趙志堅/中遠海運重工有限公司

海上風電安裝船設計要點分析

趙志堅/中遠海運重工有限公司

隨著風電安裝船的總體性能不斷提升，使得在更廣闊水域開發(fā)海上風電場成為了可能，同時也為風電安裝船的建造創(chuàng)造了機遇。

為了有效應對全球氣候變暖，減少溫室氣體排放，大力發(fā)展可再生能源已成為世界各國的普遍共識。海上風力發(fā)電因其資源豐富、風速穩(wěn)定、對環(huán)境負面影響較少，具有十分廣闊的應用前景。

海上風電代表了當今風電技術的最高水平，隨著海上風電產業(yè)的興起，海洋風力發(fā)電裝備及其相關產業(yè)也獲得了快速發(fā)展。集海上運輸、風電安裝、風電場維護功能于一體的風電安裝船，作為海上風電場安裝和維護的專用工程裝備，以其功能集成齊全、裝載能力大、作業(yè)效率高、操作適用性好、使用成本低的特點，越來越受到國內外海上風電運營商的青睞。風電安裝船的總體性能不斷提升，使得在更廣闊水域開發(fā)海上風電場成為了可能，同時也為風電安裝船的建造創(chuàng)造了機遇。

國內外風電安裝船現(xiàn)狀

海上風電機組的安裝作業(yè)分為水下基礎安裝和水上塔筒及風車部件安裝。根據風電安裝船主吊機起重能力的不同，水上部分安裝通常分整體安裝和分體安裝。

整體安裝是指塔架、機艙、輪轂和槳葉全部組裝完畢后，將其作為一個整體用吊機一次性安裝到海上風車基礎上。分體安裝是指風機部件以散件或組件的形式運輸?shù)阶鳂I(yè)現(xiàn)場，依次安裝到海上風車基礎上，通常分為三葉式、兔耳式及單葉式安裝。

早期，風電安裝船多由其他海洋工程船改造而成，或者風機安裝直接由多型工程船聯(lián)合作業(yè)。隨著裝機容量的日益增大，傳統(tǒng)的風電安裝船已經無法滿足起吊高度和起重能力的要求，特別是運輸、安裝效率的低下，且由于往往多船聯(lián)合作業(yè)才能實現(xiàn)風機安裝，使得安裝費用居高不下，無法滿足當前海上風電快速發(fā)展的作業(yè)需求。近年來，歐洲多家海洋工程公司相繼建造了多艘專用于海上風電安裝的工程船。各種類型風電安裝船舶的對比如表1，可以看出，自航自升式風電安裝船兼具自升式平臺和浮式船舶的優(yōu)點，突破了風機的大型化、吊機能力和海況條件的限制，集成了海上風機安裝的所有功能，能夠實現(xiàn)快速運輸和高效安裝，是當前海上風電安裝的首選裝備。

表1 海上風電安裝船船舶類型對比

風電安裝船設計細節(jié)

與普通的起重安裝船相比，自航自升式風電安裝船有良好的快速性和操縱性，可以一次性運載更多的風機，能夠在相對惡劣的海況下作業(yè)，且安裝速度較快，經濟性突出。中遠海運重工近年來承建并交付了兩型4艘風電安裝船，分別是6條樁腿形式的“探險號”和“發(fā)現(xiàn)號”姊妹船，以及4條樁腿形式的“海上安裝者”和“海上挑戰(zhàn)者”號姊妹船。

經工業(yè)和信息化部批準，中遠海運重工技術研發(fā)中心牽頭開發(fā)了一型具有自航自升能力的風電安裝船，現(xiàn)已成功通過工信部組織的驗收評審。該項目的成功實施，突破了近海風電設備安裝船設計建造關鍵技術，取得了挪威船級社和中國船級社的基本設計認可，形成了具有自主知識產權的近海風電設備安裝船設計。

該船采用超U形船首設計，阻力小，航速快，配備900噸起重機，滿足環(huán)保符號CLEAN DESIGN的要求，配備DP2動力定位系統(tǒng)，可一次性裝載7臺6兆瓦風機部件，最大甲板載荷超過5000噸，達到國際先進水平。該項目獲得國家發(fā)明專利1件，軟件著作權1件，發(fā)表學術論文14篇，制造了液壓升降系統(tǒng)模擬樣機1套，取得了中國船級社船用產品試驗證書。

