海上風(fēng)機吊裝運輸船及其吊裝方式的研究概況

姚震球 韓強

（江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）

海上風(fēng)機吊裝運輸船及其吊裝方式的研究概況

姚震球 韓強

（江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）

海上風(fēng)力發(fā)電；海上風(fēng)機吊裝運輸船；需求；風(fēng)機安裝

介紹了國內(nèi)外海上風(fēng)電的發(fā)展情況和前景，風(fēng)電場建設(shè)對風(fēng)機吊裝運輸船的需求；闡述了海上風(fēng)機吊裝運輸船的分類及風(fēng)機安裝方式的發(fā)展變化。

0 引言

風(fēng)能作為最具商業(yè)潛力與活力的可再生綠色能源，已引起全球范圍內(nèi)諸多國家的廣泛研究和開發(fā)利用。尤其在歐美等發(fā)達(dá)國家，風(fēng)能的開發(fā)和利用已發(fā)展到相對成熟的階段。鑒于海上風(fēng)能資源豐富、風(fēng)速大、主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定、不占用土地資源、環(huán)境影響?。?，2］等優(yōu)點，與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電的發(fā)展更加迅猛，從而推動了海上風(fēng)機吊裝運輸船的產(chǎn)生及其吊裝方式的研究與發(fā)展。

1 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電概況

1.1 國外風(fēng)力發(fā)電概況

丹麥于1991年建成第一個海上風(fēng)力發(fā)電場Vindeby風(fēng)電場，在此后的十幾年時間里，歐洲相繼建起了幾十座海上風(fēng)電場，英國、丹麥、瑞典、德國、愛爾蘭、荷蘭、中國、日本和比利時等國都建立了海上風(fēng)電機組。

2007年，世界海上風(fēng)電場的總裝機容量達(dá)到1 103 MW，近十年來的年平均增長率達(dá)到58%。截止到2008年12月底，全球海上風(fēng)力發(fā)電場超過30座，累計裝機容量達(dá)到148.52萬千瓦，與2007年相比增加了35.02%。

據(jù)丹麥科技大學(xué)的統(tǒng)計資料，根據(jù)各國的海上風(fēng)電場的計劃，預(yù)計到2011年，總裝機容量將會達(dá)到6 903MW，到2030年，歐洲海上風(fēng)力發(fā)電的目標(biāo)是40~150 GW，即40 000~150 000MW［3］（圖1）。若能實現(xiàn)，這些項目將產(chǎn)生歐盟電能的10%而避免2億噸的二氧化碳排放量［4］。

圖1 歐洲海上風(fēng)力發(fā)電的目標(biāo)

1.2 中國風(fēng)電發(fā)展概況

我國海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲量約7.5億千瓦。在我國沿海及附近島嶼擁有非常豐富的風(fēng)能資源，開發(fā)利用市場條件良好。國家各大電力公司正著手海上風(fēng)電場的規(guī)劃，具體地址有上海奉賢、南匯；江蘇響水、如東、東臺、大豐、啟東龍源等；浙江嵊泗島、慈溪；天津沿海，河北黃驊［5］，遼寧營口，山東長島，以及其他沿海地區(qū)。

2009年6月，國務(wù)院正式將江蘇沿海地區(qū)的海上風(fēng)電開發(fā)上升到國家戰(zhàn)略層面?！皣液Ｉ巷L(fēng)電技術(shù)裝備研發(fā)中心”落戶江蘇鹽城［6］，這是中國目前唯一具備生產(chǎn)3MW風(fēng)電機組能力的基地。上海東海大橋風(fēng)電場所用風(fēng)機即由其承建。

按照規(guī)劃到2020年，江蘇省將在近海建成7 000 MW海上風(fēng)場，初步形成1 000萬千瓦級風(fēng)電基地，遠(yuǎn)期目標(biāo)為2 100萬千瓦。

我國首座，同時也是亞洲首座海上風(fēng)電場——上海東海大橋風(fēng)電場全部風(fēng)機于2010年2月27日安裝成功。該海上風(fēng)電場由34臺單機容量為3 MW的風(fēng)電機組組成，總裝機容量102 MW，設(shè)計年發(fā)電利用小時數(shù)2 624 h，年入網(wǎng)電量2.67億千瓦時，項目總投資23.65億元。

