海上風電安裝船技術(shù)發(fā)展趨勢及突圍路徑

中國電建集團貴州工程有限公司 王 坤 甘國民

國家能源局在“十二五”規(guī)劃中提出在2015年風電規(guī)劃裝機容量在1億千瓦左右，而海上風電就達到了500萬千瓦，“十三五”規(guī)劃提升至了2.1億千瓦，其中海上風電500萬千瓦，另外隨著各地區(qū)相繼響應(yīng)“十四五”規(guī)劃，在碳達峰、碳中和的政策引導下《風能北京宣言》發(fā)布，呼吁“十四五”期間年均新增風電裝機容量50GW以上，風電行業(yè)裝機容量有望突破新高，由此可知海上風電的受重視程度是較高的。

1 海上風電安裝船分類

1.1 起重船與坐底式風電安裝船

起重船擁有較強的自航能力，起重機械也可直接進行安裝，對其加以利用可保證風機機組順利運送到指定地點并完成相關(guān)的安裝作業(yè)。這里需指出，水深產(chǎn)生的限制較大，如在淺水區(qū)進行作業(yè)吃水線是必須要重點關(guān)注的。此類船只有著明顯的優(yōu)勢，移動速度相對較快且操作較為簡單，費用支出可控制在合理范圍內(nèi)。然而其也有明顯不足，就是天氣、波浪產(chǎn)生的影響較大，工期控制有一定難度，安裝穩(wěn)定性也是無法保證的，相較于自升式安裝船實際應(yīng)用存在限制。

在沿海灘涂、極淺水域展開安裝的過程中應(yīng)要選擇適宜的安裝船，當下常用的是坐底式風電安裝船，簡單來說就是對潮水壓力、壓載系統(tǒng)加以利用，確保坐底能夠順利達成，而對其進行固定時則應(yīng)選用錨泊系統(tǒng)，這樣就可使得吊裝、安裝順利完成。此種船只在穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢，然而水深帶來的限制較大，想要實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)移不太可能，此外要確保船底強度能夠達到要求。此類船只的應(yīng)用范圍局限于沿海灘涂、極淺水域，而當下的海上風電建設(shè)呈現(xiàn)出深度加大的趨勢，這就使其實用性明顯降低。

1.2 自升式與自航自升式風電安裝船

在對海上風電安裝船予以應(yīng)用時應(yīng)保證選擇最合適的，而自升式風電安裝船的運用是最為常見的。此種類型安裝船樁腿數(shù)量通常在4至6個間，運抵現(xiàn)場后須確保樁腿插入更為順利，同時要保證平臺能夠真正固定到位。在此之后則要對升降裝置加以利用，確保船體能上升至合適位置，在此過程中應(yīng)將大型起重機的作用充分發(fā)揮出來。其優(yōu)勢較為明顯，有著較大甲板，就可保證風機裝載更為便利，整個作業(yè)也呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。當然問題也客觀存在，船只并不擁有自航能力，因而對拖船的依賴性較大，現(xiàn)場移位所需時間較長，操控也不夠靈活，海況條件也要滿足要求方可進行作業(yè)。

自航自升式風電安裝船是將自升式平臺、浮式船舶具有的優(yōu)點加以結(jié)合，在自航能力、操縱性等方面具有明顯優(yōu)勢，可在短時間內(nèi)完成安裝、移位，風機運載能力也較強，打樁作業(yè)能夠順利完成，吊裝的整體效率也會有明顯提高，在展開海上風電建設(shè)過程中此種船舶的應(yīng)用效果是最為理想的。中遠海運船務(wù)公司擁有此類船舶4艘，使用的實際情況表現(xiàn)較為優(yōu)越。在2019年購置的“鐵建風01”擁有的功能更為全面，自升平臺、打樁施工、起重安裝、動力定位、自航運輸以及智能管理等能實現(xiàn)集成，是一艘自主研發(fā)的自航自升式風電安裝船，整個設(shè)計、建造工作均在國內(nèi)完成。其樁腿的長度達到了85m，甲板作業(yè)面共有2500m2，續(xù)航能力則達到3000nmile，海面臺風達到16級或海況較為惡劣時依然能夠保證安裝精度，其具有的起重能力在同類船舶中也處于領(lǐng)先位置。