下面從型線優(yōu)化設計、總布置設計、水動力性能分析、結構設計與強度分析、液壓系統(tǒng)設計及環(huán)保設計幾個方面對該風電安裝船設計要點進行介紹。

型線優(yōu)化設計

由于風電安裝船船寬都比較大，屬于典型的淺吃水肥大型船舶，受樁腿位置影響，入流段比較小，同時船首部還要布置管隧式推進器，受管隧長度的限制，使得艏部型線設計非常困難。一些設計公司將艏部設計成附體形式，如圖4所示。這種艏部設計導致型線的光順度很差，造成船舶阻力的急劇增加，對快速性影響很大。

為解決艏部船型設計與艏側推布置的矛盾，改善船舶的快速性，技術研發(fā)中心應用CFD數(shù)值模擬仿真技術對近海風電設備安裝船的型線進行了優(yōu)化設計。在充分論證的基礎上，經過全參數(shù)化建模和多目標多參數(shù)化優(yōu)選，使用逐漸逼近的方法，綜合考慮了船舶的快速性、施工便利性、DP定位能力、浮心位置等影響因素，經過多輪次的優(yōu)化，形成了具有超U型水線的最優(yōu)設計，并取得了國家發(fā)明專利授權。

總布置設計

圖1 “探險號”風車船

圖2“海上安裝者”號風車船

圖3 自主設計的風電安裝船

圖4 國外某型船艏部設計

圖5 超U型水線船艏

圖6 站立抗傾覆穩(wěn)定性

圖7 固有周期模態(tài)分析

風電安裝船總體布置設計受多種因素影響，總布置的優(yōu)劣直接決定了甲板空間能否得到有效利用，進而影響風電安裝船的最大裝載能力和運營的經濟性。

技術研發(fā)中心開發(fā)的風電安裝船配有6臺發(fā)電機，分別位于船體中部的2個機艙內，遠離生活區(qū)，避免振動噪聲對居住區(qū)的影響，每個機艙的煙囪分別靠近樁腿升降室，增大了甲板有效利用面積。艉部裝有3臺全回轉推進器，為船舶的航行提供推進動力，船首經過優(yōu)化后航速可達12.5節(jié)，同時艏部裝有3臺管隧式推進器，既經濟又達到了DP2級動力定位的效果。

全船共有4條圓柱形式的樁腿，繞樁式的主起重機位于艉部左舷樁腿的升降室上。這種布置方式一方面降低了起重機支撐的結構重量，提高了可變載荷；另一方面減小了對甲板空間的占用，進而可裝載更多的風機部件，增加了營運面積。為了使整船提升時各樁腿受力均衡，優(yōu)化了甲板布置，使得典型裝載工況下的船舶重心位置盡量靠近4條樁腿的幾何中心。

水動力性能分析

近海風電場的水深通常在50米以內，風浪流條件比較復雜，非線性效應明顯；同時由于工況繁多，除需要開展常規(guī)的水動力性能分析外，還需要針對風電安裝船特殊的作業(yè)特點，有針對性的開展水動力分析工作。在安裝和回收樁腿時，由于樁腿高度的變化，整個風電安裝船的重心位置和初穩(wěn)性高度都會有所變化，這對風電安裝船在波浪中的運動會造成一定的影響，特別是橫搖運動。同時，當樁靴剛抬離海床或將要插入海床時，應避免因為船體的劇烈運動而導致樁靴與海底發(fā)生嚴重的碰撞，造成樁靴的損壞。因此，開展風電安裝船樁腿下放和回收的整個過程中的運動性能分析是十分必要的。

在進行安裝作業(yè)時，風電安裝船的主船體部分會在樁腿的支撐下，抬離水面到一定高度。此時，船體底部的氣隙大小直接關系到平臺的結構安全。如果氣隙高度不足，船體會遭遇波浪砰擊載荷，波浪碰撞船體迅速破碎，會在瞬間釋放極高幅值的沖擊載荷，進而對船體的局部結構強度和船體的穩(wěn)定性造成不利影響。技術研發(fā)中心聯(lián)合大連理工大學，基于CFD計算流體力學理論，建立數(shù)值波浪水池，對數(shù)值造、消波技術和算法進行驗證，并根據極大波浪參數(shù)數(shù)值模擬波浪爬升現(xiàn)象，完成對圓柱樁腿上指定位置波面升高時程、爬升速度和砰擊壓力的預報，進而保證風電安裝船在作業(yè)工況下的安全性。

