海上風(fēng)電設(shè)備甲板運(yùn)輸駁船四錨系泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

成海亮　勞軍

【摘 要】 為滿足高風(fēng)浪條件下海上風(fēng)電機(jī)組的安全轉(zhuǎn)駁與起吊安裝作業(yè)，以載質(zhì)量 t海上風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸甲板駁船四錨系泊系統(tǒng)為例，綜合考慮吊裝及系泊安全要求，提出海上風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸甲板駁船系泊系統(tǒng)的評價指標(biāo)，基于三維勢流理論，建立風(fēng)電設(shè)備甲板運(yùn)輸駁船四錨系泊水動力模型，獲得滿足海上風(fēng)電運(yùn)輸甲板駁船系泊系統(tǒng)的評價指標(biāo)相應(yīng)的系泊設(shè)施及系纜參數(shù)，為甲板運(yùn)輸駁船海上四錨系泊提供實(shí)踐指導(dǎo)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 風(fēng)電設(shè)備;四錨系泊系統(tǒng);水動力分析

0 前 言

當(dāng)前，世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨資源銳減、環(huán)境惡化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，清潔能源的發(fā)展受到世界各國的重視。海上風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，具有湍流強(qiáng)度小、主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定、節(jié)約土地資源、風(fēng)能平穩(wěn)、無噪音及景觀污染、資源豐富、適宜于大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢，近年來發(fā)展迅速并潛力巨大。但是，惡劣的海上開發(fā)環(huán)境，導(dǎo)致了海上風(fēng)電開發(fā)成本高（開發(fā)成本是陸上風(fēng)電的1.5～2倍）。從海上風(fēng)電成本構(gòu)成來看，風(fēng)機(jī)費(fèi)用占比為40%～50%，風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)費(fèi)用占比為20%～30%，運(yùn)輸安裝及其他成本占比為20%～40%;在“3060目標(biāo)”及“平價項(xiàng)目并網(wǎng)”的大背景下，海上風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸需求和降本的壓力劇增，相比降低整機(jī)成本來說，優(yōu)化海上風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸和安裝，實(shí)現(xiàn)高風(fēng)浪條件下風(fēng)電機(jī)組的安全轉(zhuǎn)駁和起吊安裝，增加裝機(jī)可作業(yè)的時間窗口，提高施工裝機(jī)效率，從而降低海上運(yùn)輸及吊裝成本，是短期內(nèi)降本增效較為有效的途徑之一;因此，筆者以滿足過駁吊裝時所要求的船舶運(yùn)動響應(yīng)幅值的限定為目標(biāo)，對四錨系泊系統(tǒng)方案進(jìn)行了優(yōu)化，提出了滿足系泊性能指標(biāo)相應(yīng)的系泊設(shè)施及參數(shù)設(shè)置，為海上風(fēng)電設(shè)備甲板運(yùn)輸駁船海上系泊標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)依據(jù)。

1 系泊系統(tǒng)評價指標(biāo)

按照系泊力的提供方式可將定位方式分為被動式定位系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)（DP）兩類。被動式定位系統(tǒng)是目前使用最為廣泛的一種系泊系統(tǒng)類型，其是通過錨鏈或者系泊纜繩與錨將船舶與海底相連，達(dá)到約束船舶運(yùn)動的目的，其中海上風(fēng)電設(shè)備甲板運(yùn)輸駁船的四錨定位系泊（見圖1）是海上風(fēng)電施工現(xiàn)場最為常見的系泊方法。

海上風(fēng)電設(shè)備甲板運(yùn)輸駁船系泊系統(tǒng)的評價指標(biāo)主要考慮運(yùn)輸甲駁板船的運(yùn)動幅值和系泊系統(tǒng)安全性兩個方面，其指標(biāo)主要包括船舶的平動自由度運(yùn)動量（船舶縱向位移、橫向位移及升沉）、船舶的橫搖角及系泊纜的最大張緊力。

1.1 船舶4個自由度的運(yùn)動幅度

海上風(fēng)電設(shè)備的吊裝作業(yè)需在限定的海況條件下完成，其海上作業(yè)限制氣象條件主要依靠經(jīng)驗(yàn)或數(shù)值仿真獲得。受裝卸工藝的限制，甲板運(yùn)輸駁船在吊裝前需完全受系泊系統(tǒng)約束，若甲板運(yùn)輸駁船發(fā)生較大運(yùn)動，會導(dǎo)致吊裝作業(yè)無法完成。在非橫浪工況下甲板運(yùn)輸駁船作業(yè)允許運(yùn)動幅值標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.2 系泊纜的張緊力

