李遠揚 中國鐵建港航局集團有限公司

1.引言

受風能資源、養(yǎng)殖、軍事影響，海床條件等約束，固定式基礎海上風電發(fā)展?jié)摿τ邢蓿仨毨闷∈胶Ｉ巷L電開發(fā)深遠海資源。有數(shù)據(jù)顯示，全球80%的海上風能資源潛力都蘊藏在水深超過60m的海域。據(jù)全球風能理事會（GWEC）預測，雖然在2020年左右，固定式基礎海上風電的增長最為顯著，但從2030年起，漂浮式海上風電將快速發(fā)展。預測顯示，到2030年全球漂浮式海上風電裝機容量可達16.5GW，其中僅有7.1%或1.2GW在2025年以前完成建設，其他的大部分裝機將在2026年以后投運。目前，漂浮式海上風電在全球風電總裝機容量中的占比僅為0.1%，但在未來10年間會發(fā)揮越來越重要的作用，到2030年將占全球新增風電裝機總量的6.1%[1]。

在“碳達峰、碳中和”的背景下，我國海上風電發(fā)展取得了快速的發(fā)展，僅2021年海上風電并網(wǎng)容量達到1690萬千瓦，已經(jīng)發(fā)展成為全球最大的海上風電市場。我國主要沿海省份公布的“十四五”海上風電發(fā)展規(guī)劃，都將發(fā)展深遠海海上風電作為重要的發(fā)展目標，可以預測，漂浮式風機也將在我國迎來快速發(fā)展的新階段。

2.漂浮式風機基礎形式介紹

漂浮式風機已經(jīng)成為全球各大風機制造廠家的重點研究方向，無論是國內(nèi)的明陽智能、中國海裝等整機企業(yè)，還是國際主流的西門子歌美颯、通用電氣等整機制造商，都相繼發(fā)布了漂浮式海上風機。不同的地質(zhì)、海況、氣象條件都會影響漂浮式基礎的選擇，按照其靜穩(wěn)性原理大體可將目前已經(jīng)研制的漂浮式風機分為立柱式、半潛式、張力腿式、駁船式四種類型，并分別具有不同的特點，其中半潛式基礎具有適用水深范圍較廣，可采用濕拖法運輸，部署靈活，技術成熟的特點[2]。

我國大陸架變化緩慢，適用于40～60m的漂浮式風機更適合于我國發(fā)展現(xiàn)狀。我國首臺漂浮式風電機組是2021年12月7日在三峽陽江沙扒海上風電場投運的“三峽引領號”，它是全球首臺抗臺風型漂浮式海上風電機組，采用半潛式基礎，搭載單機容量為5.5MW的明陽智能抗臺風漂浮式機組。2022年5月，適用于60m水深的6.2MW中國海裝“扶搖號”在廣東湛江海域進行示范應用，該風機同樣采用半潛式基礎。半潛式基礎將成為我國近期相當一段時間內(nèi)主流的漂浮式風機基礎形式。

3.半潛式基礎漂浮式風機拖帶技術研究

半潛式漂浮式風機主要施工流程包括基礎和風機組件的組裝-整體拖帶至機位-錨泊及系纜。由于基礎和風電機組組裝之后整體高度較高，安全地整體拖帶至機位將成為施工的重中之重。雖然不同單機容量的漂浮式風機尺寸、重量不盡相同，但拖帶浮運計算原理一致，拖帶過程中面臨的主要風險基本相同。以下以典型半潛式基礎漂浮式風機為例，對拖帶方案及拖帶安全措施進行研究，以供相關技術研發(fā)和工程項目借鑒。

3.1 半潛式漂浮式風機基本參數(shù)

漂浮式風機采用半潛式基礎，基礎整體為一個等腰三角形，由三個立柱、垂蕩板、下浮體和上部方形橫撐組成，詳見圖1。半潛式基礎采用圓筒狀，呈三角形布置，長度72m，寬度80m，高度32m，單個圓筒直徑約為9m。浮體和機組總重量超過4000t，設計吃水17m，排水量超過15000t。機組塔筒高度為78m，輪轂中心高度96m，風輪直徑152m，葉片長度74m。