結構設計與強度分析

風電安裝船配有液壓升降裝置和樁腿結構，通過液壓系統(tǒng)控制把樁腿下放到海底，進而通過預壓載將樁腿插入海床一定深度，再將整船提升到水面以上一定高度，為安裝作業(yè)提供穩(wěn)定支撐。在風、浪、流、整船重量以及慣性載荷的聯(lián)合作用下，風電安裝船結構設計需要實現(xiàn)“升得起、站得穩(wěn)、吊得動”的目標?！吧闷稹笔侵复霸谡顟B(tài)下利用升降裝置將樁腿插入海床進而將船體提升到作業(yè)高度的過程，這包括兩方面的能力需求，一是升降裝置具有足夠提升能力；二是樁腿要有足夠的強度?！罢镜梅€(wěn)”是指船舶升出水面后，在風浪流環(huán)境載荷及自身作業(yè)載荷的作用下依舊能夠保持穩(wěn)定，這就要求樁腿設計要有足夠的強度和剛度，樁靴要有充足的承載面積，以滿足地基承載能力需求；此外，站立狀態(tài)時的抗傾覆穩(wěn)定性也是“站得穩(wěn)”的一個重要參考指標?！暗醯脛印眲t要求船上配備的起重機能夠完成大型風機部件的安裝作業(yè)，在吊高、吊重和吊重曲線上可以匹配目標船型的能力需求，同時，最大吊重時的樁腿強度則是實現(xiàn)安全作業(yè)的一個重要保障。

圖8 樁腿屈曲模態(tài)分析

圖9 站立狀態(tài)總體強度

圖10 樁靴結構強度

圖11 升降室與導向結構強度

圖12 模擬平臺試驗

風電安裝船屬于自升式結構物，技術研發(fā)中心應用船舶強度評估和海工結構強度評估相結合的方法，基于有限元分析技術，在考慮各種非線性效應基礎上，對風電設備安裝船各設計工況下的總體強度進行評估，并結合總體強度應力分析結果開展了局部關鍵區(qū)域結構的強度評估，根據強度評估結果完成了全船的結構優(yōu)化設計。

對自升式風電安裝船而言，樁腿、樁靴的結構設計和強度分析是保證船舶能夠安全作業(yè)的關鍵。技術研發(fā)中心通過總體強度與局部強度相結合的方法，將總體強度提取的內力載荷施加到局部結構中來，開展了樁腿與樁靴的結構強度評估，并基于強度分析結果完成了風電設備安裝船樁腿、樁靴的結構迭代優(yōu)化設計。

液壓升降系統(tǒng)設計

液壓升降系統(tǒng)作為風電安裝船的關鍵部分，其性能的優(yōu)劣直接影響船舶的作業(yè)能力。中遠海運重工研發(fā)的風電安裝船采用了子公司南通迪施所開發(fā)的液壓升降系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)整船的連續(xù)升降，達到每條樁腿提升能力5400噸，鎖緊能力9500噸，工作性能平穩(wěn)，在工作及非工作各種狀態(tài)下，具有多種安全保護措施，能夠保證船舶在升降操作及海上風機安裝作業(yè)安全。

為了驗證液壓升降裝置控制系統(tǒng)的有效性，技術研發(fā)中心通過設計制造液壓升降系統(tǒng)模擬樣機，應用與風電安裝船液壓系統(tǒng)和液壓升降控制系統(tǒng)設計文件相一致的液壓系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)的原理、原器件選型（型號一致規(guī)格變小）、控制軟件及控制程序來驗證實船應用的連續(xù)升降液壓升降系統(tǒng)和液壓升降控制系統(tǒng)設計，取得中國船級社（CCS）頒發(fā)的船用產品試驗證書，并獲得多項國家專利。

環(huán)?？紤]