2 對風(fēng)機吊裝船的需求

到2030年之前，歐洲地區(qū)海上風(fēng)電發(fā)展的目標(biāo)是40~150 GW（即40 000~150 000 MW），假設(shè)每個風(fēng)機是5 MW，那么將有8 000~30 000臺風(fēng)機需要安裝，按現(xiàn)在的安裝效率，假設(shè)每艘船一年安裝50臺風(fēng)電機組，僅對歐洲地區(qū)而言對風(fēng)機吊裝船的需求將超過兩位數(shù)［7］。

鑒于我國海上風(fēng)電市場的迅猛發(fā)展，目前七○八研究所、南通中遠(yuǎn)川崎、蛟龍重工、山海關(guān)船廠等都在對風(fēng)機吊裝船進(jìn)行相關(guān)的研究制造工作，南京、南通等有些工程承包公司已經(jīng)與有關(guān)單位簽訂了該類型船舶的建造協(xié)議。

3 風(fēng)機吊裝船的研究及發(fā)展

吊裝船是海上風(fēng)機吊裝的主要工具，可分為以下幾類：起重船，帶定位樁腿的自航船，非自航自升式船舶，自航自升式安裝船。目前正朝著大型化、專業(yè)化、智能化、多功能化的方向發(fā)展。

3.1 起重船

起重船也叫浮吊船，一般分成兩大類：一類是起重臂能夠360°回轉(zhuǎn)的，另一類是吊臂固定在船上的一個方向，通過船的操作移動而實施重物回轉(zhuǎn)的。起重船在過淺區(qū)域需考慮吃水，其余區(qū)域不受水深限制，操縱性好，可以對風(fēng)機進(jìn)行整體吊裝，但起重船極其依賴天氣和波浪條件,對控制工期不利［8］。且不適合風(fēng)機的運載，需要專門的駁船運輸風(fēng)機。起重船的吊機一般可以承載一千甚至幾千噸的負(fù)荷，比較適合裝卸大型重物。

東海大橋風(fēng)電場前期3臺機組吊裝所用船舶“四航奮進(jìn)”號（圖2）是典型的起重船。該船是由廣州中港第四航務(wù)工程局總投資、國內(nèi)自行設(shè)計建造、最大的雙臂架全液壓固定式起重船，主要用于跨海大橋的架橋工程、港口內(nèi)裝卸大型重物以及大型沉船的打撈等起重作業(yè)［9］。

圖2 “四航奮進(jìn)”號

3.2 帶定位樁腿的自航船

該類型船是自航自升式船與起重船之間的一種折中方案。通常由駁船等其他船舶改造而成,樁腿是在改建中添加的。安裝作業(yè)中船體依靠自身浮力漂浮在水中,樁腿起到提高船體穩(wěn)性的作用。

圖3 “海力”號

圖4 “跳爆竹”號

如A2SEA公司的“Sea Energy”、“Sea Power”號（圖3），均是由集裝箱貨船為風(fēng)車安裝專門改建。

3.3 非自航自升式船舶

這是一種擁有樁腿能自行升降的平臺,不能自航,需要用拖船將其拖到指定的工作地點［10］。到達(dá)現(xiàn)場后樁腿插入海底支撐駁船,通過液壓升降裝置使駁船抬出水面,形成不受波浪影響的穩(wěn)定平臺。然后平臺上的起重機完成對風(fēng)機的吊裝。其面積決定一次性可以運載風(fēng)機的數(shù)量。

這種平臺在拖航及工作時對天氣的依賴比較大，且因為不能自航，操縱性較差。

荷蘭瑪姆特（Mammoet）公司與Van Oord ACZ聯(lián)合建造了“跳爆竹”號船（圖4），該船有四條可伸縮的支架，起重能力1 200 t，是一種纜索自升式起重駁船，適于基礎(chǔ)施工及風(fēng)機的吊裝，在Arklow Bank項目中發(fā)揮了巨大的作用，現(xiàn)在屬于A2sea公司，改名為“SEA JACK”［11］。

3.4 自航自升式安裝船

安裝時的海況和天氣對這些船的安裝作業(yè)影響很大，安裝的效率低、效果差，從而使安裝成本增加，而隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，小型船舶已無法滿足起重高度、起重能力等的要求。因而，對復(fù)雜海況和天氣適應(yīng)性更強的可自升自航的專業(yè)風(fēng)機吊裝運輸船應(yīng)運而生。

