玉環(huán)海域風(fēng)機(jī)安裝船舶適用性分析

王玉林，顧鵬程，李志環(huán)

（1.華電重工股份有限公司，北京 100160；2.中交路建海上工程公司，上海 201100）

1 工程簡(jiǎn)述

華電玉環(huán)1 號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目一期工程位于浙江省玉環(huán)市近海海域，場(chǎng)區(qū)中心離岸距離約15.8km。場(chǎng)區(qū)水深7～10m，海底地形較平坦，為濱海相沉積地貌單元。風(fēng)場(chǎng)位置水下灘面地形較平緩，場(chǎng)區(qū)內(nèi)表層土以淤泥質(zhì)土為主，海底泥面高程在-9.20～-7.00m（本文標(biāo)高基準(zhǔn)面均為85 高程）之間，表層淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚度達(dá)15m～40m。[2]

2 風(fēng)機(jī)安裝船舶類型介紹

目前，風(fēng)機(jī)安裝船舶大致分為浮吊船、自升式起重船、坐底安裝船三種[4][7]。

（1）浮吊船。配備DP 系統(tǒng)的浮式起重船是利用DP 系統(tǒng)來抵消風(fēng)、浪、流等其它自然條件對(duì)海上風(fēng)機(jī)安裝船舶穩(wěn)性的不利影響，可以有效的改善浮態(tài)起重吊裝的應(yīng)用條件。

（2）自升式起重船。自升式起重船是通過電動(dòng)液壓或電動(dòng)齒輪條式升降裝置帶動(dòng)樁腿升降，將船體升至脫離海面的一定高度，可以有效規(guī)避浪、流對(duì)船舶穩(wěn)性的干擾，應(yīng)用最為廣泛。

（3）坐底安裝船。坐底安裝船是采用船舶坐底（船舶坐入泥質(zhì)或沙質(zhì)海床）的方式來提高施工時(shí)的船舶穩(wěn)性。通過控制壓載艙內(nèi)外海水的進(jìn)出使船舶實(shí)現(xiàn)下潛坐底和上浮。按吊機(jī)型式分，常見的坐底安裝船又分為海工吊、履帶吊兩種[5][6]。

3 功能性分析

3.1 起重性能

本項(xiàng)目安裝的是東方電氣7MW 直驅(qū)永磁型風(fēng)力發(fā)電機(jī)型，風(fēng)機(jī)機(jī)組規(guī)格尺寸[1]如下表所示。

表1 風(fēng)機(jī)機(jī)組規(guī)格參數(shù)表

風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)高水位為+2.82m，設(shè)計(jì)低水位為-2.18m，泥面標(biāo)高最低為-9.42m。[2]風(fēng)機(jī)輪轂中心高程為+114.5m。風(fēng)機(jī)機(jī)組吊裝采用“分體式+整體風(fēng)輪”吊裝工藝[1]，因吊點(diǎn)設(shè)置及吊具結(jié)構(gòu)等原因，發(fā)電機(jī)吊高需保證8m 余量，機(jī)艙、風(fēng)輪吊高需保證10m 余量，機(jī)艙、風(fēng)輪吊高要求最高，吊高高程為+124.5m。吊裝最重組件為風(fēng)輪172.8t，吊重安全系數(shù)取1.3，風(fēng)輪所需吊重最大為225t。故風(fēng)輪吊裝要求最高，需滿足吊重≥225t，吊高高程≥+124.5m。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土承臺(tái)直徑16.4m[2]，風(fēng)機(jī)安裝船與承臺(tái)保持7m 以上安全距離，且風(fēng)機(jī)安裝船與承臺(tái)間距離不宜過大。風(fēng)機(jī)安裝船吊機(jī)與承臺(tái)側(cè)船舷距離為l1，則風(fēng)機(jī)安裝船吊幅應(yīng)≥（l1+15.2）m。

浮吊船漂浮于水面上進(jìn)行施工，風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)低水位為-2.18m，浮吊船甲板面與水面距離為h1，風(fēng)機(jī)輪轂中心高程為+114.5m，吊高須滿足距甲板以上114.5+10-（-2.18）-h1=（126.68-h1）m，故浮吊船需在吊幅≥（l1+15.2）m 范圍內(nèi)，須滿足吊重≥225t，吊高≥（126.68-h1）m 施工要求。

自升式起重船風(fēng)機(jī)安裝施工時(shí)，起升船體至海面以上，使船體不受波浪荷載。船體甲板與水面距離為h2，則吊高須滿足114.5+10-2.82-h2=（121.68-h2）m。故浮吊船需在吊幅≥（l1+15.2）m 范圍內(nèi)，須滿足吊重≥225t，吊高≥（121.68-h2）m 施工要求。

坐底船坐底入泥進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝施工，設(shè)坐底船型深為h3，坐底入泥2m，則吊高須滿足114.5+10-（-9.42-2）-h3=（135.92-h3)m。故浮吊船需在吊幅≥(l1+15.2)m范圍內(nèi)，須滿足吊重≥225t，吊高≥(135.92-h3)m 施工要求。

