淺談深水區(qū)海上風(fēng)電機(jī)組安裝技術(shù)與發(fā)展

陳杰湛

摘要：隨著深水區(qū)海上風(fēng)電項(xiàng)目陸續(xù)開發(fā)建設(shè)，對風(fēng)電機(jī)組安裝的技術(shù)提出了新的更高的要求，滿足深水區(qū)風(fēng)電機(jī)組安裝的風(fēng)電安裝船已屈指可數(shù)，文章以廣東省深水區(qū)開發(fā)項(xiàng)目為例，介紹海上風(fēng)電安裝技術(shù)及風(fēng)電安裝船發(fā)展現(xiàn)狀，探索風(fēng)電安裝船對深水區(qū)風(fēng)電機(jī)組安裝的適應(yīng)性問題，并提出方案改造鉆井平臺作為過渡載體，為解決深水區(qū)風(fēng)電機(jī)組安裝施工提供案例參考。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電;深水區(qū);風(fēng)電安裝船;風(fēng)電機(jī)組吊裝;過渡階段

中圖分類號：TM747文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-6903（2021）12-0055-04

0引言

氣候問題已成為全國環(huán)境治理的主要議題，各國及地區(qū)在清潔能源發(fā)展上各自提出了戰(zhàn)略協(xié)議。據(jù)全球風(fēng)能理事會預(yù)計(jì)，未來十年全球?qū)⒗塾?jì)新增超過235GW的海上風(fēng)電裝機(jī)，中國占亞洲板塊新增裝機(jī)容量份額達(dá)71.8%，可見，我國未來海上風(fēng)電行業(yè)開發(fā)規(guī)模、發(fā)展?jié)摿薮?。就廣東省而言，到2030年底，即將建成投產(chǎn)海上風(fēng)電裝機(jī)容量約3000萬kW，規(guī)劃建設(shè)海上風(fēng)電場址23個(gè)，總裝機(jī)容量6685萬kW，其中淺水區(qū)占985萬kW，深水區(qū)占5700萬kW。同淺水區(qū)相比，深水具備的環(huán)境條件更加復(fù)雜，單機(jī)容量不斷增大，對施工技術(shù)的要求不斷提高，雖然近年來我國海上風(fēng)電技術(shù)水平有著明顯地提高，但在深水區(qū)風(fēng)電機(jī)組安裝的技術(shù)裝備水平仍無法滿足現(xiàn)階段我國海上風(fēng)電建設(shè)需求[1]。

1海上風(fēng)電安裝技術(shù)

1.1風(fēng)電機(jī)組安裝施工工藝

風(fēng)電機(jī)組設(shè)備主要包括：塔筒、主機(jī)、輪轂以及葉片。海上風(fēng)機(jī)設(shè)備的安裝方法可分為分體式和整體式安裝法。整體式安裝效率高，對作業(yè)船甲板面積、承重、吊機(jī)等要求高，且碼頭準(zhǔn)備工作復(fù)雜，在深水區(qū)長距離下運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)大[2];相比較分體式安裝最為常用，具有作業(yè)效率高、安裝形式多樣的特點(diǎn)，最為常見可分為“葉輪整體吊”和“單葉片吊裝”的形式，其主要安裝流程如下：

（1）葉輪整體吊：塔筒吊裝→機(jī)艙吊裝→輪轂與葉片組裝→葉輪翻身→葉輪吊裝;