1.3 改造安裝船

由于海上風電安裝船的緊缺且面臨著沉重履約任務(wù)，非自航半潛駁船和鉆井平臺改造成安裝船成為一種有效出路。改造后的安裝船具有諸多優(yōu)點，在抗風能力、操作穩(wěn)定性、作業(yè)效率等方面優(yōu)勢顯著。目前改造成功的有非自航半潛駁船改造的“正力潛19000”、鉆井平臺改造的“護衛(wèi)”號、JU2000E 鉆井平臺改造的“國信”號、CJ46-X100-D 鉆井平臺改造的“國瑄”號等，分別在福建平海灣三期風電場、廣東陽江青洲三500兆瓦海上風電場等海上風電項目得到運用，具有安裝7.0MW以下風機向8.0MW 以上海上風機安裝、淺海向深海風電作業(yè)的變化趨勢。

從鉆井平臺改造來看，涉及鉆井包、懸臂梁、井架及相關(guān)管系的拆除和滑移，電力系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、甲板下布置等改造，還有新增結(jié)構(gòu)如履帶吊及行走軌道、雜物吊、吊車擱架、鉤箱、尾部作業(yè)平臺及其他輔助結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)海上風電機組塔筒吊裝及翻身、機艙吊裝、葉片吊裝、葉輪吊裝及翻身等作業(yè)，并滿足單葉片吊裝、葉輪組合吊裝等不同吊裝方式。

由于吊裝平臺樁腿長且為3根三角桁架式、樁靴面積大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、起重能力強，適用大容量、深海海上風電機組的吊裝。鉆井平臺涉及的改造項目比較多、改造時間長、需拖航船只待命、插拔樁費事費力等缺點，導致改造費用高昂，雖緩解了海上風電安裝船的緊張局勢，但只能解決短期內(nèi)需求，長期考慮還需從設(shè)計方面著手研究新的安裝船，改造目的只適用于解決短期內(nèi)的需求，在后續(xù)安裝船的發(fā)展趨勢下購買或租賃成品顯得更具有利用價值。

2 海上風電安裝船的技術(shù)要點

若想保證海上風電安裝船得到充分利用，須對其技術(shù)要點有清晰認知。自升式風力安裝船和自升式鉆進平臺有明顯區(qū)別，其重量不大且插裝、拔樁較為頻繁，能在短時間內(nèi)升降。通常在船尾處要設(shè)置功率較大的起重機，這要求站立能夠保持平穩(wěn)狀態(tài)，所以要對結(jié)構(gòu)設(shè)計及設(shè)備布置等加以重點關(guān)注。

2.1 樁腿設(shè)計

對作業(yè)水深、船體結(jié)構(gòu)等類的因素要有切實了解，在此基礎(chǔ)上將樁腿數(shù)量予以確定，同時要保證結(jié)構(gòu)形式是最為合適的，通常樁腿數(shù)量應(yīng)在4至6根之間，而且大多選用的是圓柱形結(jié)構(gòu)，但桁架式結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，有較強的抗風浪能力，通常設(shè)置3根樁腿。需出的是，必須要保證其結(jié)構(gòu)強度能達到要求，在設(shè)計過程中需對幾種工況加以關(guān)注。

首先是拖航、自航工況，我國已頒布實施的《海上移動平臺入級規(guī)范》中針對船體運動的相關(guān)要求進行了細化，搖擺慣性力及傾斜角度均得到了明確，在此基礎(chǔ)上完成強度校核；其次是站立工況，除要考慮平臺自身的重量外，同時要對風浪流外載荷加以重視，在此基礎(chǔ)上將樁腿強度予以明確，特別是要關(guān)注的是下固樁楔塊樁靴；再次是預(yù)壓、升船工況，其并不屬于控制工況，需注意的是極端天氣帶來的實際影響。