船舶對大氣造成的污染日益受到全社會關注，據統(tǒng)計全球排放的氮氧化物中30%來自海上船舶。目前，全球共有4處排放控制區(qū)，分別是波羅的海地區(qū)、北海地區(qū)、北美地區(qū)、美國及加勒比海地區(qū)。2015年12月，中國政府也首次在珠三角、長三角、環(huán)渤海三大主要水域設立船舶排放控制區(qū)。

海上風電場目前均分布在近海海域，而風電安裝船則往返于風電場和港口之間，如何減小船舶排放對環(huán)境的影響是目標船設計工作不得不考慮的因素。在設備選型上，目標船采用了以含硫量低的船用輕柴油（MGO）為燃料的發(fā)電機，并在排煙管上安裝了氮氧化物催化還原除氮裝置（SCR），可保證船舶在排放控制區(qū)航行或作業(yè)；同時配備壓載水處理單元，加強了艙底水、污油水、生活污水系統(tǒng)方面的設計，滿足挪威船級社環(huán)保方面的入級符號（CLEAN DESIGN）的各種要求。

深水化、大型化、專業(yè)化將是未來發(fā)展方向

深水化

受潮間帶面積和風電場規(guī)劃影響，未來海上風電安裝必然將由極淺水向30—50米甚至更深的海域發(fā)展，這對風電安裝船的作業(yè)能力提出了更高要求。隨著水深的繼續(xù)增加，圓筒形樁腿設計在強度、剛度、穩(wěn)定性方面受到極大挑戰(zhàn)，尤其是難于滿足要求的剛度和穩(wěn)定性方面。因此，深水作業(yè)的風電安裝船將更趨向于采用桁架式樁腿結構，更大尺度的桁架式樁腿進一步影響到甲板有效裝載面積，降低了船舶裝載運輸能力。因此，深水化趨勢不但會帶來設計難度的增加、船舶作業(yè)效率的降低，更會帶來造價的大幅上升，這就需要設計公司在優(yōu)化設計方面下足功夫。同時，由于自升式結構物存在最大作業(yè)水深的限制，著眼于創(chuàng)新安裝設計方案的開發(fā)將是深水化需重點考慮的方向。

大型化

海上風電電機約占風機成本的45%，在海上風電場建設總成本中，電網連接、安裝和支撐結構等基礎投資占比過高，因此海上風電機組大型化能夠適當降低此類成本的投入，從而提高海上風電開發(fā)的經濟效益。目前國外已經出現(xiàn)了9兆瓦以上的巨型風電機組，傳統(tǒng)的小型船舶根本無法勝任安裝需求。從技術層面來說，大型化的發(fā)展對風電安裝船的甲板面積、吊重吊高、甲板載荷、定位能力等方面提出了更高的要求。

專業(yè)化

隨著風電并網技術的逐步成熟，海上風電場的規(guī)模將越來越大，海上風電安裝效率直接影響運營商的經濟效益，未來海上風電安裝市場所需的船舶類型將朝著專業(yè)化方向發(fā)展。海上風電場建設過程中的地質勘測、基礎施工與風機安裝、離岸變電站安裝、纜線鋪設、運營維護等工作將由專門的船舶負責，產業(yè)鏈也將變得更為完善和專業(yè)。

作業(yè)高效化

海上風機安裝不同于陸地，受海洋環(huán)境條件（風、浪、流及海底地質）的影響較大，存在作業(yè)窗口期問題，年度可允許作業(yè)時間將受到一定影響，進而降低作業(yè)效率，增大海上風場建設的成本。隨著技術的不斷發(fā)展和成熟，自升式風電安裝船可從多個設計方面進行改善。首先是船型，可開展多目標的綜合優(yōu)化設計，以使得風電安裝船的單次運輸、承載能力實現(xiàn)最大化；其次是樁腿的設計，在重承載作用下還應具備抵抗惡劣環(huán)境條件的能力；樁靴的設計可兼顧地基承載壓力，從而提高對海底地質條件的適應性；此外，主吊允許的作業(yè)環(huán)境也在不斷改善和提升。

對于自升式風電安裝船而言，樁腿的下放、預壓載、船體的提升和下降、樁腿的回收等動作所耗費的時間約占到安裝作業(yè)時間的50%以上，提高樁腿插拔和船體升降的速度，縮短操作時間，可以大幅提高安裝效率，提高船舶的運營經濟性?；谏鲜隹紤]，在保證升降機構運動平穩(wěn)的前提下提高升降裝置的升降速度，縮短樁腿和船體收放時間，可以作為效率提升的另一個研究方向。

