海上風電安裝船技術發(fā)展趨勢及突圍路徑

CCS海工技術中心 李紅濤 劉 圓 李 曄 曲健冰

技 術 Technology

海上風電安裝船技術發(fā)展趨勢及突圍路徑

CCS海工技術中心 李紅濤 劉 圓 李 曄 曲健冰

海上風力發(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。那么當前海上風電安裝船現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢如何？中國船級社對海上風電安裝船有哪些入級的相關技術要求？中國海上安裝船產(chǎn)業(yè)發(fā)展還需從哪些方面補強？

發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

自1991年丹麥建成第一個近海風電場以來， 世界各國相繼開始建設海上風電工程。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電裝機容量約為40GW。國內海上風電開發(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)都相繼建成海上風電場，據(jù)統(tǒng)計，至2014年，國內海上風電總裝機容量已達700MW，按照國家相關規(guī)劃，到2020年，海上風電總裝機容量應達到3000萬KW。

一、海上風電安裝船分類

海上風電場開發(fā)建設中的最重要一個環(huán)節(jié)是海上安裝。相對于陸上風機的安裝， 海上施工難度要高得多。海上風電場的安裝主要包括風機基礎以及機艙、葉片的安裝。安裝過程典型的方式是由平甲板駁船裝載風機部件或風機基礎拖航到現(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，可以運輸和安裝風車和基礎。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，在不同風機位置間轉移速度快，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）坐底式風電安裝船。一般應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，對船底強度需特殊考慮。此種船型一般只應用于灘涂海域，現(xiàn)已較少使用。

（3）自升式風電安裝船。目前應用較為廣泛的海上風電安裝裝備，一般配備4到6個樁腿，到達現(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完成風機的安裝。此種類型的海上風電安裝船甲板寬闊，易于裝載風機，通過平臺上配有的打樁機可實現(xiàn)基礎打樁，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）自航自升式風電安裝船。兼具自升式平臺和浮式船舶的優(yōu)點，專門為風機安裝而設計建造，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機，具有打樁和吊裝功能，且安裝、移位速度較快。目前自航自升式風電安裝船是當前海上風電安裝的首選裝備。

二、海上風電安裝船的發(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，但隨著風機的大型化，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)機動能力、定位性能差， 風浪稍大就不能作業(yè)和效率低等問題。因此針對海上風電場開發(fā)設計專用的風電安裝裝備是十分必要的，且隨著海上風電逐步向深水發(fā)展，海上風電安裝船有如下的發(fā)展趨勢：

（1）適用水深越來越大。隨著海上風電場建設逐步向深水推進，因此要求風電安裝裝備的水深適應能力逐步增強，從灘涂到目前的40米～60米水深，可以預測，隨著將來的浮式風機逐步成熟，海上風電安裝船的適用水深將進一步加大。

（2）主吊能力越來越大。隨著海上風機功率的不斷增大，到目前已經(jīng)有8MW的海上風機研制成功，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，因此對安裝設備的吊裝能力提出了更高要求，目前海上風電安裝平臺主流吊裝能力一般在800噸到1200噸，有的設計公司已經(jīng)設計出1600噸主吊能力的風電安裝船。

（3）主甲板可利用面積越來越大。為提高安裝效率，要求海上風電安裝船可運載更多數(shù)量的風機設備，因此風電安裝船的主甲板面積需進一步加大，以適應海上風電的不斷發(fā)展需求。

（4）主甲板承載能力增強。隨著風電設備重量及安裝能力的不斷增加，對海上風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。隨著海上風電場建設的不斷發(fā)展成熟，也進一步要求風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、抱樁器，可容納更多的工作人員，配備有直升機甲板等。

CCS對海上風電安裝船入級的技術要求

一、海上風電安裝船的入級規(guī)范體系及法定要求

目前海上風電安裝船主要為自升式，船級社對此類設施入級劃歸到海上結構物入級范疇，因此要遵循海洋工程的相關規(guī)范體系。中國船級社（CCS）要求海上風電安裝船入級應滿足CCS船級社自己的規(guī)范、標準體系，主要包括《海上移動平臺入級規(guī)范》、《材料及焊接規(guī)范》、《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》及《海上風機作業(yè)平臺指南》等；中國籍的海上風電安裝船還應滿足公約、法規(guī)要求，主要包括IMO頒布的《海上移動式鉆井平臺構造和設備規(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》、《船舶與海上設施法定檢驗技術規(guī)則》等。海上風電安裝船的設計、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，海上風電安裝船的設計、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，具有強制性。平臺的主體（包括設備）和機械（包括電氣設備）符合船級社規(guī)范或等效規(guī)定，船級社將授予相應的入級符號與附加標志。中國船級社對入級符號和附件標志規(guī)定如下：

（1）入級符號：★CSA或★CSA

★CSA表示平臺的結構與設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)范進行檢驗，其后經(jīng)中國船級社進行檢驗認為其符合規(guī)范的相關規(guī)定，此一般指建造后轉級平臺。

（2）附加標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組標志。附加標志中除表示平臺類型和用途的符號外，其他附加標志均為業(yè)主根據(jù)需求自愿進行申請，并經(jīng)中國船級社檢驗確認后授予。相關的附加標志及說明見下表所示。

表1 附加標志及說明

上表中所列入級符號附加標志為目前海上風電安裝船的常用符號，詳細的附加標志及說明可見參考《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。