2.2 樁靴設(shè)計

整個設(shè)計過程中須對樁靴予以重視，其形式、大小均要作為關(guān)注重點，要選擇合適的施工裝備，作業(yè)效率也須提升，且要在短時間內(nèi)完成拔插樁，所以要保證插樁深度最為合適，對海底地質(zhì)條件有切實的了解，在基礎(chǔ)上確定樁底壓強，各種影響因素均要納入考慮范圍，保證選擇是最為合適的。若想保證結(jié)構(gòu)強度設(shè)計能做到位，須對以下工況予以關(guān)注：首先是預(yù)壓工況，也就是使得預(yù)壓載荷真正做到同心分部；其次是作業(yè)工況，需關(guān)注最大樁腿反力，了解其對樁靴產(chǎn)生的實際作用；再次是特殊工況，樁腿所具有的最大垂直反力應(yīng)加以重視，確定其對樁靴底部能夠造成的實際影響。

2.3 船體設(shè)計

海上風電安裝船、平板駁船的相似度較高，前者在長寬比值方面更大。需指出的是，對圍阱結(jié)構(gòu)區(qū)域進行設(shè)置時須要慎之又慎，站立作業(yè)過程中須保證過度中垂能切實避免。設(shè)計過程中應(yīng)對甲板載荷加以關(guān)注，保證分布是最為合理的，結(jié)構(gòu)尺寸須保證更加科學，即保證板厚、型材最為合適，從船體結(jié)構(gòu)強度角度須對以下工況加以關(guān)注。

一是拖航、自航工況。當船體處于漂浮狀態(tài)時，針對結(jié)構(gòu)強度予以分析，特別是要對樁腿搖擺時固樁區(qū)域?qū)嶋H情況有切實了解；二是站立工況。要對正常作業(yè)、風暴期間船體具有的強度加以分析，其屬于控制工況；三是預(yù)壓工況、升船工況。預(yù)壓、拔樁發(fā)生危險的幾率較高，要從實際情況出發(fā)來對船體強度展開全面分析。整體強度設(shè)計須做到位，要對局部強度加以重視，即要將設(shè)備底座、升降圍阱區(qū)域及直升機甲板均納入到考慮范圍中。另外拖航穩(wěn)性及站立穩(wěn)性須要和規(guī)范要求相符合。

2.4 升降系統(tǒng)設(shè)計

海上風電安裝船實際應(yīng)用時須對作業(yè)安全性加以重視，而要達成這個目標，使用的升降系統(tǒng)切不可出現(xiàn)任何安全問題。需指出的是，當前使用的升降裝置較為多樣，其中普遍使用的有電動齒輪齒條式、液壓油缸頂升式及鋼絲繩式，且不同形式各有優(yōu)點與不足。

動齒輪齒條式已較成熟，可在短時間內(nèi)實現(xiàn)升降，但頻繁升降會導致齒輪、齒條損壞，使用壽命必然受到影響；鋼絲繩式也得到普遍應(yīng)用，但在安全性及可靠性等方面存在問題，因而使用范圍受到限制。從海上風電安裝平臺現(xiàn)狀看，液壓油缸頂升式的應(yīng)用較為常見，為保證應(yīng)用效果更理想，須對插銷、環(huán)梁及液壓系統(tǒng)的設(shè)計予以重視，而電動齒輪齒條式則要保證齒輪及齒條強度最為合適，傳動系統(tǒng)、軸承強度等方面的設(shè)計也須做到位，升降裝置公差、升降系統(tǒng)基礎(chǔ)等設(shè)計也應(yīng)予以強化。

2.5 其他部分設(shè)計

吊機底座設(shè)計。海上風電安裝船需配備合適的起重機，在將吊重能力明確后，對底座的形式、位置加以確定，并要保證和船體有效連接。要保證吊機底座屈服強度以及屈曲強度的設(shè)計是最為合理的，支撐肘板也應(yīng)該要完成疲勞設(shè)計，確保和既定的標準要求是相符的。

