一種自安裝海上測風塔的運輸和安裝穩(wěn)性分析

冀 昊，季新然

(1.水電水利規(guī)劃設計總院，北京 100120；2.海南大學土木建筑工程學院，海南 ?？?570228)

0 引 言

我國具有豐富的風能資源，陸上風力資源有2.5億kW，海上風力資源(30 m水深以內(nèi))有7.5億kW。海上風電的優(yōu)勢主要包括海上的高風速及滿發(fā)小時數(shù)，不占用土地資源，不受地形地貌影響，單機容量更大，規(guī)避陸上發(fā)展空間的限制，離負荷中心更近，減少電力傳輸損失等。根據(jù)《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，到2020年，我國海上風電開工建設規(guī)模達到1 000萬kW，力爭累計并網(wǎng)容量達到500萬kW以上。風電場測風是風能開發(fā)中的一個重要環(huán)節(jié)，也是風能開發(fā)的前提和基礎，它對風電場的設計、建設具有重大影響，做好風電場的測風對風能開發(fā)具有重要意義。

在海上風電場工程建設前期，應全面地收集風電場測風資料，掌握海上風電場海域風的變化規(guī)律及特征，將測風所得的風資源數(shù)據(jù)作為海上風電場工程風能資源評估的基礎，進而測算海上風電場的發(fā)電效益。獲得精確的海上風資源數(shù)據(jù)最直接的方法就是安裝海上測風塔，一般通過一年的測風，對風電場的風資源進行評估。國內(nèi)外傳統(tǒng)的海上測風塔一般通過大型浮吊和液壓錘安裝固定在在海床上，其基礎形式多為樁基礎或重力式基礎，采用的樁基礎主要有單樁、三樁和四樁三種形式。傳統(tǒng)海上測風塔的運輸、安裝流程是預先在海上風電場工程場址通過大型打樁設備進行海上測風塔樁基的沉樁施工，完成海上測風塔下部基礎施工，然后在碼頭前沿通過碼頭上起重設備將測風塔上部結(jié)構(gòu)吊裝到運輸船上，通過運輸船干拖到安裝海域，再利用浮吊等海上起重安裝船將測風塔上部結(jié)構(gòu)與已施工的基礎進行連接，實現(xiàn)整個海上測風塔的安裝施工。海上測風塔運輸和安裝均需使用較大的運輸船舶、打樁船和吊裝船，施工周期長且船機費用較高，且完成安裝的海上測風塔在風資源數(shù)據(jù)收集完成后，不能回收再利用，海上拆除比較困難，需要動用大型船機，拆除施工費用昂貴[1]。

本文探索一種安裝激光測風裝置的海上測風塔結(jié)構(gòu)，該海上測風塔采用了一種新的設計理念，海上運輸時可以不使用大型運輸船，只需采用小型拖輪拖帶，利用測風塔自身下部浮筒提供的浮力在海上進行濕拖到達目標海域，整個濕拖過程滿足海上拖航的穩(wěn)性要求。測風塔海上安裝時也不需要浮吊和液壓錘等大型安裝施工船和設備，而是由加裝的臨時氣囊提供額外浮力由預留的充排水系統(tǒng)對下部浮筒各艙室進行注水，海上測風塔緩慢下沉完成坐底安裝施工，臨時氣囊完成排氣收縮；測風數(shù)據(jù)滿足要求后，可通過預留的排水系統(tǒng)排除艙室中的海水完成上浮，然后拖航到其他海域重復上述下沉坐底安裝過程，繼續(xù)海上測風實現(xiàn)回收再利用。該海上測風塔具有測量范圍大、可自浮拖航、可自沉坐底和上浮重復使用、測風塔和基礎一體安裝以及海上運輸、安裝和拆除費用低等優(yōu)點。本文基于MOSES軟件，對這種可自安裝的新型海上測風塔進行拖航穩(wěn)性和下沉、上浮安裝穩(wěn)性分析計算，為這種結(jié)構(gòu)海上施工提供依據(jù)。

1 測風塔結(jié)構(gòu)

1.1 測風塔整體結(jié)構(gòu)

該型海上測風塔由上部桁架、下部浮筒結(jié)構(gòu)和加強鋼絲繩組成，在桁架的測風平臺上安裝激光測風儀，測風高度范圍0～200 m，如圖1所示。測風塔總高40 m，總質(zhì)量約150 t；上部為桁架式塔架結(jié)構(gòu)，邊長為2.5 m；下部浮筒基礎邊長31 m，呈四邊形分布，浮筒基礎由直徑1.2 m、長14 m的鋼管焊接組裝而成，下部浮筒的氣密性和水密性要求較易滿足。海上測風塔下部浮筒在海上拖航時可以提供浮力，注水下沉安裝就位后以重力式基礎的形式抵抗整個結(jié)構(gòu)在風、浪和海流作用下的傾覆和滑移。該型式海上測風塔適合我國海床土質(zhì)以粉砂、粉土為主的海域，海床基巖埋深較淺海域也可應用，但安裝前需預先進行海床整平。