3.2 穩(wěn)性分析

3.2.1 浮吊船穩(wěn)性

華電玉環(huán)1 號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目一期工程北區(qū)風(fēng)場(chǎng)海域各月平均風(fēng)速為4.9～7.5m/s,平均流速為0.54m/s，波周期均值為4.6s，最大波高均值為1.25m[2]；玉環(huán)海域涌浪較大，浮吊船穩(wěn)性受涌浪影響較大，可滿足浮吊船施工海況較少，嚴(yán)重影響安裝的月可作業(yè)天數(shù)。

3.2.2 自升式起重船穩(wěn)性

自升式起重船是通過電動(dòng)液壓或電動(dòng)齒輪條式升降裝置帶動(dòng)樁腿升降，并將船體上升至海面以上一定高度，支撐其在海上作業(yè)。因自升式起重船進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝施工時(shí)，船體處于海面以上，船體受水流荷載、波浪荷載影響較小。相對(duì)浮吊船、坐底船船舶穩(wěn)性較強(qiáng)[11]。

3.2.3 坐底安裝船穩(wěn)性[8][9][10]

玉環(huán)風(fēng)電項(xiàng)目采用“德浮1200”風(fēng)機(jī)安裝船，以“德浮1200”為例對(duì)坐底船穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，坐底安裝船滿足于玉環(huán)海域工況。

在坐底工況，正常作業(yè)時(shí)坐底安裝船抗傾安全系數(shù)Kq 應(yīng)不小于下1.6[3]。自存狀態(tài)時(shí)抗傾安全系數(shù)Kq 應(yīng)不小于下1.4[3]。

在坐底工況，正常作業(yè)時(shí)坐底安裝船抗滑安全系數(shù)KH 應(yīng)不小于1.4[3]。自存狀態(tài)時(shí)抗傾安全系數(shù)Kq 應(yīng)不小于下1.2[3]。

表2 抗傾計(jì)算結(jié)果

表3 抗滑移計(jì)算結(jié)果

從船舶抗傾及抗滑移計(jì)算結(jié)果來看，“德浮1200”坐底安裝船可以滿足玉環(huán)海域進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝施工，其它類似坐底船穩(wěn)性可按此計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)浮吊船，自升式起重船，坐底安裝船的工效、租金和燃油成本等方面對(duì)三類風(fēng)機(jī)安裝船舶進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。

根據(jù)玉環(huán)海域水文氣象資料及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)分析（2020年10月至2021年4月），浮吊船于玉環(huán)海域進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝施工，平均每月施工窗口期約為11天；自升式起重船相對(duì)受涌浪影響較小，施工窗口期較多，平均每月施工窗口期約為22 天；坐底安裝船坐底施工時(shí)，船舶穩(wěn)性相對(duì)較高，但相比自升式起重船，易受涌浪影響，平均每月施工窗口期約為16 天。

華電玉環(huán)1 號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目采用“分體式+整體風(fēng)輪”吊裝工藝。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際水文氣象情況及施工工效分析，浮吊船月平均安裝風(fēng)機(jī)2.59 臺(tái)；自升式起重船月平均安裝風(fēng)機(jī)4.4臺(tái)，工效最高，但市場(chǎng)資源緊張，船機(jī)租用成本較高；坐底安裝船月平均安裝風(fēng)機(jī)3.56臺(tái)。

據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，配備DP 系統(tǒng)浮吊船施工作業(yè)時(shí)，日平均油耗為30t。自升式起重船施工作業(yè)時(shí)，日平均油耗為8t，坐底船施工作業(yè)時(shí)平均每日油耗為5t。

表4 經(jīng)濟(jì)分析表

經(jīng)分析，浮吊船、自升式起重船、坐底船平均單臺(tái)風(fēng)機(jī)安裝成本約為886 萬元、717 萬元、583 萬元，相較于浮吊船、自升式起重船，坐底安裝船單臺(tái)風(fēng)機(jī)成本最低，經(jīng)濟(jì)適用性最高。

5 結(jié)語

玉環(huán)海域現(xiàn)場(chǎng)施工條件惡劣，涌浪較大，施工窗口期短，風(fēng)機(jī)安裝施工工期要求嚴(yán)格。從3 種風(fēng)機(jī)安裝船舶功能性看，浮吊船受涌浪影響較大，同樣浪潮較大時(shí)會(huì)影響其正常作業(yè)，作業(yè)效率相對(duì)較低，工期也存在不確定性。自升式起重船可以有效的防止海上情況對(duì)吊裝產(chǎn)生的影響，作業(yè)率相對(duì)較高。但現(xiàn)階段我國(guó)可于玉環(huán)海域進(jìn)行施工的船舶資源較為稀缺。坐底安裝船在玉環(huán)海域地址條件下有較強(qiáng)的適應(yīng)性，穩(wěn)定性高，船舶資源相對(duì)豐富。避免了傳統(tǒng)樁靴插拔困難的問題。

從經(jīng)濟(jì)方面對(duì)比分析，三類風(fēng)機(jī)安裝船中，坐底船平均每臺(tái)風(fēng)機(jī)安裝成本最低，經(jīng)濟(jì)適用性最高。故若于玉環(huán)海域進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝施工，坐底安裝船最為適用。

本文針對(duì)玉環(huán)海域的氣象、水文、地質(zhì)情況，對(duì)三種風(fēng)機(jī)安裝施工船舶從功能性、經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行了適用性分析，可為類似工程提供一定的參考。