穩(wěn)性設(shè)計。需對漂浮穩(wěn)性、站立穩(wěn)性均加以重視。海上風電安裝船的船舷并不大，艙室采用集中布置方式，在展開穩(wěn)性分析過程中，平臺穩(wěn)性、船艙穩(wěn)性時須加以重點關(guān)注。展開站立穩(wěn)性分析的過程中，舷外起吊、環(huán)境載荷保持同一方向的話，須對最壞影響予以關(guān)注。簡單來說就是要保證機電設(shè)備、防火設(shè)備、消防設(shè)備等方面的設(shè)計是最為合理的，其和自升式平臺并不存在明顯差異，但要保證和現(xiàn)行規(guī)范標準相符。

3 海上風電安裝船的發(fā)展趨勢與思考

從早期安裝船舶來說，通常是對海洋工程船舶進行改造，然而在風機變大之后，船舶規(guī)模過小的話，起重的能力、高度就很難得到滿足，而且使用的過程中還會導致機動能力以及定位性能難以保證，一旦風浪過大的話，作業(yè)就難以展開，效率也變得較為低下。所以在設(shè)計海上風電場的過程中，必須要保證安裝裝備能夠滿足需要。在現(xiàn)階段，海上風險呈現(xiàn)出深水發(fā)展趨勢，因而要對海上風電安裝船予以改變。

適用水深明顯增加。在當前時期，海上風電場建設(shè)工作成為關(guān)注的重點，而且深水逐漸成為主要的建設(shè)場地，而要保證相關(guān)工作順利展開，安裝設(shè)備應(yīng)該要能夠具有較強的適應(yīng)力。眾所周知，灘涂水深能夠達到60米，當浮式風機更為成熟之后，海上風電安裝船必須要確保使用水深能夠有大幅增加。

主吊能力明顯加大?，F(xiàn)階段海上風機功率呈現(xiàn)逐漸加大趨勢，8.3MW 海上風機已得到應(yīng)用，其重量也非常大。采用一體化吊裝方式可使成本控制在合理范圍內(nèi)，效率也會大幅提升，而要實現(xiàn)這個目標，安裝設(shè)備須具有更強的吊裝能力。當下的海上風電安裝平臺吊裝能力可達到800至1200噸，已研制出主吊能力達到1600噸的風電安裝船；主甲板可用面積大幅增加。若想保證安裝效率有明顯提升，須保證風機設(shè)備能滿足實際需要，安裝船須具有更大運載能力，這就要求主甲板面積滿足需要，才能和當下發(fā)展需求相適應(yīng)。

主甲板具有的承載能力切實增強。在展開風電設(shè)備安裝時設(shè)備重量持續(xù)加大，安裝能力也得到提升，這就要求主甲板須擁有較強承載能力，當前已達到20t/m2，且呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢；功能會得到進一步完善。從海上風電場建設(shè)現(xiàn)狀看，須保證風電安裝船具有更為全面的功能且人員承載能力要提升，直升機甲板也是不可缺少的。

關(guān)鍵部門要重視海上風電開發(fā)。職能部門要認識到海上風電開發(fā)的重要性，并將支持、引導作用展現(xiàn)出來。海上風電開發(fā)涵蓋領(lǐng)域較多，不同單位的認知也不同，管理標準也未能統(tǒng)一，因而相關(guān)部門要完成好溝通、協(xié)調(diào)等工作，尋找可行途徑保證管理更具實效性，使得海上風電行業(yè)能保持穩(wěn)健發(fā)展，這對海上風電安裝船發(fā)展也可起到促進作用。

需擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的安裝船。對海上風電安裝船予以大力開發(fā)，尤其要保證船型產(chǎn)品擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。我國擁有海上風電安裝船設(shè)計能力的企業(yè)不多，且在展開船型開發(fā)時將市場需求作為出發(fā)點，使產(chǎn)品未能實現(xiàn)系列化。海上風電開發(fā)的受重視程度大幅提升，要求設(shè)計單位切實完成好研發(fā)工作，確保船型產(chǎn)品真正擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，并能在國際市場中具有較強競爭能力。