半潛駁改造坐底式風(fēng)電安裝船關(guān)鍵技術(shù)

張吉海，金 曄，陳 波，蔡舒鵬

（1.中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司，廣東珠海 519000；2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

海上風(fēng)電[1]是可再生清潔能源，具有風(fēng)資源大、風(fēng)能密度高、風(fēng)湍流小、發(fā)電量大、環(huán)境影響小、靠近工業(yè)中心輸送距離短、電網(wǎng)消納能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國(guó)的高度重視與大力發(fā)展。我國(guó)風(fēng)能資源十分豐富，具備大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電的先天條件[2]，隨著清潔能源的開(kāi)發(fā)推廣，在節(jié)能減排、氣候變化、能源短缺及能源供應(yīng)安全形勢(shì)日趨嚴(yán)峻的大形勢(shì)下，海上風(fēng)電成為綠色能源開(kāi)發(fā)的主要方向[3]。海上風(fēng)電安裝裝備是制約海上風(fēng)電快速發(fā)展的最主要原因[4]。歐洲市場(chǎng)對(duì)海上風(fēng)電施工裝備的研發(fā)已有30年，已形成一套從研發(fā)、建造、試驗(yàn)、改進(jìn)等一套完整的體系流程[5]；而國(guó)內(nèi)對(duì)于海上風(fēng)電施工裝備的研發(fā)尚處于初級(jí)階段[6]。根據(jù)當(dāng)前風(fēng)電安裝船施工效率，平均每月最多4～5臺(tái)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有風(fēng)電安裝設(shè)備已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足在建海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)安裝的需要[7]。

目前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)機(jī)安裝作業(yè)主要有兩種型式的風(fēng)電安裝船：自升式[8]和坐底式[9]。其中坐底式風(fēng)電安裝船通過(guò)自身的壓載系統(tǒng)調(diào)節(jié)自重使船體緩慢、穩(wěn)定地下沉并與海底泥面接觸，利用泥面的支撐力保持船體平穩(wěn)，從而進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)安裝作業(yè)，適用于近海淺水區(qū)作業(yè)。王憲森等[10]研究了1 600 t坐底安裝船改造過(guò)程中的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題；閆方超等[11]對(duì)坐底式風(fēng)電安裝船的坐底強(qiáng)度進(jìn)行了有限元計(jì)算校核，為其設(shè)計(jì)和改造提供了借鑒；陸梅興等[12]研制了一套船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于半潛駁改造為坐底式風(fēng)電安裝船后對(duì)砂性地質(zhì)條件引起的沖刷和船底掏空的監(jiān)控；高民[13]使用商用軟件FLUENT對(duì)風(fēng)電安裝船坐底沖刷條件下的總體強(qiáng)度進(jìn)行了研究。本文以“鐵建潛01”船為例，從功能定位、參數(shù)選型等方面對(duì)半潛駁改造坐底式風(fēng)電安裝船進(jìn)行了改造技術(shù)分析，使目標(biāo)船能更好地發(fā)揮自身性能，進(jìn)一步增強(qiáng)了我國(guó)海上風(fēng)電建設(shè)裝備實(shí)力。

1 項(xiàng)目概況及目標(biāo)船

1.1 項(xiàng)目概況

江蘇華爾銳啟東H3#項(xiàng)目位于江蘇啟東近海海域，風(fēng)電場(chǎng)址中心距岸約37 km，海底地形較為平緩，屬于南黃海濱海相沉積地貌單元。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地基土表層以粉砂為主，水深10～16 m。啟東H3#風(fēng)電場(chǎng)區(qū)呈梯形狀分布，東西跨度約16 km，南北跨度約2.7 km，規(guī)劃海域面積43 km2。該施工海域潮汐特征屬正規(guī)半日潮海區(qū)。

1.2 目標(biāo)船簡(jiǎn)介

目標(biāo)船“鐵建潛01”原是一艘具有10 000 t級(jí)舉力的帶輔助推進(jìn)非自航半潛甲板駁。箱形船體、四角塔樓、艏艉船底斜切、舉升甲板無(wú)脊弧無(wú)梁拱、圓弧舭部、單底單甲板鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)。船舶主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 船舶主要技術(shù)參數(shù)

2 功能定位

2.1 綜合要求

為緩解國(guó)內(nèi)風(fēng)電安裝船高度緊缺、風(fēng)電安裝能力嚴(yán)重不足的局面，擬在保持“鐵建潛01”原船尺寸不變的情況下，對(duì)該目標(biāo)船進(jìn)行改造：新增1個(gè)工作平臺(tái)、1臺(tái)主起重機(jī)和1臺(tái)輔起重機(jī)及相關(guān)配套，最終滿足國(guó)內(nèi)近海淺水區(qū)7 MW以下風(fēng)機(jī)安裝要求。