（2）單葉片吊裝：塔筒吊裝→機(jī)艙吊裝→機(jī)艙與輪轂組裝→單葉片吊裝。

1.2風(fēng)電安裝船用途及分類

風(fēng)電安裝船是一種專業(yè)用于海上風(fēng)電機(jī)組安裝的多功能自升式海工平臺，其根據(jù)只有配置自航自升、吊機(jī)、坐底、動力定位、裝載承重等能力的不同，可分為第一代、第二代以及第三代風(fēng)電安裝船，第一代以配置全回轉(zhuǎn)吊機(jī)為主，設(shè)計(jì)布置在船尾處，且對于樁靴面積及可變載荷重量設(shè)計(jì)上存在不足，嚴(yán)重限制了船舶靠泊位置以及作業(yè)水深條件;第二代新進(jìn)采用了繞樁式起重機(jī)，將吊機(jī)優(yōu)化調(diào)整至舷邊，并優(yōu)化了樁腿設(shè)計(jì)，但不具有自航功能，吊機(jī)甲板起高大多在108m以下，在深水區(qū)大兆瓦風(fēng)電機(jī)組吊裝上已力所不及，第三代是目前風(fēng)電安裝船新簽訂單的主流船型，同第二代新進(jìn)增加了自航功能且配置動力定位系統(tǒng)，提升了進(jìn)點(diǎn)就位作業(yè)的效率，并且加長了吊臂長度，增大了吊機(jī)甲板起高和起重量，更加適合且有能力進(jìn)行深水區(qū)大兆瓦風(fēng)電機(jī)組安裝。

1.3深水區(qū)風(fēng)電機(jī)組安裝特點(diǎn)及存在問題

目前淺水區(qū)風(fēng)電機(jī)組安裝已相對成熟，深水區(qū)具有以下的特點(diǎn)[3]：

（1）深水區(qū)天氣海況復(fù)雜多變，施工窗口期短暫，安裝受限條件多;（2）水深較深、淤泥層較厚，風(fēng)電安裝船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)性控制難度大;（3）風(fēng)機(jī)機(jī)型大、輪轂高度高、葉片長等，對吊機(jī)性能及樁腿長度要求高;（4）深水區(qū)海上風(fēng)電機(jī)組安裝、調(diào)試與維護(hù)困難、成本高。

2風(fēng)電安裝船現(xiàn)狀與發(fā)展

2.1專業(yè)風(fēng)電安裝船“供不應(yīng)求”

在國內(nèi)“取消電價(jià)補(bǔ)貼”政策影響下，多家海上風(fēng)電單位追趕年底并網(wǎng)，全面迎來了風(fēng)電安裝施工的“搶裝潮”，江蘇海域單臺風(fēng)機(jī)吊裝價(jià)格一度從400萬/元漲至800萬/臺左右，廣東海域更是翻兩倍，最高價(jià)格去到1000～1300萬/臺，盡管價(jià)格暴漲，但由于資源受一些單位提前鎖定，部分施工單位出現(xiàn)了價(jià)格翻番仍“一船難求”局面，此現(xiàn)象是全球性的，美國近海的風(fēng)電項(xiàng)目，風(fēng)電安裝船單日的租金價(jià)格已經(jīng)暴漲至18萬美元/天[4]。

2.2適應(yīng)深水區(qū)風(fēng)電安裝船屈指可數(shù)

深水區(qū)海上風(fēng)電機(jī)組已趨于大型化，常見均為5MW以上機(jī)型，機(jī)組輪轂高度增高，葉片長度加長，機(jī)組部件設(shè)備重量增重，如表1所示。

風(fēng)電機(jī)組安裝涉足深水區(qū)，水深范圍在40～60m，根據(jù)文獻(xiàn)4中統(tǒng)計(jì)，目前我國自升式風(fēng)電安裝平臺（含在建，由于設(shè)計(jì)入泥與不同海域入泥情況存在差異，其中部分有效作業(yè)水深有修正）適應(yīng)40m以上水深作業(yè)僅有8艘，但在廣東省開發(fā)深水區(qū)場址海域地勘資料顯示地質(zhì)表層多為淤泥，淤泥層最大勘測厚度近20m，且土層多為粘土質(zhì)層，對自升式風(fēng)電安裝船吊高、樁腿長度、預(yù)壓載荷要求更高，依照目前市場熱門選擇機(jī)型，若采用8MW海上風(fēng)電機(jī)組，深水區(qū)需具備自升式專業(yè)風(fēng)電安裝平臺，要求滿足甲板以上吊高>115m，樁腿長度>90m，單位預(yù)壓載荷<40t為宜且配置600t級以上繞樁式起重機(jī)且配置有動力定位系統(tǒng)（DP）為宜。