該類型船兼具自升式平臺和自航船舶的優(yōu)點，如：

（1）能夠自航、操縱性好、安裝效率更高，可以單獨完成海上作業(yè)任務(wù)；

（2）擁有可升降樁腿來抬起船體，安裝作業(yè)穩(wěn)定安全，對天氣依賴程度降低；

（3）一般是箱型船體、自升式平臺構(gòu)造，甲板空間大,可以一次性運載更多的風(fēng)電機組；

（4）在一定水深和工程作業(yè)范圍內(nèi),自升自航式平臺更具價格優(yōu)勢。

2003年12月6日，山海關(guān)船廠為英國五月花能源有限公司建造的世界上第一艘海上風(fēng)機吊裝船交船，該船被命名為“MAYFLOWER RESOLUTION”號（圖5）。它自動化程度高，全船可實現(xiàn)一人駕駛，在駕駛臺可對全船設(shè)備進(jìn)行操縱，檢測設(shè)備工作狀態(tài)，也可用于風(fēng)機基礎(chǔ)的安裝。

圖5 “五月花”號

2009年4月30日，南通中遠(yuǎn)船務(wù)“決心1號”風(fēng)機吊裝船開工割板。2010年5月15日“決心2號”在船臺合攏。該類型船樁腿6條，形式為插拔銷液壓缸提升下降裝置［12］。這種船型是將起重機放置在樁腿的升降室上，增大了甲板空間，增加了風(fēng)機的裝載量。

2009年12月，德國RWE Innogy公司和韓國大宇造船簽訂了2艘風(fēng)機安裝船的訂單，價值3億美元。該船能以7.5 kn航速航行，可裝載4個5 MW的風(fēng)電機組。通過6個推進(jìn)器和GPS系統(tǒng)自己找到海上的安裝點，在12天內(nèi)用800 t的起重機安裝4個風(fēng)電機組［13］。

2010年初，干船塢世界東南亞有限公司（DDW-SEA）將建造1艘GustoMSC NG-9000CHPE風(fēng)機安裝船（圖6），該船具有6 500 t的裝卸能力，配有持續(xù)液壓升降系統(tǒng)。其起重機也是放置在樁腿的升降室上。

圖6 NG-9000C-HPE

繼開發(fā)出“五月花”號后，丹麥Knud E.Hansen A/S公司又開發(fā)出新一代風(fēng)機安裝船“Blue Ocean Ships”（圖7）。該船能夠獨立完成風(fēng)機安裝全過程，包括從打樁到連接件、塔筒的安裝以及最后機艙和葉片的組裝。6個桁架樁腿即使其中一條樁腿出現(xiàn)問題，仍能夠保持安全。其航速達(dá)到14 kn，利于減少航行時間和增加操作時間［14］。

圖7 Blue Ocean Ships

Gaoh offshore安裝船（圖8）是英國風(fēng)力能源公司為深水海上風(fēng)電場的建設(shè)而造，甲板裝載總面積6 000 m2，主甲板負(fù)載達(dá)10 t/m2，樁腿截面為4 m×4 m，能裝載16~18臺3.6 MW的風(fēng)電機組，設(shè)計波高2m［15］。其起重機也是放置在樁腿的升降室上。

3.5 新型概念安裝船

一些公司提出了具有特殊船型和特殊安裝裝置的自航式船舶的概念。

圖8 Gaoh Offshore

圖9 “HLV-Svanen”號

荷蘭的“HLV-Svanen”號是一艘雙體吊裝船（圖9），它的超級構(gòu)造使其起重重量可達(dá)8 700 t，起重高度達(dá)75 m，能安裝轉(zhuǎn)子直徑達(dá)130~140 m、額定功率為6～7 MW的風(fēng)機，且可以運輸直徑22 m的混凝土沉降基礎(chǔ)。