圖1 海上測風塔結(jié)構(gòu)示意

1.2 下部浮筒分艙結(jié)構(gòu)

下部浮筒結(jié)構(gòu)基礎邊長31 m，呈四邊形分布，浮筒基礎由16根直徑1.2 m，長14 m的標準鋼管焊接組裝而成。海上測風船下部基礎浮筒礎結(jié)構(gòu)共分8個艙，每2根14 m的標準鋼管作為一個壓載艙，每個封閉的浮筒作為壓載艙結(jié)構(gòu)，并預留安裝排水管和注水管接口。下部基礎壓載浮筒分艙如圖2所示。海上測風塔下部浮筒基礎除應滿足強度、坐底的抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性，還要有足夠的干舷、儲備浮力和穩(wěn)性以滿足拖航穩(wěn)性要求和下沉、上浮的穩(wěn)性要求。

圖2 海上測風塔下部基礎浮筒分艙布置

2 海上測風塔拖航完整穩(wěn)性分析

海上測風塔為高聳的結(jié)構(gòu)，總高40 m。由于海上濕拖作業(yè)時重心較高，且測風塔結(jié)構(gòu)受風浪力作用相對較大，因此必須進行海上測風塔拖航作業(yè)時的拖行穩(wěn)性分析，保證此結(jié)構(gòu)型式的海上測風塔在海上拖航作業(yè)時的安全。

海上測風塔的穩(wěn)性和海洋浮式平臺或者船舶類似，主要是指結(jié)構(gòu)在外力作用下偏離其平衡位置而產(chǎn)生橫傾和縱傾，當外力消失時，結(jié)構(gòu)能自行恢復到原平衡位置的能力[2]。海上結(jié)構(gòu)穩(wěn)性的計算關(guān)鍵在于確定結(jié)構(gòu)的初穩(wěn)性以及受到的風傾力矩和自身的復原力矩。

本文應用國際上通用的海洋工程水動學分析軟件MOSES進行海上測風塔的模擬和穩(wěn)性計算，海上測風塔結(jié)構(gòu)件以管單元模擬，鋼材密度設置為0，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和質(zhì)量分布在MOSES中直接輸入。計算坐標系原點為海上測風塔基礎浮筒右側(cè)最低點中點，坐標系X軸方向向左，Y軸方向向下，Z軸沿型深向上。計算模型如圖3所示。

圖3 MOSES穩(wěn)性計算模型

根據(jù)規(guī)范[3]要求，對于在近海航區(qū)和無限航區(qū)，計算風傾力矩最小風速取70節(jié)。對于長距離無限航區(qū)的拖航作業(yè)，要求最小風速取100節(jié)。本文測風塔完整穩(wěn)性的校核工況最小風速取100節(jié)。受風面積為水線面以上浮筒部分及上部鋼結(jié)構(gòu)。

依據(jù)規(guī)范[3]中對測風塔完整穩(wěn)性的要求，測風塔的拖航完整穩(wěn)性需要滿足初穩(wěn)心高度GM≥0.3，GM的理論計算公式為[4]

ρ=Ix/V

(1)

GM=ρ-(Zg-Zb)

(2)

式中，ρ為穩(wěn)性半徑；V為機構(gòu)自重相對應的排水體積；Ix為浮筒水線面對X軸的面積慣性矩；Zg為重心高度；Zb為浮心高度。同時，需滿足復原力臂曲線與風壓橫傾曲線至第二交點或進水角(取較小值)處的兩曲線所包圍的面積之比值應不小于1.4，即穩(wěn)性衡準數(shù)K≥1.4，其中K=(A+C)/(B+C)，A、B、C表示面積如圖4所示。

圖4 海上測風塔穩(wěn)性分析

海上測風塔在海上拖航情況下，測風塔吃水為0.52 m，以基礎底面為零面，海上測風塔重心高度2.71 m。采用海洋工程水動學分析軟件MOSES進行完整穩(wěn)性計算。測風塔海上拖航未破艙時的風傾力臂和恢復力臂以及面積比見圖5。經(jīng)計算，海上測風塔在吃水0.52 m，風速為100節(jié)作用下進行海上濕拖時，其穩(wěn)心高度GM為203.82 m，穩(wěn)性衡準數(shù)K為4.12，兩項指標均能滿足規(guī)范要求。

圖5 完整穩(wěn)性的風傾力臂和恢復力臂以及面積比

3 海上測風塔自安裝沉浮穩(wěn)性分析

海上測風塔坐底下沉安裝是通過預留的充排水系統(tǒng)對測風塔下部浮筒各艙室進行注水，通過控制不同艙室注水順序，實現(xiàn)海上測風塔的緩慢下沉完成自安裝坐底施工。如何保證測風塔在下沉時能夠有足夠儲備浮力保證穩(wěn)性，不至于在風浪的作用下傾覆，是此測風塔設計的難點。浮式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)性計算中初穩(wěn)心高度GM是衡量浮式結(jié)構(gòu)穩(wěn)性的最主要指標。

GM=ZB+r-ZG

(3)

