海上風(fēng)電安裝船及關(guān)鍵裝備技術(shù)

麥志輝，李光遠(yuǎn)，吳 韓，徐天殷，樊天慧，王 凱，初岳峰

(1．廣東精銦海洋工程股份有限公司，廣東 佛山 528000；2．華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641；3．中山大學(xué) 海洋工程與技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519082)

0 引 言

目前海上風(fēng)電安裝主要由多功能海洋工程船舶和風(fēng)電安裝船承擔(dān)，風(fēng)電安裝船及安裝設(shè)備直接決定風(fēng)電施工的效率和精度。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)海上風(fēng)電安裝船及其發(fā)展前景進(jìn)行深入研究。BRETON等[1]對(duì)歐洲、北美多個(gè)海域的風(fēng)場(chǎng)及所使用的風(fēng)機(jī)樣式進(jìn)行對(duì)比量化。劉志杰等[2]對(duì)起重船、自航半自升式安裝船、自升式平臺(tái)、自航自升式風(fēng)電安裝船進(jìn)行對(duì)比研究。龔閩等[3]對(duì)自升自航式船進(jìn)行有針對(duì)性的研究。彭晨陽等[4]對(duì)多型號(hào)風(fēng)電安裝船的性能、訂單、市場(chǎng)份額進(jìn)行對(duì)比研究。

本文收集整理近年國內(nèi)外主要風(fēng)電安裝設(shè)備核心技術(shù)的相關(guān)資料，對(duì)目前海上風(fēng)電安裝平臺(tái)和關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行對(duì)比研究。

1 海上風(fēng)電安裝特點(diǎn)及存在問題

目前的行業(yè)數(shù)據(jù)和施工經(jīng)驗(yàn)顯示，海上風(fēng)電成本比路上風(fēng)電高50%～100%，海上風(fēng)電開發(fā)總成本中的22%用于風(fēng)電安裝中[2]。海上風(fēng)電安裝主要分為基礎(chǔ)安裝、葉片安裝和機(jī)艙安裝等3個(gè)部分。所面臨的施工難點(diǎn)和問題如下：

(1)施工時(shí)間窗口有限，對(duì)施工效率有較高的要求。海上風(fēng)電安裝受環(huán)境因素的影響，對(duì)天氣、海況條件要求比較苛刻。

(2)海上環(huán)境載荷大，安裝設(shè)備安全性要求高。并且，海上風(fēng)電機(jī)組部件大多為細(xì)長體，單個(gè)元件尺寸較大，風(fēng)電安裝起重機(jī)需要具有足夠的起重能力和提升高度，對(duì)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和安全性都有較高的要求。

(3)海上風(fēng)電安裝受水深影響大。在潮間帶可采用座底式平臺(tái)；在淺水區(qū)域可采用殼體式或桁架式樁腿；當(dāng)水深超過60 m時(shí)，只能采用桁架式腿配備齒輪齒條升降系統(tǒng)。

2 國內(nèi)外海上風(fēng)電安裝船發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外風(fēng)電安裝船發(fā)展現(xiàn)狀

1955年美國Dean兄弟公司建造完成自升自航船[3]，此后風(fēng)電安裝船經(jīng)歷3代發(fā)展。第1代風(fēng)電安裝船主要由起重船和工作駁船組成，通過聯(lián)合作業(yè)的方式進(jìn)行風(fēng)電安裝。第2代風(fēng)電安裝船是具有自升功能但不具有自航功能的駁船或平臺(tái)。第3代風(fēng)電安裝船是為風(fēng)電安裝專門設(shè)計(jì)建造的專用型船舶，一般具有以下特點(diǎn)[5]：

(1)配備大型起重機(jī)，起重重量大、高度高。

(2)甲板空間最大化，以運(yùn)輸大型海上風(fēng)機(jī)的各種大型部件。

(3)配備動(dòng)力定位或起升用樁腿，使作業(yè)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，滿足起吊和安裝精度的要求。