2.3風(fēng)電安裝船發(fā)展進(jìn)入過渡階段

風(fēng)電安裝船作為海上風(fēng)電機(jī)組安裝施工的作業(yè)載體，是海上施工作業(yè)不可或缺的船機(jī)裝備，隨著作業(yè)水深、風(fēng)機(jī)高度、地質(zhì)條件、機(jī)組重量等要求不斷提高，風(fēng)電安裝船也逐漸走向深水化、大型化、專業(yè)化的方向，大型化發(fā)展對風(fēng)電安裝船的吊重吊高、定位能力、樁腿長度、甲板面積及承載等各方面都提出新的要求，這也標(biāo)志著淺水區(qū)到深水區(qū)過渡建設(shè)中，風(fēng)電安裝船也正式從第二代向第三代過渡。

鑒于目前我國擁有專業(yè)風(fēng)電安裝船裝備水平仍處于第二代居多的局面，第三代風(fēng)電安裝船的制造大多仍處于圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段，而目前國內(nèi)深水區(qū)海上風(fēng)電建設(shè)需求和技術(shù)要求不斷增大，如何解決過渡階段的“尷尬”局面，是推進(jìn)海上風(fēng)電深水區(qū)風(fēng)電機(jī)組安裝的關(guān)鍵[5]。

3深水區(qū)風(fēng)電機(jī)組安裝適應(yīng)性研究

從作業(yè)載體、運(yùn)輸以及施工三方面對風(fēng)電機(jī)組安裝適應(yīng)深水區(qū)做出研究。

3.1鉆井平臺適應(yīng)性改造

為適應(yīng)“搶裝潮”下風(fēng)電安裝船的需求，以改造閑置鉆井平臺來進(jìn)行深水區(qū)風(fēng)電機(jī)組安裝施工，成了業(yè)內(nèi)部分施工單位緩解船機(jī)資源壓力的新思路。自2021年5月以來，國內(nèi)先后出現(xiàn)了4艘以鉆井平臺為原型，拆除鉆井包，利用鉆井平臺自身擁有的深海作業(yè)特性的優(yōu)勢，通過加裝吊機(jī)和對甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使其具備風(fēng)電機(jī)組安裝施工條件。其中如“H194”平臺改造而來“護(hù)衛(wèi)”風(fēng)電安裝平臺，原配置有近128m樁腿、“DP1”動力定位系統(tǒng)和雙臺舷邊輔助吊機(jī)，施工甲板主要進(jìn)行以下改造。

3.1.1650T海工吊機(jī)

加裝吊機(jī)方案區(qū)別另外三艘改造風(fēng)電安裝船，采用加裝650T全回轉(zhuǎn)海工吊，如圖1所示，加高底部將軍柱高度，有效避開與甲板上樁腿結(jié)構(gòu)干涉區(qū)域，具有更強(qiáng)的吊裝操作性，且節(jié)省甲板占用面積，可空余出更多甲板空間用于風(fēng)電機(jī)組安裝施工。

3.1.2葉輪組裝平臺

通過甲板結(jié)構(gòu)改造在右舷外增設(shè)“葉輪組裝平臺”，如圖2所示，不僅擴(kuò)大了施工甲板面積，并且實(shí)現(xiàn)葉輪的整體舷外安裝，使葉輪組裝過程回轉(zhuǎn)不經(jīng)過甲板上部結(jié)構(gòu)，降低了葉片回轉(zhuǎn)吊裝的難度和碰撞風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)葉輪可借氣隙高度進(jìn)行翻身，如圖3所示，降低了翻身作業(yè)對吊機(jī)吊高的要求，有效地解決了鉆井平臺改造風(fēng)電安裝船因甲板面積受限而導(dǎo)致的施工效率低下問題[6]。

“護(hù)衛(wèi)”在華電陽江青洲三海上風(fēng)電項(xiàng)目成功完成了3.5d單臺風(fēng)電機(jī)組安裝的實(shí)踐，可滿足水深60m以上及8.0MW機(jī)型以上的風(fēng)電機(jī)組安裝。鉆井平臺改造運(yùn)用至海上風(fēng)電領(lǐng)域，作為第三代風(fēng)電安裝船全面普于項(xiàng)目運(yùn)用前的過渡載體，充分發(fā)揮閑置海工資產(chǎn)、人員及技術(shù)上的優(yōu)勢，并緩解了國內(nèi)海上風(fēng)電風(fēng)電機(jī)組安裝施工