圖1 半潛式漂浮式風機模型圖

3.2 浮運阻力計算

考慮到漂浮式風機無操縱性能，從船隊航行操縱安全角度分析建議將拖帶速度控制在6kn以下，即航速為3.09m/s。按照《海上拖航指南》(2011)中附錄2關于海上拖船阻力的估算方法，海上被拖航物體所受阻力RT的估算公式可表示為：

式(1)中：RF為被拖物拖航摩擦阻力；RB為被拖物拖航剩余阻力。注：拖船的拖航阻力在計算拖船拖力時予以考慮。

在計算RF、RB時，參照英國OPL出版社出版的油田海船第四卷《Towing》推薦的拖航摩擦阻力更能客觀的反應被拖物水下濕表面的客觀情況[3]。

1)《Towing》推薦的被拖物拖航摩擦阻力RF的計算公式為：

式(2)中：F1為被拖物的污底系數(shù)，新制鋼浮筒可取F1=0.4；A1為被拖物的水下濕表面積，A1=4973m2；v為拖航速度。由此可得，RF=63kN。

2)《Towing》推薦的拖航剩余阻力的估算公式為：

式(3)中：F2為被拖物的艄部形狀系數(shù)，圓端型圍堰艄部形狀系數(shù)取0.5；A2為浸水橫斷面面積，A2=311m2。由此可得：RF=1280kN。

結合式（1），計算得出此半潛式漂浮式風機所受阻力RT=1544kN。

根據(jù)《海上拖航指南》，對于受風面積特別龐大的鉆井平臺或其他水上建筑，其拖航阻力尚應按下式(4)估算，與上式（1）計算的結果比較，取其大值作為漂浮式風機拖帶所需拖力值。

式中ρ為空氣密度，取1.22kg/m3；V為風速，暫按6級風速考慮，并考慮航速影響，按照頂風向托帶考慮，取值16.89m/s；Ai為受風面積m2，按頂風估算；CS為受風面積Ai的形狀系數(shù)，根據(jù)規(guī)范要求取值。半潛式基礎受風面積按表中圓柱形考慮，受風面積591m2，取形狀系數(shù)1.0；塔筒及風電機組按孤立結構形狀考慮，受風面積1400m2，取系數(shù)為1.5。由此計算RA=937kN；根據(jù)式（2）和式（3），RF、RF分別為63kN和1280kN，根據(jù)式（4），在考慮風阻的情況下，RT為1878kN。

綜上所述，此漂浮式風機拖航阻力RT為1878kN。

3.3 拖船編隊方案

拖帶船組配置1艘10000HP拖船主拖，3艘6000HP拖船輔拖，以及一艘6000HP拖船警戒及備用，共5艘拖船組成拖航編隊。

1#拖船作為主拖船，正前方吊拖，采用10000HP拖輪；2#拖船左前編隊吊拖，采用6000HP拖輪；3#拖船右前編隊吊拖，采用6000HP拖輪；4#拖船后部編隊，輔助控制風機航行軌跡和航速，采用6000HP拖輪；另安排一艘6000HP拖船警戒、備用。整體拖帶寬度為140m，長度為310m，拖帶示意圖見圖2。經(jīng)海事部門確認后進行編隊拖帶，在現(xiàn)場海巡艇和護航艇的維護下進入規(guī)定航道，進行漂浮式風機浮運拖帶。