(4)可自行進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，無需拖船進(jìn)行移位調(diào)整。

(5)控制系統(tǒng)更靈活，可有效避免不良操作帶來的影響。

(6)用途廣泛、功能全面，可完成多種海上風(fēng)電施工，如設(shè)備吊裝、平臺(tái)安裝、海上維護(hù)等。

全球海上風(fēng)電發(fā)展至今，由于基礎(chǔ)安裝和風(fēng)機(jī)安裝對(duì)吊重、回轉(zhuǎn)半徑和樁腿長度等的要求不同，風(fēng)電安裝船也逐漸形成了差異化。表1為現(xiàn)在國外主要風(fēng)電安裝平臺(tái)的性能和分類，可以看出很多船型具有明確的功能屬性。這些現(xiàn)有風(fēng)電安裝船能滿足9 MW以下風(fēng)機(jī)安裝需求，一部分船型經(jīng)過有限的改裝后可安裝12 MW GE Haliade-X海上風(fēng)機(jī)。

表1 歐洲海上風(fēng)電施工自升式平臺(tái)

續(xù)表1 歐洲海上風(fēng)電施工自升式平臺(tái)

比利時(shí)DEME集團(tuán)的Orion(見圖1(a))海上風(fēng)電安裝船于2019年11月21日下水，船長為216.5 m，船寬為49 m，全船有效甲板載荷達(dá)25 370 t。該船安裝1臺(tái)利勃海爾全回轉(zhuǎn)起重機(jī)，起重能力和提升高度分別為5 000 t和170 m，配備DP 3動(dòng)力定位系統(tǒng)和8點(diǎn)系泊系統(tǒng)，可執(zhí)行10 MW功率以上的海上風(fēng)電機(jī)組安裝任務(wù)，是優(yōu)秀的第三代風(fēng)電安裝船。更大型的海上風(fēng)電安裝船Voltaire(見圖1(b))已開始建造。該船搭載起重能力超過3 000 t的Huisman主起重機(jī)、貨物甲板占地7 000 m2、工作水深約80 m、有效載荷約14 000 t，配備DP 2動(dòng)力定位系統(tǒng)。

圖1 海上風(fēng)電安裝船

2.2 國內(nèi)風(fēng)電安裝船發(fā)展現(xiàn)狀

2015年之前，我國僅有5艘風(fēng)電安裝船可用。2019年底，我國已擁有25艘現(xiàn)役海上風(fēng)電安裝船，約10艘在建[6]。2020年底，我國有30艘以上的風(fēng)電安裝船可進(jìn)行海上風(fēng)電機(jī)組的安裝[7]。目前國內(nèi)風(fēng)電安裝船的起重范圍在500～1 000 t，可對(duì)我國風(fēng)電市場(chǎng)上的主流4 MW單機(jī)機(jī)型進(jìn)行安裝。

由中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的1 300 t第3代自升自航式風(fēng)電安裝船鐵建風(fēng)電01號(hào)(見圖2)于2019年7月19日下水。該船船長為105 m、船寬為42 m，甲板面積達(dá)2 500 m2，安裝荷蘭皇家IHC公司IHC S-3000液壓打樁錘，擁有DP 2動(dòng)力定位和4點(diǎn)錨泊定位雙系統(tǒng)以及起重1 300 t的繞樁起重機(jī)，可為8 MW及以下海上風(fēng)機(jī)安裝施工。該船自持力為20 d，抗風(fēng)能力優(yōu)秀，可抵抗16級(jí)臺(tái)風(fēng)的侵襲[7]。

圖2 中遠(yuǎn)海運(yùn)承建鐵建風(fēng)電01號(hào)

