一種海上風(fēng)電安裝船功能設(shè)定與參數(shù)選型

曹春潼

（江蘇龍源振華海洋工程有限公司，江蘇南通 226000）

0 引言

隨著化石能源逐漸枯竭，國際逐漸加大對非化石能源的開發(fā)和生產(chǎn)。近幾年國內(nèi)對非化石能源的開發(fā)主要致力于風(fēng)力發(fā)電。由于陸上風(fēng)電各種因素的影響，當(dāng)下海上風(fēng)電的研發(fā)是全球風(fēng)電發(fā)展的主要方向[1]。在海上風(fēng)電建設(shè)過程中，先進、實用的施工裝備是影響建設(shè)效率、成本的關(guān)鍵。

歐洲市場對海上風(fēng)電施工裝備的開發(fā)已有 20多年歷史[2]，已形成一套從研發(fā)、試驗、實驗、調(diào)整、改進等一套完整的體系流程。而國內(nèi)對于海上風(fēng)電施工裝備的研發(fā)尚處于初級階段。本文就海上風(fēng)電施工裝備—自升式風(fēng)電安裝船在功能設(shè)定和參數(shù)選取2個方面進行探討和研究，以使該種施工裝備適用于國內(nèi)海上風(fēng)電場施工需求。

1 功能設(shè)定

1.1 綜合要求

海上風(fēng)電場主體結(jié)構(gòu)—風(fēng)機施工分為：基礎(chǔ)施工和上部風(fēng)機安裝。用于海上風(fēng)電施工的自升式風(fēng)電安裝船存在定位、抬升、穩(wěn)船等步驟共需2天～3天時間準(zhǔn)備期，才能進行每臺風(fēng)機的施工作業(yè)。鑒于此種情況國外海上風(fēng)電市場的做法是每個海上風(fēng)電場施工至少安排2個作業(yè)面，也就是至少需要2臺自升式風(fēng)電安裝船進行施工才能保證最大施工效率。因此國外海上風(fēng)電施工所設(shè)計的自身式風(fēng)電安裝船通常功能較為單一，既僅具備一項施工能力：基礎(chǔ)施工或上部風(fēng)機安裝能力。這樣會大大提高海上風(fēng)電場的建設(shè)成本。鑒于以上情況，以及國內(nèi)海域多砂質(zhì)淤泥的特性導(dǎo)致自升式風(fēng)電安裝船施工準(zhǔn)備所需時間更長的特點，故為了滿足國內(nèi)海上風(fēng)電施工要求，該種自升式風(fēng)電安裝船在一次準(zhǔn)備期后（抬升后）既要完成基礎(chǔ)施工又需完成上部風(fēng)機的吊裝施工，才能保證在一個作業(yè)面情況下的最大施工效率，即其既需具備海上風(fēng)機基礎(chǔ)施工功能又需具有上部風(fēng)機安裝功能。

圖1 基礎(chǔ)施工用自升式風(fēng)電安裝船

圖2 備安裝用式風(fēng)電安裝船

1.2 抬升功能

海上風(fēng)機管樁基礎(chǔ)施工（傾斜度≤5‰）和設(shè)備安裝（螺栓孔錯位3 mm～5 mm）精度要求較高，常規(guī)浮式起重船受海上風(fēng)、浪、流的影響無法滿足施工精度要求。故浮式起重船需具有抬升功能，將其抬升至水面以上以規(guī)避海風(fēng)、浪、流的影響，來滿足施工精度要求，從而形成了新的施工裝備—自升式風(fēng)電安裝船（又名自升式起重平臺）。抬升方式有鋼絲繩牽引式、液壓插銷式和齒輪齒條式[3]。

1.3 定位功能

自升式風(fēng)電安裝船在抬升過程中由于對船體縱、橫傾斜度要求較高（＜0.3°），故在抬升時需要定位系統(tǒng)穩(wěn)定船體，控制其水平面位移和縱橫傾斜。一般有2種方式來滿足要求：1）動力定位系統(tǒng)；2）系泊定位錨機。