系纜遭受過大的張緊力，將導(dǎo)致整個系泊系統(tǒng)失效，造成嚴(yán)重事故。根據(jù)相關(guān)的系泊指南，在海上過駁吊裝風(fēng)電機(jī)組設(shè)備時，甲板運(yùn)輸駁船為臨時系泊，采用系泊纜繩的張緊力應(yīng)小于其最小破斷力，并考慮一定的安全系數(shù);筆者采用動態(tài)分析方法，其系泊張緊力的安全系數(shù)為1.67。

2 系泊系統(tǒng)水動力模型

載質(zhì)量（目前航運(yùn)行業(yè)中還在使用“載重噸”）為 t海上風(fēng)電設(shè)備甲板運(yùn)輸駁船配置6.5 t無桿錨霍爾錨。載質(zhì)量為10 000 t海上風(fēng)電設(shè)備甲板運(yùn)輸駁船整體的質(zhì)量、重心和慣性半徑基本參數(shù)見表2。系纜采用鋼絲繩纜，具體參數(shù)見表3。

利用水動力軟件建立甲板運(yùn)輸駁船水動力模型，艏樓建筑根據(jù)外部尺寸進(jìn)行簡化處理，建立好的甲板運(yùn)輸駁船四錨系泊示意圖（見圖2）。

3 海況環(huán)境參數(shù)

為了獲得甲板運(yùn)輸駁船系泊系統(tǒng)在風(fēng)、浪、流載荷作用下的運(yùn)動響應(yīng)，分析載質(zhì)量為10 000 t甲板運(yùn)輸駁船在4種波高作業(yè)海況條件下系泊系統(tǒng)的運(yùn)動幅值及系纜張緊力，作業(yè)有義波高分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m，均采用Jonswap波浪譜進(jìn)行模擬;作業(yè)環(huán)境條件風(fēng)速為13.8 m/s，流速為0.9 m/s。

4 船舶四錨系泊系統(tǒng)運(yùn)動響應(yīng)分析

分析四錨系泊系統(tǒng)在4種波高作業(yè)海況下船體運(yùn)動的趨勢和錨纜張緊力，載質(zhì)量為10 000 t甲板運(yùn)輸駁船在該系泊方式下的最大運(yùn)動幅值和最大張緊力的情況見表4。

由表4可以看出：

（1）在有義高波為0.5 m的條件下，該四錨系泊系統(tǒng)能滿足海上吊裝要求對甲板運(yùn)輸駁船運(yùn)動幅值的限制;

（2）隨著有義波高的增大，甲板運(yùn)輸駁船的運(yùn)動幅值隨之增大，系泊纜的最大張緊力為 kN、安全系數(shù)為1.53，不滿足最小安全余量的要求;因此，四錨系泊系統(tǒng)是無法滿足在有義波高2.0 m及以上的風(fēng)電吊裝作業(yè)的要求。

5 四錨系泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)高風(fēng)浪條件下風(fēng)電機(jī)組的安全轉(zhuǎn)駁和起吊安裝，通過增加纜繩的預(yù)張力，增強(qiáng)被系泊船舶的耐波性，從而達(dá)到減少船舶運(yùn)動幅值的目的。通過對載質(zhì)量為10 000 t甲板運(yùn)輸駁船在不同預(yù)張力下的水動力分析，得到甲板運(yùn)輸駁船運(yùn)動幅值響應(yīng)和系纜張緊力（見表5），并對其方案的可行性和合理性進(jìn)行技術(shù)論證和綜合評估。

6 結(jié) 語

（1）由載質(zhì)量為10 000 t甲板運(yùn)輸駁船的預(yù)張力從150 kN增加到260 kN的試驗(yàn)結(jié)果可知：船舶運(yùn)動幅值有所減小，每根系泊纜張緊力相應(yīng)增加，但預(yù)張力在200 kN以上繼續(xù)增加時，其對降低船舶的運(yùn)動幅值已不明顯;當(dāng)預(yù)張力提高為260 kN時，載質(zhì)量為10 000 t甲板運(yùn)輸駁船能滿足1.5 m波高下吊裝作業(yè)的要求，即被系泊的甲板運(yùn)輸駁船運(yùn)動幅值及系纜強(qiáng)度均滿足風(fēng)電機(jī)組起吊安裝要求。

（2）兼顧吊裝對甲板運(yùn)輸駁船的運(yùn)動幅值及系泊系統(tǒng)的安全要求，在波高1.5 m以下的，建議采用四錨定位系泊的載質(zhì)量為10 000 t甲板運(yùn)輸駁船的預(yù)張力設(shè)置為260 kN。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉必勁，孫昭晨，張志明，等. 橫浪作用下大型開敞式碼頭系泊船舶運(yùn)動量研究[J]. 水運(yùn)工程，2008（8）：94-97.657DF0DD-B6FA-4AF4-B9A0-D7EC965C37B8