3.2風(fēng)電安裝船的“精細(xì)”就位

3.2.1插樁頂升就位

風(fēng)電安裝船施工作業(yè)過程中，需將樁腿插至具備設(shè)計(jì)承載力的穩(wěn)定土層，且不存在穿刺風(fēng)險(xiǎn)，最終樁腿的預(yù)壓深度決定了平臺安裝船的是否能安全作業(yè)及吊高是否滿足風(fēng)電機(jī)組安裝要求，在作業(yè)準(zhǔn)備前對插樁入泥深度計(jì)算預(yù)估具有重要的意義，行業(yè)內(nèi)多采用APIRP2GEO、SNAME規(guī)范內(nèi)公式計(jì)算。通過入泥分析，可提前根據(jù)各機(jī)位地質(zhì)條件核算風(fēng)電安裝船的作業(yè)可行性及安全性，樁靴入泥深度越深，拔樁困難度越大，拔樁時(shí)間越長，進(jìn)行對入泥計(jì)算、穿刺分析、拔樁分析及吊高校核的“一機(jī)位一計(jì)算”具有必要性，以如表2及圖4所示為青洲三項(xiàng)目為例，29#、30#機(jī)位滿足吊高要求施工，其中30#機(jī)位由于計(jì)算氣隙在安全要求5m以下，施工應(yīng)注意挑選合適窗口期施工（潮汐差<2m，最大波高<1m海況）。

3.2.2進(jìn)點(diǎn)靠泊就位

深水區(qū)海域由于屬于深水波屬性，海況以長波浪周期為主，對風(fēng)電安裝船就位的穩(wěn)定性影響較大，船舶應(yīng)采用船尾頂流方式進(jìn)點(diǎn)，通過在風(fēng)電安裝船加裝DGPS高精度定位系統(tǒng)，提高風(fēng)電安裝船進(jìn)點(diǎn)就位的安全性和準(zhǔn)確性。風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)輸船靠泊應(yīng)選擇在安裝船的下風(fēng)向及下流向，減小不良海況下運(yùn)輸船走錨撞船的風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)輸船縱軸線盡量與涌浪方向一致，頂流靠泊，進(jìn)點(diǎn)靠泊就位如圖5，降低運(yùn)輸船風(fēng)電機(jī)組安裝施工過程中的橫搖程度，提高作業(yè)效率[8]。

3.3風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)輸及布置優(yōu)化

由于深水區(qū)海上風(fēng)電施工海況條件復(fù)雜性，施工窗口期短暫，優(yōu)化風(fēng)機(jī)設(shè)備的裝船布置，且可將可岸上完成的工作提前布置完成，不僅可以實(shí)現(xiàn)吊裝方案的優(yōu)化，同時(shí)節(jié)省了吊裝作業(yè)時(shí)間，有利于提高海上施工的作業(yè)效率。

3.3.1塔筒立式運(yùn)輸

傳統(tǒng)淺水區(qū)風(fēng)機(jī)塔筒運(yùn)輸均采用臥式運(yùn)輸方案（第一節(jié)立式，其余均采用臥式運(yùn)輸），塔筒卸船時(shí)，需進(jìn)行塔筒翻身吊裝，即采用“雙機(jī)抬吊”方案，如對塔筒立式工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，采用具備符合穩(wěn)性要求的船舶進(jìn)行塔筒立式運(yùn)輸并提前完成吊索具的預(yù)掛，如圖6所示，吊裝方案可優(yōu)化成單機(jī)抬吊，可減少了船舶機(jī)械配置要求，節(jié)省海上塔筒翻身及吊索具安裝的作業(yè)時(shí)間，并且相對于臥式運(yùn)輸方案，可實(shí)現(xiàn)“小船大裝”，大大減少了塔筒裝船甲板占用面積，26m船寬運(yùn)輸船即可滿足兩套塔筒運(yùn)輸，深水區(qū)可節(jié)省運(yùn)輸船長距離來回裝船運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間。

