，

(1．北京高泰深海技術(shù)有限公司， 北京 102029； 2．南通風(fēng)電運(yùn)維海洋工程有限公司， 南通 226000)

0 引 言

2016年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量近2 200 MW，累計(jì)裝機(jī)容量近14 300 MW，德國(guó)和荷蘭分列新增裝機(jī)容量排名的第一和第二，中國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量592 MW，排名第三，累計(jì)裝機(jī)容量為1 627 MW。雖然歐洲目前處于領(lǐng)先地位，但中國(guó)的海上風(fēng)電也在逐步發(fā)展。2016年12月，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)印發(fā)《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提出加快推進(jìn)已開工海上風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度，積極推動(dòng)后續(xù)海上風(fēng)電項(xiàng)目開工建設(shè)，鼓勵(lì)沿海各省區(qū)市和主要開發(fā)企業(yè)建設(shè)海上風(fēng)電示范項(xiàng)目，帶動(dòng)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。同時(shí)，國(guó)家能源局出臺(tái)的《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》也提出，要積極穩(wěn)妥地推進(jìn)海上風(fēng)電建設(shè)，到2020年，全國(guó)海上風(fēng)電開工建設(shè)規(guī)模達(dá)107kW，力爭(zhēng)累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)5×106kW。中國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)是穩(wěn)中求進(jìn)。在未來幾年，隨著海上風(fēng)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，海上風(fēng)電開發(fā)成本會(huì)進(jìn)一步降低，中國(guó)海上風(fēng)電可能會(huì)取得更快的發(fā)展[1-2]。

海上風(fēng)電運(yùn)維船是用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)的專用船舶。該船舶在波浪中應(yīng)具有良好的運(yùn)動(dòng)性能，在航行中具有很好的舒適性，能夠低速精準(zhǔn)地靠泊至風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)，防止對(duì)基礎(chǔ)造成較大沖擊，并能夠與基礎(chǔ)持續(xù)接觸，安全便利地將人員和設(shè)備運(yùn)送至風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;船舶甲板區(qū)應(yīng)具有存放工具、備品備件等物資的集裝箱或風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)維專用設(shè)備的區(qū)域，并可以進(jìn)行脫卸;船舶還應(yīng)具有運(yùn)維人員短期住宿生活的條件和優(yōu)良、舒適的夜泊功能。

在國(guó)外海上風(fēng)電運(yùn)維過程中，專業(yè)運(yùn)維船作為最重要的可達(dá)性裝備被普遍應(yīng)用于各海上風(fēng)電場(chǎng)，由單體船、雙體船和三體船等船型組成。國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電剛剛起步，運(yùn)維船尚處于起步階段，迫切需要對(duì)運(yùn)維船作業(yè)能力進(jìn)行專業(yè)的分析評(píng)估。當(dāng)前針對(duì)海上風(fēng)電運(yùn)維船，乃至安裝資源都缺乏基于特定海域海況分析得出的作業(yè)概率及作業(yè)能力評(píng)估以作為施工決策依據(jù)，相關(guān)工作的開展還多基于工程經(jīng)驗(yàn)手段。目前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電安裝乃至海洋工程領(lǐng)域?qū)Π惭b資源是否能在作業(yè)海域進(jìn)行作業(yè)、作業(yè)能力如何都缺乏科學(xué)的分析手段。

本文首次針對(duì)風(fēng)電運(yùn)維船展開作業(yè)能力評(píng)估研究，對(duì)目標(biāo)雙體風(fēng)電運(yùn)維船(后文簡(jiǎn)稱運(yùn)維船)在江蘇海域的作業(yè)能力和作業(yè)概率評(píng)估展開分析研究，相關(guān)方法對(duì)風(fēng)電運(yùn)維船和其他風(fēng)電作業(yè)船作業(yè)能力評(píng)估具有一定的借鑒意義，對(duì)于保證海上風(fēng)電安裝和運(yùn)維安全有一定的指導(dǎo)意義。

1 運(yùn)維船基本信息

目標(biāo)運(yùn)維船基本信息見表1。該運(yùn)維船為雙體船，總長(zhǎng)為28 m，型寬為10.8 m，作業(yè)吃水為2.2 m。船首配備運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置，不具備動(dòng)力定位能力，登船裝置運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償能力為2 m。運(yùn)維船登靠的風(fēng)機(jī)登船平臺(tái)距水面5 m。

表1 運(yùn)維船基本信息

圖1 目標(biāo)海域位置

2 環(huán)境條件

環(huán)境條件數(shù)據(jù)參考《西北太平洋波浪統(tǒng)計(jì)集》[2]，目標(biāo)海域[3]為Y2，如圖1所示，其緯度范圍為31.7°N～35.0°N，經(jīng)度范圍為119.2°E～125.0°E。該海域主要位于長(zhǎng)江口以北的江蘇外海。Y2海域全年有義波高與平均跨零周期散布情況見表2，該海域全年4個(gè)季節(jié)有義波高與平均跨零周期分布見表3。Y2海域有義波高Hs=0.3～3.6 m，對(duì)應(yīng)平均跨零周期Tz=4～7 s，分季節(jié)有義波高主要集中在0.3～2.2 m，該海域的海況較為溫和。