圖2 半潛式漂浮式風機拖帶示意圖

3.3.1 拖船拖帶力計算

根據(jù)海上拖航經(jīng)驗，受拖纜較短、被拖物受到拖船船艉排出流的影響，以及拖船船組轉(zhuǎn)向、變速，被拖船發(fā)生偏蕩等原因，拖船拖力作用在被拖物上效率為70%左右。6000HP拖船的有效輸出拖力約為800kN，10000HP拖船有效輸出拖力約為1400kN。3m/s對水速度下2#拖船、3#拖船的阻力為45k N，1#拖船的阻力為85 k N。拖航總阻力R=1.15×（45+45+85）+RT=2079.25kN。3艘拖船的有效輸出拖力為（800+800+1400）×0.7=2100 kN >RT。滿足拖帶要求。

3.3.2 纜繩計算

纜繩采用直徑為80mm、抗拉強度R0=1870MPa的鋼芯鋼絲繩，單根鋼絲繩最小破斷拉力：

式中K’為最小破斷拉力系數(shù)，取值0.382；D為鋼絲繩直徑mm，取值80mm；R0為鋼絲繩公稱抗拉強度，MPa，取值1870MPa。根據(jù)式（6）計算F0為4572kN，安全系數(shù)為3.26。滿足要求。

3.4 拖帶安全管控措施

漂浮式風機拖帶涉及風機整體的強度、剛度和穩(wěn)定性，不僅包括基礎還包括塔筒、葉片及電器組件。不同風機的強度、剛度和穩(wěn)定性的標準不同，目前并無一個統(tǒng)一的標準對拖帶的風況、海況做出明確要求，在具體拖帶作業(yè)中要按照風機廠家的安裝技術手冊執(zhí)行。在此，不考慮漂浮式風機自身的安全性問題，僅針對拖航過程中的常見風險制定相應保障措施，供參考。

3.4.1 通航安全保障措施

拖帶前制定完整的航行方案，提前向當?shù)睾Ｊ轮鞴懿块T申請發(fā)布航行通告，以提醒其他船舶注意避讓。針對漂浮式風機拖帶，在制定通航安全保障方案時，需重點注意以下幾點：

①須充分分析拖航航道海況和氣象條件，計算海區(qū)潮汐時間，觀察流向，分析潮流對拖航影響，分析氣象變化趨勢，確定是否適宜拖航。

②拖帶船組與漂浮式風機平臺應按照《國際海上避碰規(guī)則》顯示“操縱能力受限制”、“拖帶”的號燈、號型，并在AIS上詳細設定主要航行信息，以便航經(jīng)的其他船舶盡早判斷本拖帶船組動態(tài)。

③選擇氣象條件良好、水流平穩(wěn)時段實施拖帶；選擇白天時間通過交匯水域。

④警戒船應加強警戒，見有前方或側(cè)向有來船時應主動溝通，請它船避讓。

3.4.2 偏轉(zhuǎn)、橫拖問題及控制措施

拖帶過程中，主拖的拖力將會造成平臺產(chǎn)生三種運動，即偏轉(zhuǎn)、橫移、縱向運動[4]。當發(fā)生大風浪時，被拖風機平臺較大概率會發(fā)生偏轉(zhuǎn)、橫移情況。在這種情況下，往往會導致拖纜不均勻受力。在緊繃的瞬間，其張力超出拖纜能夠承擔的負荷，容易發(fā)生斷纜的情況。

對于偏蕩問題，主要是要求拖船進行合理的拖力控制，科學的調(diào)整主拖及兩個輔拖的拖纜長度。若是所遇為正橫風或是貼近正橫風的情況，就要及時調(diào)整航向，降低航速，加強尾部拖船纜繩拉力，加強對風機平臺航跡控制。

4.結語

在全球碳中和背景下，海上風電發(fā)展需求確定性上升。隨著近海資源逐步開發(fā)，并受制于養(yǎng)殖、航道、軍事等因素的影響，漂浮式海上風機將成為主要的發(fā)展方向，具有廣闊的應用前景。本文綜述了目前漂浮式風機的主要基礎形式，對半潛式基礎漂浮式風機的拖帶計算進行分析，制定了拖帶船組方案，并對拖帶的主要風險提出了保障措施，對未來漂浮式風機拖帶作業(yè)具有指導意義和參考價值。