新型海上風(fēng)電安裝平臺(tái)也在不斷被提出，如整體式風(fēng)機(jī)安裝船近期獲得了挪威船級(jí)社(DNV)的原則認(rèn)證證書，認(rèn)可我國整體式安裝作為海上風(fēng)電施工的可行方案。該方案與一般的風(fēng)電安裝船不同，可將風(fēng)機(jī)在陸地安裝后直接運(yùn)輸至海上指定地點(diǎn)，一次性整體安裝在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上，小水線面雙體船的設(shè)計(jì)使船體阻力相對(duì)較低，具有出色的耐波性。但是這種特定的安裝船用于其他海上作業(yè)的通用性受到一定的限制。

目前國內(nèi)可負(fù)責(zé)風(fēng)電安裝船設(shè)計(jì)的單位并不多，主要的研究單位有中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院和上海振華重工等。華電重工股份有限公司、中鐵大橋局集團(tuán)有限公司、中交第三航務(wù)工程局有限公司等國內(nèi)知名企業(yè)已開始參與海上風(fēng)電行業(yè)的建設(shè)。

3 風(fēng)電安裝船關(guān)鍵設(shè)備

3.1 樁腿支撐升降系統(tǒng)

3.1.1 樁腿結(jié)構(gòu)對(duì)比

支撐升降系統(tǒng)主要由樁腿、樁靴、升降裝置和鎖緊裝置組成。如表2所示，樁腿結(jié)構(gòu)形式主要為殼體式和桁架式，殼體式又可分為方箱型和圓柱型。殼體式樁腿優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、制造成本較低，占船體面積??；桁架式樁腿受載荷面積小，可有效降低平臺(tái)重量，增加船體的有效載荷[8]。殼體式樁腿主要用于水深較淺的海域，桁架式樁腿主要用于60 m以上的深海海域[9]。2020年2月，在中廣核岱山4號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)的安裝施工中，采用圓柱殼體式樁腿的三航風(fēng)華號(hào)自升式風(fēng)電安裝船樁腿最大插深達(dá)35 m，最大拔樁力達(dá)4 600 t，插樁深度和拔樁力均位于世界前列。

表2 風(fēng)電安裝船樁腿結(jié)構(gòu)對(duì)比

3.1.2 升降裝置對(duì)比

風(fēng)電安裝船的升降系統(tǒng)根據(jù)提升方式可以分為纜索式升降系統(tǒng)、齒輪升降系統(tǒng)和孔穴插銷式升降系統(tǒng)等3類。風(fēng)電安裝平臺(tái)大多采用孔穴式插銷液壓升降系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由液壓動(dòng)力系統(tǒng)、環(huán)梁、插銷和樁腿銷孔等部分組成，具有使用壽命長、運(yùn)行更穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)[8,10]。3類升降系統(tǒng)各方面性能對(duì)比如表3所示。

表3 風(fēng)電安裝船升降系統(tǒng)性能對(duì)比

新型風(fēng)電安裝船的單樁額定舉升載荷可達(dá)2 000 t，升降系統(tǒng)的抬船提升速度從0.2～1.0 m/min不等，在實(shí)際作業(yè)中，風(fēng)電安裝船的升降較頻繁，升降速度及穩(wěn)定性對(duì)安裝效率有著顯著影響。鐵建風(fēng)電01號(hào)風(fēng)電安裝船搭載振華重工第2代雙步進(jìn)液壓升降系統(tǒng)，具備0.5 m/min的連續(xù)爬升速度，單根樁腿的升降能力達(dá)4 800 t，支撐能力可達(dá)7 200 t。三航風(fēng)和號(hào)風(fēng)電安裝船采用雙環(huán)梁液壓連續(xù)升降系統(tǒng)，該系統(tǒng)由振華重工自主研發(fā)，抬船提升速度同樣可達(dá)0.5 m/min，采用創(chuàng)新性的油缸正掛式設(shè)計(jì)，降低船體自重300 t，有效節(jié)約設(shè)備建造成本。

