海上風電場運維居住平臺的關(guān)鍵技術(shù)分析

劉正亮 唐俊 陳煥東 張洪流

摘 ? ?要：隨著國內(nèi)外的風電場規(guī)劃與建設(shè)均朝著深水區(qū)發(fā)展，風電場的水深越來越深、工作環(huán)境越來越惡劣。但在深水區(qū)風電場的維護方面卻面臨挑戰(zhàn)，且缺乏相關(guān)經(jīng)驗。本文結(jié)合已建造的GM-J180A風電居住平臺的關(guān)鍵技術(shù)與風電場的接口展開相應的分析，對深水區(qū)風電場的維護具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：深水區(qū)風電場;風電運維裝備;技術(shù);分析

中圖分類號：U674.98?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： With the development of wind farm planning and construction both at home and abroad towards the deep water area， the water depth of wind farm is deeper and the working environment is more and more severe. However， the progress in the maintenance of wind farm in the deep water area is slow， and there is no relevant experience to learn from. Wind farm maintenance has a considerable market space， but also accompanied by challenges. This paper introduces and analyzes the key technologies of GM-J180A wind power living platform and the interface of wind farm， which is of great reference significance for the maintenance of wind farm in deep water.

Key words： Deep water wind farm; Wind power operation and maintenance equipment; Technology; analysis

1 ? ? 前言

海上風能作為一種可再生、無污染且儲量巨大的能源，其未來的發(fā)展不言而喻。加快海上風電項目的建設(shè)，對于促進沿海地區(qū)治理大氣霧霾、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式具有重要意義。

當前，海上風電已成為全球風電發(fā)展的研究熱點，世界各國都把海上風電作為可再生能源發(fā)展的重要方向，預計到2050年全球海上風電裝機容量可達到1000 GW。

我國海上風電資源豐富，海上風電裝機規(guī)模逐步增大。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，到2020年海上風電將開工建設(shè)1 000萬kW、建成500萬kW。隨著海上風電的發(fā)展，各地都相應的調(diào)整了海上風電布局，調(diào)整后部分省份的規(guī)模大大增加。

世界上第一座遠海風電場（丹麥Horns Rev二期209 MW海上風電場）距離港口60 km，安裝了91臺西門子2.3 MW風機，是全球首座帶有海上居住平臺的風電場;2018年，在建最遠風電場離岸103 km、水深達到77 m;中國海上風資源豐富，近海深水區(qū)風資源大約是淺水區(qū)的3倍，近海深水區(qū)的水深大約40 m、離岸大約40 km。

隨著國內(nèi)外風電場的選址逐步從淺水區(qū)朝深水區(qū)發(fā)展，對樁基建設(shè)、風機的制造、安裝、電網(wǎng)建設(shè)、風電場運維等全產(chǎn)業(yè)鏈涉及到的各個環(huán)節(jié)均產(chǎn)生了一系列影響。如風電場的運維，由原先的淺水區(qū)運維轉(zhuǎn)移至深水區(qū)運維，其離岸遠、水深較深、海況復雜。

從資源總量上看，我國近海風電場的水深為5～50 m;深水區(qū)風電場離岸距離一般在60 km以上;風電場的運維設(shè)備由原先的小型風電運維船向大型的風電居住平臺轉(zhuǎn)變，水深的增加、浪涌、海流、海風等對平臺的影響越來越大，需對風電居住平臺的技術(shù)指標進行優(yōu)選，如：樁腿長度加高;樁腿形式采用桁架式;具有較大的居住區(qū);具備對外輸送燃油功能;人員轉(zhuǎn)移方便等。

2 ? ?海上風電居住平臺簡介

隨著海上風電場的規(guī)模不斷擴大，位置也逐步走向深遠海，對運維可達性提出了更高的要求。在歐洲，通常運維人員一天的工作時間為12小時，由于受航程及運維船航速限制，運維人員每天來回的通勤時間達到6小時，目前主流的風電運維船尺寸在10～27 m之間，運維備件和人員配備均有限，無法滿足相關(guān)要求，因此需配備相應的風電居住平臺。

借鑒丹麥的遠海風電場經(jīng)驗，在深水區(qū)的風電場中配備居住平臺和相應的運維船，以解決風電場往返岸基時間長、運維人員居住條件差、燃油補給、人員轉(zhuǎn)移等方面的系統(tǒng)性問題。本文以GM-J180A風電場居住平臺為例，結(jié)合建造工作中的相關(guān)研究工作及經(jīng)驗，進行相應介紹和分析。