改造完成后，該船以半潛坐底的方式進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝施工，即通過(guò)壓載海水使船體坐底，利用坐底穩(wěn)性及海床支持力完成精確定位后進(jìn)行風(fēng)機(jī)組件的吊裝施工。該施工工藝能降低海況條件對(duì)起重機(jī)作業(yè)的工況限制，提高近海淺水區(qū)的風(fēng)機(jī)安裝能力，為縮短風(fēng)機(jī)安裝周期和降低施工成本創(chuàng)造了先決條件。

2.2 主起重機(jī)選型

主起重機(jī)類型及大小的選取將考慮現(xiàn)有項(xiàng)目的風(fēng)機(jī)組件的重量及不同風(fēng)機(jī)吊裝需要的吊裝高度，同時(shí)兼顧到未來(lái)海上風(fēng)電市場(chǎng)風(fēng)機(jī)增大所需的起重機(jī)規(guī)格。“鐵建潛01”改造用起重機(jī)可選方案有兩種。

（1）海工吊方案

“鐵建潛01”改造起重機(jī)使用海工吊加筒體方案，即使用該筒體連接起重機(jī)基座和船底部分，同時(shí)通過(guò)增加筒體高度來(lái)提高海工吊吊高。海工吊方案具有較好的穩(wěn)定性、適應(yīng)性、安全性，且不配置超起，占地面積小，受風(fēng)浪影響小，對(duì)海床要求不高等特點(diǎn)。

海工吊按類別可分為：全回轉(zhuǎn)起重機(jī)和非全回轉(zhuǎn)起重機(jī)。起重機(jī)按起吊方式可分為：?jiǎn)毋^頭起吊、多鉤頭起吊及分別采用單鉤吊裝和雙鉤或多鉤吊裝。中交三航局半潛駁改造船“三航工5”采用的為360°全回轉(zhuǎn)海工吊單鉤方案。如圖1所示。

圖1 “三航工5”海工吊方案

（2）履帶吊方案

履帶吊方案是將1 260 t或1 600 t履帶吊放置在工裝平臺(tái)上，利用履帶吊來(lái)吊裝風(fēng)機(jī)組件的方案。該方案具有改造速度快，且改造船舶易恢復(fù)等特點(diǎn)，中交三航局半潛駁改裝船“航工半潛駁3號(hào)”采用的為履帶吊方案。如圖2所示。

圖2 “航工半潛駁5號(hào)”履帶吊方案

海工吊方案和履帶吊方案的選取將從安全適用、操作穩(wěn)定等方面綜合考慮，兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)分析如表2所示。

表2 海工吊方案與履帶吊方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

經(jīng)分析比較，海工吊方案相較于履帶吊方案更具安全性、適用性、操作性與穩(wěn)定性。履帶吊在有現(xiàn)貨時(shí)安裝較快，但是無(wú)現(xiàn)貨時(shí)，備貨周期較海工吊更長(zhǎng)，且施工安全性較低，經(jīng)方案認(rèn)證海工吊方案更適合“鐵建潛01”改造為坐底式風(fēng)電安裝船的起重機(jī)。同時(shí)，根據(jù)半潛坐底式風(fēng)電安裝船的施工工藝，起重機(jī)宜選用360°全回轉(zhuǎn)起重機(jī)，起吊方式單鉤頭吊重。

2.3 定位能力

由于坐底施工工藝對(duì)船舶坐底時(shí)的縱、橫傾斜度要求較高，需要隨時(shí)監(jiān)控船體海床地質(zhì)變化情況，以便調(diào)整其橫縱傾和水平度。通常采用的定位系統(tǒng)有DP動(dòng)力定位系統(tǒng)和錨泊定位系統(tǒng)兩種。

我國(guó)現(xiàn)有自升式風(fēng)電安裝船，大部分采用錨泊定位系統(tǒng)或DP-1動(dòng)力定位系統(tǒng)，少數(shù)采用DP-2動(dòng)力定位系統(tǒng)。錨泊定位系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，成本較低，但每次定位需要錨艇配合作業(yè)，拋起錨作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)。我國(guó)現(xiàn)有坐底式風(fēng)電安裝船幾乎都采用了錨泊定位系統(tǒng)，“鐵建潛01”改造船由于其坐底特性，將采用系泊錨機(jī)的方式來(lái)進(jìn)行船舶定位。