3.2 抱樁器

抱樁器的工作精度是其首要技術(shù)指標(biāo)，性能良好的抱樁器可達(dá)到打樁時(shí)樁基垂直度偏差不大于4‰的要求。與之配合的新型海洋液壓打樁錘的打擊能量可達(dá)3 000 kJ，每分鐘打擊次數(shù)大于12次，打擊速度超過5.0 m/s。抱樁器裝置在歐洲研究和開發(fā)的時(shí)間較早，其中主要有荷蘭Ulstein Equipment公司開發(fā)的可翻轉(zhuǎn)式抱樁器，英國Houlder公司開發(fā)的直徑7 m抱樁器安裝在MPIAdventure起重船上，荷蘭TMS公司開發(fā)的可適應(yīng)不同直徑樁柱的抱樁器，荷蘭KCI the engineers B.V.公司開發(fā)的可平行移動(dòng)對(duì)中抱樁器。目前，國內(nèi)海上抱樁器仍處于起步階段，哈爾濱工程大學(xué)曾于2009年對(duì)導(dǎo)向與扶正裝置的方案進(jìn)行研究[11]，但一直未投入實(shí)際生產(chǎn)。2010年8月，龍?jiān)措娏εc振華重工公司合作，采用碼頭樁基基礎(chǔ)桁架結(jié)構(gòu)作為臨時(shí)抱樁器，在江蘇省如東海上風(fēng)場(chǎng)敷設(shè)5 m大直徑管樁，但作為臨時(shí)替代方案，抱樁器結(jié)構(gòu)較大，無糾偏功能，工作效率低。此后，上海振華重工自主研發(fā)雙層大直徑抱樁器并安裝在龍?jiān)凑袢A二號(hào)風(fēng)電施工平臺(tái)。該抱樁器可適應(yīng)2～7 m直徑的樁腿，最大糾偏力達(dá)100 t，目前在江蘇和福建多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)施工中運(yùn)行良好[12]。

3.3 專用吊具及吊裝技術(shù)

發(fā)電機(jī)組的大型化必將帶來安裝難度的提升。目前5 MW以上的大型風(fēng)機(jī)葉輪直徑通常大于130 m，需要采用葉片專用吊具進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片的安裝。專用吊具設(shè)計(jì)須滿足以下要求：

(1)能滿足在吊裝過程中單臺(tái)起重機(jī)吊裝控制微調(diào)技術(shù)處理，能實(shí)現(xiàn)在空中吊裝時(shí)夾具的開合及夾持和旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。

(2)在3級(jí)及以下風(fēng)環(huán)境下，可按照預(yù)定設(shè)置，對(duì)安裝區(qū)域進(jìn)行微調(diào)以進(jìn)行安裝控制。

(3)在安裝過程中，機(jī)械手能自行處理對(duì)葉片加持位置的調(diào)整，使加持位置適當(dāng)放置在距離重心位置不遠(yuǎn)處[13]。

目前三航局聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)等單位對(duì)某型6 MW風(fēng)電機(jī)組葉片的專用吊具進(jìn)行研發(fā)[14]。

起重機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在海上高濕度及平臺(tái)晃動(dòng)的惡劣環(huán)境中運(yùn)行，導(dǎo)致其軸承部件會(huì)產(chǎn)生特殊的帶狀點(diǎn)蝕和微振磨損缺陷，因此，開展針對(duì)海上風(fēng)電起重機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件特殊缺陷的故障模式識(shí)別的研究有助于提高海上風(fēng)機(jī)安裝過程的安全性與可靠性。

3.4 DP模塊

DP系統(tǒng)分為DP 1、DP 2和DP 3等3個(gè)級(jí)別。國內(nèi)七〇二所和哈爾濱工程大學(xué)相繼研制出新一代DP 3系統(tǒng)。

由表1可知，現(xiàn)在國外主要的風(fēng)電安裝船均配備DP 2系統(tǒng)。國外船舶所有人的近期下水或在建的新型風(fēng)電安裝船均已實(shí)現(xiàn)DP 3動(dòng)力定位，如DEME集團(tuán)的Orion號(hào)和Jan De Nul的Voltarie號(hào)。我國大部分風(fēng)電安裝船還處于DP 1系統(tǒng)的水平，但近期新建的鐵建風(fēng)電01號(hào)1 300 t自升自航式風(fēng)電安裝船配備DP 2系統(tǒng)。