圖10 小水線面雙體安裝船

Huisman公司提出了SWATH小水線面雙體安裝船（圖10）的概念，它的系泊系統(tǒng)和DP3動力定位系統(tǒng)，使其擁有極好的操縱性和操作性，可在波高3.5 m的情況下進(jìn)行作業(yè)。兩個大型可變螺距螺旋槳，使其航速達(dá)14 kn。船只省掉了抬出水面所需要的時間，安裝效率更高。其一次可裝載兩個風(fēng)機，亦可運載安裝兩個導(dǎo)管架式或單樁式基礎(chǔ)［16］。

表1為幾艘風(fēng)機吊裝船的性能數(shù)據(jù)［17-23］。

表1 一些安裝船的性能參數(shù)

4 運輸?shù)跹b方式的研究及發(fā)展趨勢

在風(fēng)電場的實際吊裝經(jīng)驗中，風(fēng)機安裝通常有三種情況：第一，安裝基座，吊裝支撐塔架和機艙，吊裝葉片；第二，安裝基座，吊裝支撐塔架，吊裝機艙和葉片；第三，安裝基座，吊裝在岸上由塔架、機艙和葉片裝配好的風(fēng)機整體［24］。吊裝流程如圖11所示：

圖11 吊裝流程圖

4.1 風(fēng)機分體運輸?shù)跹b方式［10,25-27］

風(fēng)機吊裝至基座上之前是在岸邊完成裝配，如先安裝好塔架各部分，再安裝機艙和葉片。早期，風(fēng)機的配件通常是被水平的運到場地然后豎起安裝。這種方法已被證明是極其花費時間依賴天氣的［28］，現(xiàn)在多是塔筒被豎直起來進(jìn)行運輸。機艙和葉片的運輸安裝可采用以下兩種方式：

4.1.1 “兔耳式”運輸安裝

A2SEA公司的“SEA ENERGY”號自升式駁船,在船中部有支架可以放置兩個由機艙和兩個葉片形成類似兔子耳朵的組合體，另外兩個葉片分別安置在尾部的舷左和舷右，然后依次進(jìn)行吊裝（圖12）。

4.1.2 “三葉式”運輸安裝

A2SEA公司的海力號安裝船，在船中部放置機艙，塔筒分布兩側(cè)，裝配好的類似于葉子的葉片與輪轂組合體安置在船尾的支架上，然后依次進(jìn)行吊裝（圖13）。

圖12 “兔兒式”的運輸?shù)跹b

圖13 “三葉式”運輸安裝

4.2 風(fēng)機整體運輸?shù)跹b方式［10,25-27］

為了進(jìn)一步縮短工程建設(shè)周期，提高安裝效率，風(fēng)機的塔筒和風(fēng)力發(fā)電機可作為一個整體進(jìn)行吊裝作業(yè)。將風(fēng)機安裝工程分為兩部分，首先吊裝基座，之后吊裝在碼頭裝配好的塔架、機艙和葉片的風(fēng)機機組。英國的Beatrice風(fēng)場（圖14）和我國東海大橋風(fēng)電場（圖15）的前期3臺機組采用的就采用了這種吊裝方式。這種方式對吊裝船的要求較高。

4.3 風(fēng)電機組的創(chuàng)新型運輸安裝方式

4.3.1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)的運輸和安裝方式

通過船上的液壓系統(tǒng)，以及兩個移動式升降門架和兩個滑移軌道單元將導(dǎo)管架從船上裝載位置進(jìn)行轉(zhuǎn)移和安裝。這種浮動制度對水深和海床的條件依賴較小，節(jié)約安裝時間和費用。在目前的配置概念中，可同時運載4個導(dǎo)管架基礎(chǔ)（圖16）。

圖14 RAMBIZ進(jìn)行整體吊裝

圖15 “四航奮進(jìn)號”進(jìn)行整體吊裝

圖16 導(dǎo)管架的運輸安裝

4.3.2 風(fēng)機的運輸和安裝方式

概念一：不使用起重吊機，不采用吊裝方式，而是將安裝船定位于基礎(chǔ)旁，通過旋轉(zhuǎn)升降安裝系統(tǒng)，把風(fēng)機整體從船上裝載位置夾緊抱起，逐步旋轉(zhuǎn)移送、降下、固定在基礎(chǔ)上［29］（圖17）；