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

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

三、海上風電安裝船的技術要點

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

（1）樁腿設計

樁腿數(shù)量及結構形式的選擇要綜合考慮作業(yè)水深、作業(yè)能力、船體結構形式、船體尺寸等因素，需平衡各種因素，通過最終的結構分析確定。一般對于海上風電安裝船，樁腿數(shù)量為4根到6根，一般都為圓柱形結構形式樁腿。樁腿結構強度設計需考慮如下工況：①拖航/自航工況。CCS《海上移動平臺入級規(guī)范》中規(guī)定，自升式平臺遠洋或油田內遷移時，應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度；②站立工況。規(guī)范中規(guī)定，在正常作業(yè)和風暴自存工況下，考慮平臺重量、風浪流外載荷作用下的樁腿強度，尤其是位于下固樁楔塊處的樁腿強度；③預壓、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進行考慮。

（2）樁靴設計

樁靴的大小、形式選擇對海上風電安裝船的設計至關重要，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，設計時要根據(jù)實際作業(yè)海底地質條件確定樁底壓強，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，樁靴的結構強度設計應滿足如下工況：①預壓工況：預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）船體設計

海上風電安裝船的船體類似平板駁船，長寬比值較大，但在船體上設置有穿過樁腿的圍阱結構區(qū)域，站立作業(yè)狀態(tài)防止有過度的中垂。一般設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構尺寸（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度是否滿足規(guī)范要求。依據(jù)規(guī)范要求，船體總體結構強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)下的結構強度，尤其是固樁區(qū)域在樁腿搖擺作用下的強度；②站立工況：分析船體在正常作業(yè)和風暴自存工況下的強度，此工況一般為控制工況；③預壓、升船及拔樁工況：預壓和拔樁工況有時也較為危險，應根據(jù)實際預壓和拔樁設計進行船體強度分析。

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

（4）升降系統(tǒng)設計

升降系統(tǒng)的安全可靠是海上風電安裝船安全作業(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，都各自有相應的優(yōu)缺點。電動齒輪齒條式升降系統(tǒng)技術成熟，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)應考慮插銷設計、環(huán)梁設計、液壓系統(tǒng)設計等；電動齒輪齒條式升降系統(tǒng)應考慮齒輪、齒條強度設計，傳動系統(tǒng)設計、軸承強度、升降室結構設計等。此外，還應考慮升降裝置公差設計、升降系統(tǒng)在船體上的基礎設計、升降裝置與圍阱裝配公差等。

（5）吊機底座設計

用于海上風電安裝船上的起重機吊重較大，一般應根據(jù)吊重能力確定吊機底座位置、形式、與船體的連接形式等，并著重考慮吊機底座的焊接設計、吊機底座的屈服、屈曲強度設計以及吊機底座支撐肘板的疲勞設計等，具體設計標準和要求可參照CCS《船舶和海上設施起重設備規(guī)范》中關于起重機底座及支撐結構部分。

（6）穩(wěn)性設計

海上風電安裝船的穩(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，且傾覆力矩應計及動力放大效應和P-Delta效應。具體設計標準和要求可參照CCS《海上風機作業(yè)平臺指南》中的關于穩(wěn)性部分。

（7）其他部分設計要求

其他部分的設計要求，包括機電設備、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相關規(guī)范和標準。

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

對海上風電安裝船的幾點思考

表2 國內典型的海上風電安裝船技術參數(shù)

目前，海上風電在國內逐步形成產(chǎn)業(yè)，隨之海上風電的安裝業(yè)務也蓬勃發(fā)展，越來越多的海上風電安裝船也進入市場。據(jù)預計，在“十三五”期間，國內約有20余座海上風電安裝船進行設計和建造，因此海上風電安裝船逐步成為重要的海洋工程裝備。筆者認為，對于海上風電安裝船的現(xiàn)狀及發(fā)展，應重點思考和關注以下四個方面。

一是國家職能部門應加強海上風電開發(fā)的支持和引導。海上風電開發(fā)涉及多個領域，各單位對發(fā)展海上風電的認識不一，各地相關職能部門實際執(zhí)行管理標準不一，需要加強國家層面的海洋、海事等職能部門間溝通和協(xié)調，統(tǒng)一認識，強化管理，支持和引導海上風電行業(yè)健康發(fā)展。這樣，才能有效促進海上風電安裝船舶此類海洋工程裝備的有序建設和發(fā)展。

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

三是明確使用需求，優(yōu)化海上風電安裝船配備，進一步降低開發(fā)成本。目前海上風電開發(fā)成本較高，海上安裝成本占很大比例，風電項目業(yè)主應進一步梳理使用需求，優(yōu)化作業(yè)程序，合理配置風電安裝船，將海上開發(fā)成本降到最低。隨著海上風電運維階段的到來，海上風電項目業(yè)主應合理考慮運維船舶使用，必要時可將海上風電安裝船一并規(guī)劃、考慮。

四是加大海上風電安裝船相關技術研究，編制專門針對海上風電安裝船的設計、建造標準。目前海上風電安裝船的入級規(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。中國船級社應加大研發(fā)力度，編制專門的海上風電安裝船技術規(guī)范，在設計、建造、營運等方面精細化控制，為船東降低成本，提高作業(yè)效率。