綜上所述，“鐵建潛01”改造船的功能定位以半潛坐底式風(fēng)機(jī)安裝工藝滿足在江蘇華爾銳啟東H3#以及江浙等其他淺水區(qū)海域風(fēng)電項(xiàng)目施工為目的。改造后船舶在下潛和上浮的過(guò)程中各項(xiàng)工況都要滿足穩(wěn)性要求[14]，以求最大可能完成7 MW及以下風(fēng)機(jī)安裝施工任務(wù)。

3 主要參數(shù)確定

3.1 主起重機(jī)

“鐵建潛01”改造船的主起重機(jī)的參數(shù)確定主要依托啟東H3#項(xiàng)目風(fēng)機(jī)組件的重量及尺寸，啟東H3#項(xiàng)目風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)如表3所示。由表可知，啟東H3#項(xiàng)目風(fēng)機(jī)組件最大吊重在276 t，考慮起重吊具及起重機(jī)適應(yīng)性，“鐵建潛01”改造船的主起重機(jī)最大起重能力在350 t為宜，且考慮船舶施工安全距離15 m，主起重機(jī)中心距船舶舷外15 m。因此，該改造船主起重機(jī)吊重參數(shù)選定需滿足350t@30m。

表3 啟東H3#項(xiàng)目風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

啟東H3#項(xiàng)目各類風(fēng)機(jī)安裝時(shí)所需吊高最高為吊鉤離海平面最低高度加平均最高潮位水深即130 m+17.5 m≈148 m（含吊具、吊鉤高度、水深），而“鐵建潛01”型深6 m，即主起重機(jī)主鉤跨距30 m時(shí)吊鉤距舉升甲板約142 m。

3.2 輔起重機(jī)

輔起重機(jī)主要用于風(fēng)機(jī)組件的調(diào)駁以及葉輪組拼后吊裝時(shí)溜尾作業(yè)。在進(jìn)行風(fēng)機(jī)組件的吊裝時(shí)，底段塔筒由于電氣設(shè)備安裝問(wèn)題通常采用立式運(yùn)輸，即使用主起重機(jī)直接吊裝風(fēng)機(jī)底段塔筒至機(jī)位基礎(chǔ)上，其他段塔筒采用主輔起重機(jī)抬吊翻身或由專用吊具翻身后，主起重機(jī)吊裝至底段塔筒之上。其主要參數(shù)質(zhì)量如表4所示。由表可知，風(fēng)機(jī)組件吊裝時(shí)，取次重段塔筒數(shù)據(jù)，4種機(jī)型最重段塔筒最重為120 t，主輔起重機(jī)配合抬吊，考慮船舶施工靠泊間隙10～15 m，輔起重機(jī)基座中心距舷外5 m，因此輔助起重機(jī)參數(shù)需滿足60t@20m才能正常吊裝。

表4 啟東H3#項(xiàng)目風(fēng)機(jī)組件參數(shù)

由于輔起重機(jī)主要用于葉輪吊溜尾作業(yè)，因葉片長(zhǎng)度約為80 m，在葉輪吊起吊時(shí)需提高至甲板面45 m以上，再緩慢移動(dòng)至舷外；考慮輔起重機(jī)吊鉤高度及吊具長(zhǎng)度約15 m，因此輔起重機(jī)的吊高需到舉升甲板面60 m以上。

3.3 坐底能力

“鐵建潛01”改造船由于其獨(dú)特的船舶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠滿足0～18 m水深范圍內(nèi)的施工作業(yè)。原空船質(zhì)量約5 310 t，改裝后空船質(zhì)量增加約2 900 t，共計(jì)約8 200 t；改裝后，空船平浮吃水約3.0 m。其改造后各部件的主要質(zhì)量如表5所示。

表5 改造后新增質(zhì)量參數(shù)表

3.4 工裝平臺(tái)

“鐵建潛01”改造船在舉升甲板以上增加一個(gè)工裝平臺(tái)，桁架式工裝平臺(tái)與舉升甲板以焊接形式連接，用于堆放風(fēng)機(jī)組件以及專用吊索具、工具用具等，平臺(tái)由鋼管桁架支撐于舉升甲板上。

由于該改造船經(jīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算最大作業(yè)深度為18 m，即舉升甲板以上12 m，海浪高度富裕3 m，即增加3 m下沉深度，即“鐵建潛01”改造船最大作業(yè)水深18 m，最大坐底自沉水深為21 m，工裝平臺(tái)總面積約1 900 m2。

3.5 定位系統(tǒng)

鑒于DP動(dòng)力定位系統(tǒng)價(jià)格昂貴，且改造時(shí)間較長(zhǎng)，“鐵建潛01”由于其改造的特殊性將采用錨泊定位系統(tǒng)。為滿足施工海域風(fēng)、浪、流綜合作用力下的作業(yè)條件，根據(jù)計(jì)算每臺(tái)電動(dòng)定位錨機(jī)的額定能力為30 t，并配置5.85 t的AC-14大抓力錨，錨索端配備短錨鏈。