目前國內(nèi)并無深遠海風電場，近海風電場主要依靠運維船，當運維船無法滿足要求時需要依靠風電安裝平臺。風電安裝平臺的主要特點是配備有較大的起重機，能滿足風機的吊高和重量要求;風電安裝平臺的樁腿形式一般采用殼體式，升降系統(tǒng)采用齒輪齒條式，人員的轉(zhuǎn)移依靠吊機和吊籠配合，無相關(guān)的燃油補給等功能，而專業(yè)的風電場運維平臺能較好的解決上述問題。

3 ? ? 海上風電居住平臺的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 ? 平臺基本技術(shù)參數(shù)

圖1所示為GM-J180A風電居住平臺效果圖。該平臺滿足LR英國勞氏船級社關(guān)于海工設(shè)施入級規(guī)范以及法規(guī)2016版、UKHSE的部分規(guī)范和掛旗國要求，主要給英國北海南部和丹麥海域的風電場運維人員提供居住服務。該居住平臺主要技術(shù)參數(shù)，如表1所列。作業(yè)水深55 m、甲板面積500㎡、甲板可變載荷500 t、可滿足280人居住;樁腿和樁靴總長95.6 m;無動力系統(tǒng)，續(xù)航力280人/30天。

3.2 ? 平臺樁腿的選型

平臺樁腿的形式，主要有殼體式和桁架式兩種：

（1）殼體式樁腿（見圖2）

其結(jié)構(gòu)簡單、加工制造方便;但由于側(cè)部投影面積大，海況、風速、水流等環(huán)境因素對樁腿的影響也較大;并且作業(yè)海域較淺，一般不超過60 m水深;

（2）桁架式樁腿（見圖3）

其鏤空的結(jié)構(gòu)，能有效減少浪涌、海流及海風對平臺的作用力，使平臺的穩(wěn)定性和安全性大大增強;作業(yè)海域水深可以達到120 m，因而在惡劣海況的海域如英國北海等深水區(qū)服務的風電居住平臺優(yōu)選桁架式樁腿。

3.3 ? 運維船與居住平臺的對接

風電場投產(chǎn)后，往往在風電場內(nèi)配備多艘運維船。風電居住平臺在風電場站樁作業(yè)后，平臺主體結(jié)構(gòu)離開水面，高度較高。

現(xiàn)有的運維船與平臺的對接方式，主要有吊機吊籠或升降平臺系統(tǒng)等;采用吊機吊籠對操作人員存在較大的安全風險;而通過升降系統(tǒng)降低平臺至水面，則需要耗費較多的時間，成本較高且對升降系統(tǒng)的使用壽命有較大影響。

GM-J180A風電居住平臺在尾部設(shè)置有一套獨特的登艇系統(tǒng)，用來提高人員從平臺至運維船的換乘效率和安全能力。登艇系統(tǒng)由提升塔架、登乘平臺、提升系統(tǒng)和相應的電氣控制系統(tǒng)組成：登乘平臺在三個方向設(shè)置有靠船柱，并且在登乘平臺甲板面設(shè)置有多個帶纜樁和導纜孔，運維船可以頂靠在登乘平臺上;提升塔架內(nèi)部設(shè)置有梯道和電梯，人員從居住平臺通過梯道或電梯至登乘平臺。登艇系統(tǒng)示意圖，如圖4所示。

由于海上環(huán)境復雜，風電場內(nèi)的運維船需要可靠的系固，除了在平臺尾部水面的登乘平臺能停靠三艘運維船外，平臺主甲板尾部和左舷設(shè)計有兩套運維船轉(zhuǎn)移系統(tǒng)（見圖5），每套系統(tǒng)能同時存放兩艘運維船;每套系統(tǒng)設(shè)計有可供停放兩艘運維船（船長6～12 m）的存放支架，每套系統(tǒng)配備有兩個吊鉤，單個吊鉤能在2～6 m范圍內(nèi)移動，雙鉤架的工作范圍為6～12m;單鉤最大起升負荷為12 t、雙鉤最大起升負荷15 t、最大起升和下放速度0～40 m/s;運維船存放在系統(tǒng)的存放支架上，每套系統(tǒng)配2套存放支架，存放支架分別布置在內(nèi)外兩側(cè);2套存放支架在長度方向上可調(diào)節(jié)行程為6 m，可以支撐長度為6～12 m的運維船。

3.4 ? 運維船的加油系統(tǒng)