式中，ZB、ZG分別表示浮體結(jié)構(gòu)的浮心和重心的垂向坐標；r為穩(wěn)心半徑，r=IT/Δ，其中，IT、Δ分別為浮式結(jié)構(gòu)的水面慣性矩和排水體積。

浮體結(jié)構(gòu)的GM值必須為正才能保證浮體在風、浪流等荷載作用下不至于傾覆。一般地，浮體結(jié)構(gòu)GM數(shù)值越大，浮體的穩(wěn)性越好。由于受到測風塔浮體外形的限制，浮心調(diào)整范圍較小。那么為了使測風塔初穩(wěn)心GM更大，浮體的重心就不能太高。受測風塔結(jié)構(gòu)型式限制，浮心和重心較難調(diào)整，為滿足測風塔的下沉安裝穩(wěn)性，就必須依靠增加浮體尺度的方法，以增加結(jié)構(gòu)的水線面慣性矩來增大浮體穩(wěn)性半徑以滿足GM為較大值的要求。

本文計算的海上測風塔下部基礎尺度較大，上部的桁架結(jié)構(gòu)尺度相對下部結(jié)構(gòu)較小。測風塔下沉作業(yè)時，當測風塔下部浮筒注水下沉，浮筒剛好浸沒在海面以下時，由于上部桁架結(jié)構(gòu)的水線面慣性矩較小，且重心高于浮心，此時整個測風塔結(jié)構(gòu)的初穩(wěn)心GM<0，這意味著當測風塔結(jié)構(gòu)受到外力產(chǎn)生傾斜時，其不能依靠自身的回復力矩回到平衡狀態(tài)，平臺將傾覆于海水中。為了防止平臺傾覆，本文通過在測風塔下層鋼絲繩上增加臨時輔助氣囊來提高整個結(jié)構(gòu)的浮心Z坐標和增大水線面慣性矩，從而增大沉浮時的初穩(wěn)心高以滿足海上測風塔沉浮作業(yè)時穩(wěn)性要求。增加的臨時輔助氣囊直徑為1.2 m。海上測風塔沉浮作業(yè)的過程仍然應用MOSES軟件進行計算模擬。圖6為增加臨時輔助氣囊的海上測風塔MOSES模型。

圖6 帶輔助氣囊的海上測風塔MOSES模型

海上測風塔安裝臨時氣囊其沉浮方式有2種。第1種是平臺整個沉浮過程中，平臺沒有出現(xiàn)或者僅出現(xiàn)微小傾斜，這種沉浮方式稱為均勻沉浮。平臺首先拖航到目標海域，通過注水壓載調(diào)整平臺吃水，平臺從海平面均勻下沉，最終坐底在海床面上。第2種是在沉浮過程中，控制整個結(jié)構(gòu)先緩慢縱傾，平臺一端先接觸海床面，然后另一端在緩慢下沉直至整個平臺整體完成下沉坐底。

本文設計的海上測風塔的上下兩部分結(jié)構(gòu)主尺度相差較大，在加裝臨時輔助氣囊后，主尺度差距減小。根據(jù)此海上測風塔的結(jié)構(gòu)特點，平臺下沉作業(yè)采用傾斜下沉方式要優(yōu)于均勻下沉方式。因此，計算中也只考慮傾斜下沉方式，實際施工以計算結(jié)果作為參照。海上測風塔傾斜下沉過程見圖7。

平臺上浮過程是下沉作業(yè)的逆過程，計算過程和結(jié)果相同。實際施工中則通過向浮筒預留的排氣管充高壓氣體，排除艙體中的壓載海上實現(xiàn)海上測風塔上浮到拖航狀態(tài)。

根據(jù)規(guī)范，海上平臺的沉浮穩(wěn)性要滿足以下準則：①在整個下沉過程中，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高，對均勻沉浮應不小于0.15 m，對傾斜沉浮應不小于0.05 m；②如滿足①的要求，則可統(tǒng)一采用下沉時艙室充水壓載程序的逆過程作為平臺起浮時的卸載程序。

測風塔傾斜下沉時的姿態(tài)和初穩(wěn)心高度見表2。經(jīng)計算，加裝臨時輔助氣囊的測風塔沉浮穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

本文對一種新結(jié)構(gòu)型式海上測風塔的海上濕拖穩(wěn)性和安裝穩(wěn)性進行數(shù)值模擬，經(jīng)MOSES建模和計算，自安裝海上測風塔的拖航和安裝穩(wěn)性均滿足規(guī)范要求，說明海上測風塔下部浮筒尺寸和分艙設計可以滿足整個海上測風塔的濕拖運輸；測風塔本身結(jié)構(gòu)特點決定測風塔下沉安裝時水線面會突變引起安裝穩(wěn)性不足，臨時輔助氣囊的設計可以提供儲備浮力和提高水線面面積，在通過控制下部浮筒注水壓艙完成海上測風塔下沉坐底安裝時，臨時輔助氣囊的使用保證了下沉安裝穩(wěn)性能夠滿足規(guī)范要求。