建造方案趨向靈活性

海上風電場建設未來的走向是趨于深水化，但50—60米水深以內的固定式風機在較長一段時間內將占據市場主導地位。海上固定式風機的安裝存在多種多樣的解決方案，其最終目標還是以經濟性為主。目前，市場中已存的自升式工作平臺量大、型號齊全，開展海上風機安裝的唯一欠缺是沒有配備符合風機安裝能力的吊機。陸用伸縮臂履帶吊的起重能力已達1200噸，配有桁架式吊臂的履帶吊甚至達到1350噸，在陸地大噸位重物的吊裝工程應用方面已經十分成熟和穩(wěn)定。自升式工作平臺站立時類似海中的單點陸地，幾乎沒有任何運動，這個特性為陸用伸縮臂履帶吊與自升式工作平臺的結合提供了關鍵的可行性保障。吊裝高度方面，自升式平臺升船高度可在一定程度上滿足對吊機自身的起吊高度需求，從而減少了履帶吊對副臂和配重的過度依賴。此外，伸縮臂履帶吊占用空間小、重量輕，為兩者的結合帶來一定優(yōu)勢。

伸縮臂履帶吊通過與市場中已存自升式工作平臺的結合可快速具備海上風電安裝能力，且可以通過不同型號履帶吊與不同型號自升式工作平臺的靈活搭配具備不同規(guī)格風機的安裝能力，是一種經濟、高效、可行的選擇方案，可根據不同海域、不同風場的作業(yè)需求進行適度設計和開發(fā)。

浮式風機安裝方式的發(fā)展

目前看來，面向未來的海上風電建設還會繼續(xù)朝著深水、惡劣海況的方向發(fā)展，海上風機與浮式海工結構形式的結合催生出各種類型的漂浮式海上風機設計，這兩點很好地契合了未來海上風電的發(fā)展走向。自升式風電安裝船由于作業(yè)水深的直接限制，將不具備浮式風機的運輸安裝能力，取而代之的是漂浮式風電安裝船或平臺。超大型浮式風電安裝船可以一次運輸更多的風機，配備的主吊起重能力也更為強大，在作業(yè)水深方面則完全不受限制。半潛式起重平臺不僅適合深水起重安裝，更是工作在惡劣海域的浮式風機安裝的不二之選。

功能的擴展與延伸

隨著深水化的發(fā)展、吊重能力的不斷增強、甲板裝載能力的不斷增大，特別是具備超過1000噸、甚至幾千噸的重噸位起重能力，超大型浮式風電安裝船也延伸出其他一些服務功能，如固定式導管架平臺的安裝、退役拆解及運輸作業(yè)，海上橋梁與海底隧道施工的輔助吊裝工程作業(yè)，打撈救助作業(yè)等。這種作業(yè)功能的集成與增多、作業(yè)領域的模糊與重疊，成為未來市場開發(fā)時制定風電安裝設計方案的一個重要考量。

步入快速發(fā)展期

我國海岸線長，近海風能資源豐富。近海水深5—50米范圍內，風能資源潛在開發(fā)量達到5000億瓦。未來幾年，我國的海上風電將進入快速發(fā)展階段，風電安裝船的需求將會持續(xù)增加。

中遠海運重工技術研發(fā)中心開發(fā)的工信部項目風電安裝船配備了DP2級動力定位系統(tǒng)、具有優(yōu)秀的自航能力，同時該船的裝載能力、升降能力與國內同類產品相比具有明顯的優(yōu)勢，在國際上屬于高端設計。依托工信部近海風電設備安裝船研發(fā)項目開發(fā)過程中形成的技術和船型儲備，結合國內船東的具體需求，技術研發(fā)中心積極開展風電安裝船報價設計，在短短幾周時間內開發(fā)出了一型滿足目標營運需求（作業(yè)區(qū)域覆蓋中國沿海、滿足國際調遣需求、具有一定前瞻性、能夠高效運輸安裝作業(yè)）的風電安裝船，并積極將設計方案推向市場，力爭早日實現(xiàn)項目的市場化推廣應用。★