深水風電場離岸基較遠，運維船的燃油補給需要統(tǒng)籌考慮。本平臺在尾部設(shè)計有一套給運維船加油補給系統(tǒng)，由貨油艙、加油泵組、加油機、加油軟管及相應管線組成：貨油艙（容積535 m?）設(shè)置在平臺主船體結(jié)構(gòu)內(nèi);加油槍布置在尾部登艇系統(tǒng)的登乘平臺三個靠艇樁附近，運維船在?？繒r可隨時補給作業(yè);加油機上集成顯示加油量和金額等必要信息。除了給自身運營的運維船加油補給外，還可以給其他風電場的運維船提供加油補給。

3.5 ?直升機平臺集成系統(tǒng)

直升機為海洋平臺提供的服務，包括：人員運送、后勤支援、傷病員救護和緊急撤離等。由于直升機所特有的安全性、實用性和高效性，目前在海上平臺上得到了廣泛使用?？紤]經(jīng)濟性，風電場采用直升機代替運維船的可行性較低，但在突發(fā)事情（如救護傷員和緊急撤離等）中直升機的作用至關(guān)重要。

直升機的作業(yè)方式有兩種：一種為直升機降落作業(yè)，相應的作業(yè)區(qū)為具有足夠大小的可供直升機降落的區(qū)域;另一種為直升機在懸停狀態(tài)下進行的人員和物資的吊放作業(yè)，相應的作業(yè)區(qū)為吊放區(qū)，但不能供降落使用。

為了直升機降落作業(yè)，需配備直升機甲板，一般選用鋁制直升機甲板，并配備有流水槽、系留點、安全網(wǎng)、防滑網(wǎng)、標志、助降系統(tǒng)和消防系統(tǒng)。

GM-J180A風電居住平臺首部左右舷各設(shè)計一個直升機甲板，直升機甲板之間布置直升機加油系統(tǒng)和機庫。該直升機平臺結(jié)合風電場的海況和往返岸基距離所設(shè)計的機庫，可以同時存儲3架直升機，并且具備有對外加油功能。居住平臺首部直升機平臺集成系統(tǒng)圖，如圖6所示。

3.6 ? 人員管理系統(tǒng)

本生活居住平臺設(shè)計容納人員為280人，主要的服務對象為船員和工作人員，配置了人員管理系統(tǒng)對人員的工作、生活、娛樂進行系統(tǒng)的管理;系統(tǒng)采用內(nèi)置指令協(xié)處理器CIP卡和自組網(wǎng)技術(shù)，建立一套準確、穩(wěn)定、可靠的海洋船舶/平臺人員登船、離船定位的管理系統(tǒng);在確保平臺上工作人員的人身安全的同時，提升平臺的服務和海洋應急反應能力，提升船舶人員的信息化管理水平。

人員管理系統(tǒng)是基于在無線或有線局域網(wǎng)內(nèi)，為登船人員提供身份識別及位置管理的信息系統(tǒng)。多功能信息卡可以提供持卡人員的多種信息，包括姓名、證件號、房間號、職務、可通行區(qū)域和緊急撤離點等;該系統(tǒng)通過完全定制化的功能及需求，滿足船舶或平臺工作人員的日常管理，以及在緊急狀態(tài)下人員的及時有效撤離，最大程度保障人員安全。

3.7 ?小結(jié)

通過對風電場運維及居住平臺的關(guān)鍵技術(shù)分析：GM-J180A風電居住平臺選用桁架式樁腿，能有效減少浪涌、海流及海風對平臺的作用力，提高了平臺的作業(yè)水深;居住平臺與運維船的對接形式配備的登艇系統(tǒng)、轉(zhuǎn)移系統(tǒng)和加油系統(tǒng)能從系統(tǒng)功能性、快速性、安全性角度滿足風電場的運維需求;配置的直升機平臺集成系統(tǒng)具有高效性，能較好的處理平臺的突發(fā)事情;而人員管理系統(tǒng)，對平臺上的居住人員智能化管理，提升信息化管理水平。

4 ? ?結(jié)束語

隨著國內(nèi)外的風電場規(guī)劃與建設(shè)均朝著深水區(qū)發(fā)展，風電場規(guī)模越來越大，風電場建成投產(chǎn)后如何確保安全、高效、低成本的系統(tǒng)性維護，將是一個重大的研究課題。本文結(jié)合GM-J180A風電居住平臺的關(guān)鍵技術(shù)與風電場的接口展開相應的分析，主要從運維人員的工作時間、效率、安全和緊急事故處理方式進行重點說明，對風電場的維護及配套的居住平臺的設(shè)計開發(fā)具有重要的參考意義。

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