3.3.2整機(jī)運(yùn)輸

一般風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)輸會將塔筒、機(jī)艙、葉片分多船運(yùn)輸，但由于頂節(jié)塔筒一般附帶有電纜等其他重要電氣部件，安裝要求需在吊裝完成后的12h內(nèi)壓上機(jī)艙，且機(jī)艙吊裝前有螺栓預(yù)裝、測試等準(zhǔn)備工作提前在甲板進(jìn)行，為保證施工連續(xù)性以及“吊機(jī)不停歇”效率原則，風(fēng)機(jī)設(shè)備裝船時(shí)，可選擇將塔筒、機(jī)艙及輪轂布置在一船進(jìn)行運(yùn)輸，若有大型運(yùn)輸船（船寬>32m）條件支持下，可重點(diǎn)考慮整套風(fēng)機(jī)設(shè)備同船運(yùn)輸?shù)目赡苄?，如圖7所示，可減少運(yùn)輸船來回運(yùn)輸及靠泊就位次數(shù)，并且提升運(yùn)輸船的海況適應(yīng)性，增加深水區(qū)風(fēng)電機(jī)組安裝施工的效率，再配合塔筒立式運(yùn)輸，在施工效率及運(yùn)輸成本上大有幫助。

3.3.3葉片“兩頭一尾”式裝船

在以往葉片裝船大多采用同頭同尾的裝船方案，即葉片的朝向一致，在分體式安裝的風(fēng)機(jī)吊裝施工中，葉片需抬升回轉(zhuǎn)，由于葉輪開角120°，存在葉片葉尖相對的組裝，若朝向一致布置，則至少有一片葉片的回轉(zhuǎn)組裝在吊裝中需要進(jìn)行大回轉(zhuǎn)，導(dǎo)致現(xiàn)場可能存在吊機(jī)干涉問題，因此，采用“兩頭一尾”布置，可節(jié)省葉輪組裝過程中葉片回轉(zhuǎn)路徑，如圖8所示，能夠有效提高作業(yè)效率。

4結(jié)語

隨著海上風(fēng)電開發(fā)向深水區(qū)發(fā)展，在具備更深作業(yè)海域的第三代風(fēng)電安裝船普及項(xiàng)目運(yùn)用前，通過極限條件可滿足作業(yè)的第二代風(fēng)電安裝船以及閑置鉆井平臺“二次創(chuàng)業(yè)”改造進(jìn)行深水區(qū)風(fēng)電機(jī)組安裝，加強(qiáng)對施工過程中的“精細(xì)及安全”把控、詳細(xì)設(shè)計(jì)運(yùn)輸及靠泊方案，可提升深水區(qū)海上風(fēng)電安裝施工的效率。同時(shí)，建立專業(yè)的施工船隊(duì)、培養(yǎng)專業(yè)人才，加強(qiáng)施工技術(shù)研究，加大風(fēng)電安裝船等裝備的投資力度，對適應(yīng)我國未來能源需求發(fā)展具有重要意義。

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DiscussiononInstallationTechnologyandDevelopmentofOffshoreWindTurbineinDeepWaterArea

CHENJiezhan

（ChinaEnergyConstructionGroupGuangdongThermalPowerEngineeringCo.，Ltd.，

GuangzhouGuangdong510730）

Abstract：Withthedevelopmentandconstructionofoffshorewindpowerprojectsindeepwater，therearemoreandmorenewandhighrequirementsofwindturbinesinstallationtechnology.However，thenumberofengineeringvesselsusedtowindturbinesinstallationthatmeettherequirementsofwindturbinesinstallationindeepwaterisrare.AccordingtothedevelopmentprojectsofoffshoreengineeringindeepwaterinSouthChinaSea，thisstudyisaimedtointroducethetechnologiesofoffshorewindturbinesinstallationandthedevelopmentstatusofoffshorewindturbinesinstallationships.Besides，thisstudyinvestigatestheadaptabilityofengineeringvesselsappliedtowindturbinesinstallationindeepwaterareaandproposesaschemetousethemodifieddrillingplatformasthetransitioncarrier.Finally，thisstudycanprovideacasereferenceforsolvingtheinstallationandconstructionofwindturbinesindeepwaterarea.

Keywords：offshorewindturbines;deepwaterarea;windturbinesinstallationvessels;windturbinesinstallation;transitionstage