表2 Y2海域全年有義波高與平均跨零周期散布

圖2 Y2海域全年及分季節(jié)波浪方向分布

表3 Y2海域分季節(jié)有義波高與平均跨零周期分布

Y2海域全年及分季節(jié)波浪方向分布如圖2所示。由圖2可知，該海域波向方向特征明顯，以西北-東南向?yàn)橹?，春夏以東南向?yàn)橹?，秋冬以?西北向?yàn)橹鳌?/p>

3 分析方法

3.1 基本假設(shè)與分析方法

本文針對(duì)目標(biāo)運(yùn)維船在黃海海域登靠風(fēng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)的作業(yè)概率進(jìn)行分析方法研究，考慮到實(shí)際分析需要，作出以下基本假設(shè)：

(1) 運(yùn)維船以頂靠方式接近風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)人員登靠，船舶不具備動(dòng)力定位能力，因此假設(shè)運(yùn)維船在迎浪、隨浪方向能實(shí)現(xiàn)順利登靠；

(2) 考慮到該海域波浪主方向較為穩(wěn)定，因此假設(shè)風(fēng)機(jī)登船平臺(tái)位于平臺(tái)的東南向；

(3) 考慮到運(yùn)維船靠泊后人員登爬風(fēng)機(jī)至頂部機(jī)艙進(jìn)行作業(yè)，該作業(yè)在很大程度上需在風(fēng)速較小的條件下開展，因此假定當(dāng)風(fēng)速小于8 m/s時(shí)登靠風(fēng)機(jī)平臺(tái)的運(yùn)維人員可以正常登爬風(fēng)機(jī)進(jìn)行維護(hù)作業(yè)。

分析流程和方法如圖3所示。

圖3 分析流程

具體的分析步驟如下：

(1) 根據(jù)運(yùn)維船船體型線圖建立水動(dòng)力分析模型；

(2) 根據(jù)Y2海域環(huán)境條件建立全年、分季度的有義波高與譜峰周期TP關(guān)系；

(3) 確定全年、分季度的波向分布特性以及有義波高概率分布函數(shù)；

(4) 確定在各個(gè)海況作用下運(yùn)維船登船裝置與風(fēng)機(jī)登船平臺(tái)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)值；

(5) 結(jié)合波高概率分布函數(shù)以及波向分布，求出全年和分季度的運(yùn)維船作業(yè)概率。

3.2 頻域水動(dòng)力分析與運(yùn)動(dòng)分析

本文采用WAMIT軟件對(duì)運(yùn)維船進(jìn)行頻域水動(dòng)力分析。WAMIT是基于三維勢(shì)流理論進(jìn)行浮體和波浪相互作用分析的軟件，主要解決浮體在環(huán)境載荷作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊定位、海上安裝作業(yè)、船舶航行以及波浪載荷傳遞等方面的問題[4]。運(yùn)維船的水動(dòng)力系數(shù)、幅值響應(yīng)算子(Response Amplitude Operator, RAO)、一階波浪載荷等通過WAMIT軟件求解。運(yùn)維船面源水動(dòng)力計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 使用WAMIT軟件建立的運(yùn)維船面源模型

運(yùn)維船在波浪作用下的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)使用OrcaFlex軟件進(jìn)行計(jì)算[5]。WAMIT計(jì)算的水動(dòng)力數(shù)據(jù)導(dǎo)入OrcaFlex中進(jìn)行時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果考慮運(yùn)維船登船位置與風(fēng)機(jī)登船平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 OrcaFlex時(shí)域計(jì)算模型

4 運(yùn)維船作業(yè)概率分析

4.1 運(yùn)維船水動(dòng)力響應(yīng)特性

運(yùn)維船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO如圖6～圖8所示。由于該船尺度和噸位較小，波頻運(yùn)動(dòng)固有周期較小，集中在5 s附近，其在大波長(zhǎng)范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)幅值較大，呈現(xiàn)隨波運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，在高海況下船體運(yùn)動(dòng)性能較差。

圖6 運(yùn)維船縱蕩RAO

圖7 運(yùn)維船升沉RAO

圖8 運(yùn)維船縱搖RAO

4.2 全年及分季度海況作用下運(yùn)維船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

對(duì)運(yùn)維船在全年以及分季節(jié)各個(gè)海況下的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算。此處僅給出全年計(jì)算工況和對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果，見表4、表5，在全年海況下運(yùn)維船登船裝置與風(fēng)機(jī)登船平臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)(簡(jiǎn)稱相對(duì)運(yùn)動(dòng))如圖9所示。由圖9可知，在全年海況作用下，考慮登船系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償：當(dāng)以相對(duì)運(yùn)動(dòng)有義值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)小于2 m，對(duì)應(yīng)有義波高在1.6 m以下； 當(dāng)以相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)小于1 m，對(duì)應(yīng)有義波高在1.0 m以下。

