿過樁腿的圍阱結(jié)構(gòu)區(qū)域，站立作業(yè)狀態(tài)防止有過度的中垂。一般設(shè)計時首先確定甲板載荷分布圖，根據(jù)規(guī)范公式初步確定船體各部分結(jié)構(gòu)尺寸（板厚、型材大小等），然后通過有限元直接計算確定船體整體強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。依據(jù)規(guī)范要求，船體總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析主要工況包括：①拖航/自航工況：分析船體在漂浮狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，尤其是固樁區(qū)域在樁腿搖擺作用下的強(qiáng)度；②站立工況：分析船體在正常作業(yè)和風(fēng)暴自存工況下的強(qiáng)度，此工況一般為控制工況；③預(yù)壓、升船及拔樁工況：預(yù)壓和拔樁工況有時也較為危險，應(yīng)根據(jù)實際預(yù)壓和拔樁設(shè)計進(jìn)行船體強(qiáng)度分析。

除上述的船體整體強(qiáng)度設(shè)計外，還應(yīng)考慮船體局部強(qiáng)度，主要包括大型設(shè)備底座，如吊機(jī)底座、主機(jī)基座等，升降圍阱區(qū)域，直升機(jī)甲板等。此外，船體設(shè)計還應(yīng)滿足規(guī)范中的拖航穩(wěn)性、站立穩(wěn)性等相關(guān)要求。

（4）升降系統(tǒng)設(shè)計

升降系統(tǒng)的安全可靠是海上風(fēng)電安裝船安全作業(yè)的保證。目前自升式平臺的升降裝置有多種形式，包括電動齒輪齒條式、液壓油缸頂升式、鋼絲繩式等，都各自有相應(yīng)的優(yōu)缺點。電動齒輪齒條式升降系統(tǒng)技術(shù)成熟，升降速度快，效率高，但由于頻繁升降，齒輪、齒條的疲勞壽命會影響到平臺的使用年限；鋼絲繩式升降系統(tǒng)也有實際工程案例，但在安全性、可靠性及使用效率上尚存有疑慮，因此并不能被廣泛采用。因此目前在海上風(fēng)電安裝平臺上使用較多的是液壓油缸頂升式升降系統(tǒng)。

依據(jù)規(guī)范，液壓油缸頂升式升降系統(tǒng)應(yīng)考慮插銷設(shè)計、環(huán)梁設(shè)計、液壓系統(tǒng)設(shè)計等；電動齒輪齒條式升降系統(tǒng)應(yīng)考慮齒輪、齒條強(qiáng)度設(shè)計，傳動系統(tǒng)設(shè)計、軸承強(qiáng)度、升降室結(jié)構(gòu)設(shè)計等。此外，還應(yīng)考慮升降裝置公差設(shè)計、升降系統(tǒng)在船體上的基礎(chǔ)設(shè)計、升降裝置與圍阱裝配公差等。

（5）吊機(jī)底座設(shè)計

用于海上風(fēng)電安裝船上的起重機(jī)吊重較大，一般應(yīng)根據(jù)吊重能力確定吊機(jī)底座位置、形式、與船體的連接形式等，并著重考慮吊機(jī)底座的焊接設(shè)計、吊機(jī)底座的屈服、屈曲強(qiáng)度設(shè)計以及吊機(jī)底座支撐肘板的疲勞設(shè)計等，具體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求可參照CCS《船舶和海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》中關(guān)于起重機(jī)底座及支撐結(jié)構(gòu)部分。

（6）穩(wěn)性設(shè)計

海上風(fēng)電安裝船的穩(wěn)性要求可分為漂浮穩(wěn)性和站立穩(wěn)性。此類海上風(fēng)電安裝船一般干舷較小，且艙室布置較為集中，穩(wěn)性分析時尤其要注意滿足規(guī)范對平臺的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性要求。站立穩(wěn)性分析時要考慮舷外起吊和環(huán)境載荷方向一致時對其最不利的影響，且傾覆力矩應(yīng)計及動力放大效應(yīng)和P-Delta效應(yīng)。具體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求可參照CCS《海上風(fēng)機(jī)作業(yè)平臺指南》中的關(guān)于穩(wěn)性部分。