概念二：該系統(tǒng)有一個起重機，移動夾緊裝置，縱向滑移軌道系統(tǒng)，空中吊運臺車。在基礎(chǔ)旁，通過空中吊運臺車將風(fēng)機整體在縱向軌道上滑移到起重機旁，起重機上的移動夾緊裝置夾住抱起風(fēng)機，逐步移送、降下、固定在基礎(chǔ)上（圖18）；

概念三：船上有一個支架，支架的兩側(cè)有夾緊和滑動平衡裝置，支架的頂部有一吊機。船到底安裝地點后，支架頂部的吊機通過滑動平衡裝置將風(fēng)機抬高到適合和基礎(chǔ)對接的位置，逐步移送、降下、固定在基礎(chǔ)上（圖19）。

圖17 概念一

圖18 概念二

圖19 概念三

該類型安裝船及安裝方式有以下好處：

1）減少海上起重吊裝作業(yè)、甚至取消對吊機的依賴，提高安裝效率和安全性；

2）減少船舶配員的要求；

3）運輸安裝能力更強，運載量更大，可安裝更大型的風(fēng)機；

4）風(fēng)機可在岸上進(jìn)行組裝，測試和裝載，提高整體可靠性；

5）對水深和海床的條件依賴較小，對天氣的適應(yīng)性增強。

需要攻克和實踐檢驗的主要技術(shù)系統(tǒng)［30］有：

1）旋轉(zhuǎn)升降系統(tǒng)、軌道滑行系統(tǒng)；

2）液壓系統(tǒng)；

3）固定夾緊系統(tǒng)；

4）控制和監(jiān)測系統(tǒng)。

另外，歐洲也開始了基礎(chǔ)與風(fēng)機一體的運輸?shù)跹b法的研究，此方法理論上是在海上作業(yè)程序最少的風(fēng)機安裝方法，但目前還沒有過實踐經(jīng)驗。該方法對風(fēng)機基礎(chǔ)的選擇有局限性，如導(dǎo)管架基礎(chǔ)和重力式基礎(chǔ)。

海上風(fēng)機的吊裝比較特殊，更多的研究應(yīng)集中在提供快速安全的安裝技術(shù)和設(shè)備。為了減少海上作業(yè)時間、縮短工期、降低海上風(fēng)電場施工成本，各國都在研究改良風(fēng)機安裝的方法。未來海上風(fēng)機安裝的挑戰(zhàn)：

1）成本的降低

a）更快的安裝過程及其方式的創(chuàng)新；

b）更為優(yōu)化、適合風(fēng)機安裝的專業(yè)安裝船的設(shè)計制造；

c）風(fēng)機基礎(chǔ)的創(chuàng)新。

2）單機容量大型化，即更大的風(fēng)電機組

3）更快、更安全的安裝裝置

a）運輸支援船舶的設(shè)計制造；

b）更快、更安全的甲板操作裝置。

4）由淺海向深海發(fā)展以及未來風(fēng)機基礎(chǔ)的形式

漂浮的風(fēng)電機組：新的安裝程序和專用船舶。

5 結(jié)語

由于能源日益緊缺，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，我國已經(jīng)開始開發(fā)海上風(fēng)電，而海上風(fēng)機吊裝運輸船是建設(shè)海上風(fēng)電場的關(guān)鍵設(shè)備。我國還沒有專用于海上風(fēng)電場建設(shè)的船舶，因此研究、設(shè)計和建造海上風(fēng)機吊裝運輸船是可行和必要的。作為一種新型船，對于船廠的技術(shù)進(jìn)步和利潤的增長也具有重大意義。

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On off shorew ind turbine lifting transport vessel and its lifting modes

Yao Zhen-qiu Han Qiang

offshore wind power generation；offshore wind turbine lifting transport vessel；requirement；wind turbine installation

At present，the offshore wind power generation develops rapidly.This paper introduces the development and prospect of offshore wind power in China and abroad，and discusses the requirement of wind turbine lifting transport vessel during the construction of wind power station.Then，it describes categorization of the vessels and the development of wind turbine installation modes.

U674.1

A

1001-9855（2011）02-0054-08

2010-12-31

江蘇省科技支撐計劃資助項目（編號：BE2009118）。

姚震球（1964-），男，漢族，副教授，主要從事船舶研究設(shè)計工作。

韓強（1980-），男，漢族，碩士研究生，主要從事船舶研究設(shè)計工作。