隨著波浪周期的縮短，譜峰周期接近船體運(yùn)動(dòng)固有周期，低譜峰周期條件下波陡較大，此時(shí)運(yùn)維船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)增大。

表4 Y2海域全年海況條件計(jì)算工況

表5 全年條件下運(yùn)維船登船裝置與風(fēng)機(jī)登船平臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果

圖9 全年條件下相對(duì)運(yùn)動(dòng)有義值及最大值與波高關(guān)系

運(yùn)維船在高海況條件下呈現(xiàn)明顯的隨波運(yùn)動(dòng)。圖10、圖11為TY 07工況下船體運(yùn)動(dòng)時(shí)域截圖，可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)維船在高海況下隨波運(yùn)動(dòng)，升沉運(yùn)動(dòng)明顯。

圖10 相對(duì)運(yùn)動(dòng)有義值與波高關(guān)系(船體位于波谷) 圖11 相對(duì)運(yùn)動(dòng)有義值與波高關(guān)系(船體位于波峰)

4.3 全年及分季度海況作用下運(yùn)維船作業(yè)概率

根據(jù)第3節(jié)相關(guān)方法，計(jì)算運(yùn)維船在Y2海域的全年及分季度作業(yè)限制波高與作業(yè)概率。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)以有義值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，運(yùn)維船最大作業(yè)有義波高為1.6～2.6 m，譜峰周期越小作業(yè)限制波高越低，這與之前的運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果相一致；當(dāng)以相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，運(yùn)維船最大作業(yè)有義波高為0.8～1.2 m?？紤]登爬風(fēng)機(jī)的風(fēng)速限制要求：當(dāng)以有義值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，運(yùn)維船最大作業(yè)有義波高為1.6 m；當(dāng)以相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，運(yùn)維船最大作業(yè)有義波高為0.8 m。

最終給出運(yùn)維船在目標(biāo)海域的全年以及分季度作業(yè)概率以及對(duì)應(yīng)作業(yè)天數(shù)，見表6。

表6 運(yùn)維船全年及分季節(jié)作業(yè)概率及可作業(yè)天數(shù)

當(dāng)以相對(duì)運(yùn)動(dòng)有義值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，該船在目標(biāo)海域全年的可作業(yè)天數(shù)在170 d左右：運(yùn)維船在春季和夏季作業(yè)天數(shù)較多，分別為45 d和47 d；秋季和冬季作業(yè)天數(shù)略少，分別為37 d和33 d。當(dāng)以相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，該船在目標(biāo)海域全年的可作業(yè)天數(shù)在140 d左右：運(yùn)維船在春季和夏季作業(yè)天數(shù)較多，分別為35 d和38 d；秋季和冬季作業(yè)天數(shù)略少，分別為31 d和24 d。

考慮到當(dāng)前國(guó)內(nèi)運(yùn)維船通常作業(yè)時(shí)間為1～2 d，作業(yè)天數(shù)分析結(jié)果顯示該船具有較強(qiáng)的作業(yè)能力，能夠滿足相關(guān)海域的海上風(fēng)機(jī)運(yùn)維要求。

5 結(jié) 論

本文對(duì)一條雙體運(yùn)維船在江蘇黃海海域的全年作業(yè)概率與作業(yè)天數(shù)進(jìn)行研究，最終結(jié)果顯示該船在該海域有較強(qiáng)的作業(yè)能力，能夠滿足該海域海上風(fēng)機(jī)的運(yùn)維要求。

采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)有義值和最大值作為作業(yè)能力校核標(biāo)準(zhǔn)最終得出的運(yùn)維船最大限制波高區(qū)別較大。真實(shí)海況呈現(xiàn)較強(qiáng)的非線性和隨機(jī)性，在運(yùn)維船上的人員登上風(fēng)機(jī)平臺(tái)的過程中，船體時(shí)刻處于運(yùn)動(dòng)之中，考慮到人員安全，針對(duì)本文的運(yùn)維船以及目標(biāo)海域，具體建議見表7。

表7 目標(biāo)運(yùn)維船在Y2海域登靠建議

為了提高運(yùn)維船的作業(yè)能力，可以考慮對(duì)運(yùn)維船進(jìn)行有針對(duì)性的主尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)，配備動(dòng)力定位系統(tǒng)以適應(yīng)不同波浪方向作用，提高運(yùn)維船的登靠能力，同時(shí)建議運(yùn)維船配備全面的天氣預(yù)報(bào)和檢測(cè)系統(tǒng)，以保障運(yùn)維人員安全登靠。風(fēng)機(jī)登靠平臺(tái)放置位置應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)睾Ｓ虻闹鞑ㄏ颉?/p>