1.4 起重能力

海上風(fēng)機機型相對陸地較大，各大部件的總重量也很大，基礎(chǔ)的最大重量可達600多噸，自升式風(fēng)電安裝船需要配備較大噸位的起重機來滿足施工要求。船用起重機一般有2種方式：360°全回轉(zhuǎn)起重機和不可回轉(zhuǎn)起重機（定臂架式）。起重機的起吊方式也有2種方式：單鉤頭吊重和多鉤頭吊重。

1.5 扶正導(dǎo)向架

由于海上風(fēng)機管樁基礎(chǔ)施工精度要求較高：單樁傾斜度≤2.75‰、多樁傾斜度≤5‰。故自升式風(fēng)電安裝需要配置一種特殊裝置——扶正導(dǎo)向架來保證管樁基礎(chǔ)施工的傾斜度要求。其應(yīng)具有導(dǎo)向作業(yè)和糾偏能力。

2 參數(shù)選型

2.1 抬升系統(tǒng)

2.1.1 抬升方式

鋼絲繩牽引式抬升方式的缺點是：牽引系統(tǒng)復(fù)雜、操作繁瑣、效率較低、鋼絲繩容易磨損、維護成本高、故障率高等。該抬升方式在早期的自升式風(fēng)電安裝船中得到少量應(yīng)用。液壓插銷式抬升方式的特點：斷續(xù)抬升、液壓鎖緊系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、抬升效率相對較高、可靠性好等。故該方式在自升式風(fēng)電安裝船中應(yīng)用最為廣泛。

隨著鋼材冶煉技術(shù)、焊接技術(shù)、電控技術(shù)的快速發(fā)展，一種高效率、高可靠性的抬升系統(tǒng)：齒輪齒條式抬升系統(tǒng)在自升式風(fēng)電安裝船中的得到應(yīng)用推廣。其主要由驅(qū)動電機、減速箱、大模數(shù)爬升齒輪、大模數(shù)齒條式樁腿、電控系統(tǒng)共組成。該抬升系統(tǒng)具有連續(xù)抬升的特點，故其抬升效率非常大，也對于船體縱橫傾斜度調(diào)整具有快速反應(yīng)能力，適合于國內(nèi)多砂質(zhì)淤泥海床的抬升工況[4]，大大降低施工風(fēng)險。

圖3 抬升系統(tǒng)圖

2.1.2 抬升能力

根據(jù)初步設(shè)計自升式風(fēng)電安裝船船型為：長76.8 m，寬42 m，型深6 m，設(shè)置4套抬升系統(tǒng)。船體部分和起重機部分共重8 000 t，考慮抬升后預(yù)壓能力12 740 t，故每套提升系統(tǒng)抬升額定能力為3 185 t。每套抬升系統(tǒng)設(shè)置10臺驅(qū)動電機，每臺電機額定抬升能力375 t?？紤]10臺驅(qū)動電機的配合效率 85%，故總每套抬升系統(tǒng)額定能力為 3 750×10×85%≈3 185 t。抬升速度可達0.3 m/min。

2.2 定位系統(tǒng)

鑒于動力定位系統(tǒng)的昂貴價格，本自升式風(fēng)電安裝安裝船擬定采用系泊定位錨機進行海上抬升定位，共設(shè)置4臺電動定位錨機，船首2臺、船尾2臺。

為了在風(fēng)場海域風(fēng)、浪、流的影響下滿足施工要求，根據(jù)計算每臺電動定位錨機的額定能力為30 t，并配置一個3.5 t DELTA大抓力錨。為滿足30 m水深作業(yè)需求，錨繩長度選定為450 m。

2.3 起重系統(tǒng)