（7）其他部分設(shè)計要求

其他部分的設(shè)計要求，包括機(jī)電設(shè)備、防火、消防、救生、信號等，和常規(guī)自升式平臺并無區(qū)別，在此不再贅述，具體可參考CCS相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

表2為最近幾年入級CCS的海上風(fēng)電安裝船的技術(shù)參數(shù)，隨著國內(nèi)海上風(fēng)電的不斷發(fā)展，海上風(fēng)電安裝船的能力也在不斷提升。

對海上風(fēng)電安裝船的幾點思考

表2 國內(nèi)典型的海上風(fēng)電安裝船技術(shù)參數(shù)

目前，海上風(fēng)電在國內(nèi)逐步形成產(chǎn)業(yè)，隨之海上風(fēng)電的安裝業(yè)務(wù)也蓬勃發(fā)展，越來越多的海上風(fēng)電安裝船也進(jìn)入市場。據(jù)預(yù)計，在“十三五”期間，國內(nèi)約有20余座海上風(fēng)電安裝船進(jìn)行設(shè)計和建造，因此海上風(fēng)電安裝船逐步成為重要的海洋工程裝備。筆者認(rèn)為，對于海上風(fēng)電安裝船的現(xiàn)狀及發(fā)展，應(yīng)重點思考和關(guān)注以下四個方面。

一是國家職能部門應(yīng)加強(qiáng)海上風(fēng)電開發(fā)的支持和引導(dǎo)。海上風(fēng)電開發(fā)涉及多個領(lǐng)域，各單位對發(fā)展海上風(fēng)電的認(rèn)識不一，各地相關(guān)職能部門實際執(zhí)行管理標(biāo)準(zhǔn)不一，需要加強(qiáng)國家層面的海洋、海事等職能部門間溝通和協(xié)調(diào)，統(tǒng)一認(rèn)識，強(qiáng)化管理，支持和引導(dǎo)海上風(fēng)電行業(yè)健康發(fā)展。這樣，才能有效促進(jìn)海上風(fēng)電安裝船舶此類海洋工程裝備的有序建設(shè)和發(fā)展。

二是加快海上風(fēng)電安裝船的船型開發(fā)，逐步形成一系列有自主知識產(chǎn)權(quán)的船型產(chǎn)品。目前國內(nèi)海上風(fēng)電安裝船的設(shè)計基本上只有幾家，如中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所、上海振華等，且只是根據(jù)市場需求進(jìn)行開發(fā)，并沒有形成適應(yīng)不同水深、不同吊裝能力的系列化船型產(chǎn)品。隨著海上風(fēng)電開發(fā)的不斷推進(jìn)，建議設(shè)計單位加大研發(fā)力度，逐步開發(fā)形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列化船型產(chǎn)品，使得中國元素走進(jìn)國際海上風(fēng)電建設(shè)市場。

三是明確使用需求，優(yōu)化海上風(fēng)電安裝船配備，進(jìn)一步降低開發(fā)成本。目前海上風(fēng)電開發(fā)成本較高，海上安裝成本占很大比例，風(fēng)電項目業(yè)主應(yīng)進(jìn)一步梳理使用需求，優(yōu)化作業(yè)程序，合理配置風(fēng)電安裝船，將海上開發(fā)成本降到最低。隨著海上風(fēng)電運維階段的到來，海上風(fēng)電項目業(yè)主應(yīng)合理考慮運維船舶使用，必要時可將海上風(fēng)電安裝船一并規(guī)劃、考慮。

四是加大海上風(fēng)電安裝船相關(guān)技術(shù)研究，編制專門針對海上風(fēng)電安裝船的設(shè)計、建造標(biāo)準(zhǔn)。目前海上風(fēng)電安裝船的入級規(guī)范為海上移動平臺統(tǒng)一規(guī)范，尚缺乏針對性和系統(tǒng)性。中國船級社應(yīng)加大研發(fā)力度，編制專門的海上風(fēng)電安裝船技術(shù)規(guī)范，在設(shè)計、建造、營運等方面精細(xì)化控制，為船東降低成本，提高作業(yè)效率。