3.6 抗滑移能力

為加強(qiáng)改造后的抗傾斜、抗滑移能力，避免坐底后由于海底涌浪及地質(zhì)原因?qū)е麓盎?，在船體四周增加5個(gè)抗滑移樁位，3根抗滑樁。在每根抗滑樁的布置位置處船體上下各設(shè)置1個(gè)船體基座，抗滑樁長(zhǎng)約30 m，直徑1.6 m，壁厚25～30 mm。抗滑樁的增加能有效監(jiān)控坐底式平臺(tái)在定位作業(yè)過(guò)程中遭遇的地基液化、淘空、滑移問(wèn)題。

船舶在坐底作業(yè)時(shí)改變了周圍水流的流速和流態(tài)，造成一定程度的海底沖刷，沖刷的程度與地基狀況、船舶結(jié)構(gòu)及潮流變化等因素有關(guān)[15]。當(dāng)施工區(qū)域船底由于流急等海洋水文原因?qū)е潞４矝_刷嚴(yán)重時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致船舶坐底應(yīng)力變化，即造成集中受力的情況，且這種情況較難通過(guò)理論進(jìn)行計(jì)算得出。為防止這類情況的發(fā)生，需裝備各類檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)對(duì)船底情況進(jìn)行檢測(cè)，避免由于船底掏空和傾斜造成船舶損壞[16]。

3.7 改造后的坐底式風(fēng)電安裝船

“鐵建潛01”以原船尺寸為基礎(chǔ)，增加了主起重機(jī)、輔起重機(jī)、工裝平臺(tái)，在保有原坐底能力的情況下，增加了大型起重功能，最終確定了改造后的參數(shù)如表6所示。

表6 改造后的坐底式風(fēng)電安裝船性能參數(shù)

3.8 經(jīng)濟(jì)性分析

“鐵建潛01”原值為6 196萬(wàn)元，船齡5年，改造時(shí)凈值為5 019萬(wàn)元，改造新增投入約9 360萬(wàn)元。與新造一臺(tái)同等級(jí)施工能力的海上風(fēng)電安裝平臺(tái)相比，不僅大幅度節(jié)約了成本，建造時(shí)間也大幅縮短，同時(shí)搶占了市場(chǎng)先機(jī)。

研制的新型半潛坐底式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)，其坐底和起浮等工序作業(yè)時(shí)間平均為8 h，每月風(fēng)機(jī)安裝臺(tái)數(shù)為2.5～3臺(tái)風(fēng)機(jī)，年安裝月份總計(jì)10個(gè)月，年安裝風(fēng)機(jī)總臺(tái)數(shù)為25～30臺(tái)風(fēng)機(jī)。船舶改造實(shí)施周期是2年，1年內(nèi)完成改建投入使用，根據(jù)目前市場(chǎng)上安裝一臺(tái)風(fēng)機(jī)報(bào)價(jià)300～400萬(wàn)元，預(yù)計(jì)1年可產(chǎn)生7 500～12 000萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)一種適用于國(guó)內(nèi)近海淺水區(qū)的半潛坐底式風(fēng)電安裝船改造及其功能定位和參數(shù)選型等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，通過(guò)以上配置分析，該坐底式風(fēng)電安裝船具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）受涌浪等條件影響相對(duì)較小。主動(dòng)坐底式施工工藝無(wú)需插拔樁和保供壓操作工序，施工較便捷，上浮和下潛等船舶操作時(shí)間較短，省去了支腿船插拔腿和保壓的時(shí)間，時(shí)效性更強(qiáng)。

（2）能夠適用自升式風(fēng)電安裝船無(wú)法站樁的近海潮間帶及淤泥較厚地帶的風(fēng)電場(chǎng)施工。

（3）主起重機(jī)采用最大起重能力600 t的海工吊，性能穩(wěn)定，安全可靠，可滿足近海7 MW及以下風(fēng)機(jī)作業(yè)高度和起吊重量要求。

（4）具備抗滑移功能，坐底施工穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性更高。同時(shí)具備應(yīng)力檢測(cè)和船底掏空系統(tǒng)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理由于海底地質(zhì)原因?qū)е碌暮５讻_刷、船體傾斜等。

綜上所述，半潛坐底式風(fēng)電安裝船與自升式平臺(tái)船可形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和資源互換，半潛駁改造風(fēng)電船將緩解國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)安裝施工的壓力，進(jìn)一步推進(jìn)“3060”碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的進(jìn)程。