由于自升式風(fēng)電安裝船抬升后不能移動調(diào)整起重作業(yè)的角度和位置，故自升式風(fēng)電安裝船配置的起重系統(tǒng)均為 360°全回轉(zhuǎn)方式。其它參數(shù)配置如下：1）額定起重能力為800 t，可滿足近海4 MW單管樁基礎(chǔ)起重作業(yè)和6 MW風(fēng)機設(shè)備起重作業(yè)需求；2）起吊方式采用雙鉤起吊，既可滿足單管樁基礎(chǔ)雙鉤起吊和調(diào)整傾斜度要求，也可雙鉤并用起吊大型風(fēng)機設(shè)備要求；3）最大起吊高度為甲板上108 m，配合抬升高度可滿足海生6 M左右機型風(fēng)機吊裝作業(yè)高度要求；4）副頭起重能力100 t。

圖4 起重系統(tǒng)圖

2.4 扶正導(dǎo)向架

2.4.1 結(jié)構(gòu)

近海風(fēng)電場管樁基礎(chǔ)由單管樁基礎(chǔ)和多管樁基礎(chǔ)兩種形式。所以本自升式風(fēng)電安裝船設(shè)計了2套扶正導(dǎo)向架系統(tǒng)：單管樁扶正導(dǎo)向架和多管樁扶正導(dǎo)向架。采用法蘭和高強度螺栓連接于船體甲板上，可根據(jù)需要更換來滿足2種管樁基礎(chǔ)施工要求（見圖5）。

國內(nèi)已建風(fēng)電場（龍源電力如東150 MW海上潮間帶風(fēng)電場）單管樁基礎(chǔ)采用無過渡段結(jié)構(gòu)（精度要求≤3‰），有別于國外有過渡段單管樁基礎(chǔ)（精度要求≤8.6‰）。故本自升式風(fēng)電安裝船配置的單管樁扶正導(dǎo)向架采用雙層結(jié)構(gòu)，采用兩點確定一條線的原理來提高單管樁沉樁精度控制，也有別于國外設(shè)計的單層抱樁器結(jié)構(gòu)。

圖5 扶正導(dǎo)向架圖

2.4.2 參數(shù)選定

單管樁扶正導(dǎo)向架雙層層高設(shè)計為7 m，采用液壓油缸驅(qū)動，前后伸縮形成2 m，左右擺幅±1°?？杀ＷC扶正導(dǎo)向架伸出沉樁完畢，收回后自升式風(fēng)電安裝船下降時不會與風(fēng)機基礎(chǔ)干涉。也可保證單管樁沉樁時傾斜度控制最大調(diào)整能力。

每層扶正導(dǎo)向架360°均布4個100 t電動千斤頂，抱樁直徑范圍4 m～6 m。根據(jù)近海地勘資料計算，可滿足4 MW單樁基礎(chǔ)3‰范圍內(nèi)傾斜度調(diào)整時的推力要求，以及4 MW單管樁基礎(chǔ)的直徑要求。

3 結(jié)論

本文針對一種適用于國內(nèi)沿海工況的自升式風(fēng)電安裝船的功能設(shè)計和參數(shù)選型進行了探討，通過以上分析配置，該自升式風(fēng)電安裝船具有如下優(yōu)點：1）集近海風(fēng)電場基礎(chǔ)施工和上部風(fēng)機安裝功能于一身，在一次準(zhǔn)備期后（一次抬升后）即可完成風(fēng)電管樁基礎(chǔ)施工和上部風(fēng)機安裝施工，無需多次升降作業(yè)。大大提高近海風(fēng)電施工效率，可達4～6臺套/月。2）適用近海4 MW風(fēng)機單管樁基礎(chǔ)施工，也適用近海6 MW多管樁基礎(chǔ)施工。3）最大起重能力雙鉤800 t，起重高度甲板上108 m，配合抬升高度，可滿足近海6 MW風(fēng)機作業(yè)高度和起吊重量要求。4）有管樁基礎(chǔ)施工扶正導(dǎo)線功能，可保證單管樁基礎(chǔ)傾斜度≤2.75‰，多管樁基礎(chǔ)≤5‰。本文針對該類型自升式風(fēng)電安裝船的探討，為我國近海風(fēng)電場開發(fā)所需施工裝備的研發(fā)提供了嶄新的方向。