4 主要發(fā)展趨勢(shì)

4.1 風(fēng)電安裝船

未來風(fēng)電安裝船將呈專業(yè)化、大型化、深水化的發(fā)展趨勢(shì)。隨著海上風(fēng)電行業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，從安裝到運(yùn)維的全產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟、規(guī)范，專業(yè)的風(fēng)電安裝船將取代傳統(tǒng)的通用型海洋工程船；風(fēng)電機(jī)組的大型化勢(shì)必催生安裝船的大型化，主要體現(xiàn)在甲板載荷能力和面積的增大上；海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃正由近岸淺水向遠(yuǎn)岸深水海域發(fā)展，自升式風(fēng)電安裝船需要適應(yīng)更深的作業(yè)水深，遠(yuǎn)岸深水區(qū)域的海況更復(fù)雜，對(duì)風(fēng)電安裝船的動(dòng)力定位能力要求更高。

4.2 船機(jī)關(guān)鍵設(shè)備

專用設(shè)備將促進(jìn)海上風(fēng)電安裝作業(yè)的成本標(biāo)準(zhǔn)化，有助于海上風(fēng)電項(xiàng)目整體效益的提升。下一代風(fēng)電機(jī)組的尺寸將繼續(xù)增大，受起重量和起升高度的限制，現(xiàn)有的風(fēng)電安裝船已不具備安裝能力。對(duì)于將在2021年面市的GE旗艦機(jī)型Haliade-X 12 MW而言，目前全球僅有4艘風(fēng)電安裝船可實(shí)施安裝。因此，風(fēng)電安裝船起重機(jī)的起重量和起升高度將進(jìn)一步增加，升降系統(tǒng)還需具備更大的樁腿長度、更佳的穩(wěn)定性和更快的升降速度。此外在智慧海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的驅(qū)動(dòng)下，船機(jī)關(guān)鍵設(shè)備的智能化成為重要的研發(fā)方向。

5 市場(chǎng)格局與展望

風(fēng)電安裝船產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成全球化格局，歐洲公司負(fù)責(zé)大部分船型的設(shè)計(jì)工作，Gusto MSC公司目前占有歐洲市場(chǎng)的30%份額，德國Sietas Werft、丹麥Knud E.Hansen等設(shè)計(jì)公司也具備一定的競(jìng)爭力。亞洲地區(qū)船廠完成了全球下單總量的89%的風(fēng)電安裝船的建造。近年來，隨著我國設(shè)計(jì)能力的不斷提升，這種由歐洲設(shè)計(jì)、亞洲建造的模式正在逐漸被我國內(nèi)循環(huán)模式所取代。針對(duì)我國特殊國情及海況的不同需求，一些設(shè)計(jì)單位開創(chuàng)性地提出適合我國工況、造價(jià)和功能的設(shè)計(jì)方案，例如中國鐵建港航局的鐵建風(fēng)電01號(hào)風(fēng)電安裝船[4]。

6 結(jié) 論

目前我國風(fēng)電安裝船及核心裝備的發(fā)展尚在起步階段，海上風(fēng)電的快速發(fā)展對(duì)風(fēng)電安裝船數(shù)量及性能的需求都在不斷增加。國內(nèi)風(fēng)電安裝船在設(shè)計(jì)方面已經(jīng)解決了從無到有的問題，但是在未來面臨風(fēng)電機(jī)組大型化的趨勢(shì)下，風(fēng)電安裝船的形式和功能還需要不斷更新。在核心裝備上，我國與國外先進(jìn)水平還有較大差距，仍需要繼續(xù)加強(qiáng)我國在風(fēng)電安裝船領(lǐng)域的研發(fā)能力。