半潛式基礎(chǔ)漂浮式風(fēng)機(jī)拖帶技術(shù)研究

李遠(yuǎn)揚(yáng) 中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司

1.引言

受風(fēng)能資源、養(yǎng)殖、軍事影響，海床條件等約束，固定式基礎(chǔ)海上風(fēng)電發(fā)展?jié)摿τ邢?，必須利用漂浮式海上風(fēng)電開發(fā)深遠(yuǎn)海資源。有數(shù)據(jù)顯示，全球80%的海上風(fēng)能資源潛力都蘊(yùn)藏在水深超過(guò)60m的海域。據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）預(yù)測(cè)，雖然在2020年左右，固定式基礎(chǔ)海上風(fēng)電的增長(zhǎng)最為顯著，但從2030年起，漂浮式海上風(fēng)電將快速發(fā)展。預(yù)測(cè)顯示，到2030年全球漂浮式海上風(fēng)電裝機(jī)容量可達(dá)16.5GW，其中僅有7.1%或1.2GW在2025年以前完成建設(shè)，其他的大部分裝機(jī)將在2026年以后投運(yùn)。目前，漂浮式海上風(fēng)電在全球風(fēng)電總裝機(jī)容量中的占比僅為0.1%，但在未來(lái)10年間會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，到2030年將占全球新增風(fēng)電裝機(jī)總量的6.1%[1]。

在“碳達(dá)峰、碳中和”的背景下，我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展取得了快速的發(fā)展，僅2021年海上風(fēng)電并網(wǎng)容量達(dá)到1690萬(wàn)千瓦，已經(jīng)發(fā)展成為全球最大的海上風(fēng)電市場(chǎng)。我國(guó)主要沿海省份公布的“十四五”海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，都將發(fā)展深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電作為重要的發(fā)展目標(biāo)，可以預(yù)測(cè)，漂浮式風(fēng)機(jī)也將在我國(guó)迎來(lái)快速發(fā)展的新階段。

2.漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式介紹

漂浮式風(fēng)機(jī)已經(jīng)成為全球各大風(fēng)機(jī)制造廠家的重點(diǎn)研究方向，無(wú)論是國(guó)內(nèi)的明陽(yáng)智能、中國(guó)海裝等整機(jī)企業(yè)，還是國(guó)際主流的西門子歌美颯、通用電氣等整機(jī)制造商，都相繼發(fā)布了漂浮式海上風(fēng)機(jī)。不同的地質(zhì)、海況、氣象條件都會(huì)影響漂浮式基礎(chǔ)的選擇，按照其靜穩(wěn)性原理大體可將目前已經(jīng)研制的漂浮式風(fēng)機(jī)分為立柱式、半潛式、張力腿式、駁船式四種類型，并分別具有不同的特點(diǎn)，其中半潛式基礎(chǔ)具有適用水深范圍較廣，可采用濕拖法運(yùn)輸，部署靈活，技術(shù)成熟的特點(diǎn)[2]。

我國(guó)大陸架變化緩慢，適用于40～60m的漂浮式風(fēng)機(jī)更適合于我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀。我國(guó)首臺(tái)漂浮式風(fēng)電機(jī)組是2021年12月7日在三峽陽(yáng)江沙扒海上風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)的“三峽引領(lǐng)號(hào)”，它是全球首臺(tái)抗臺(tái)風(fēng)型漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組，采用半潛式基礎(chǔ)，搭載單機(jī)容量為5.5MW的明陽(yáng)智能抗臺(tái)風(fēng)漂浮式機(jī)組。2022年5月，適用于60m水深的6.2MW中國(guó)海裝“扶搖號(hào)”在廣東湛江海域進(jìn)行示范應(yīng)用，該風(fēng)機(jī)同樣采用半潛式基礎(chǔ)。半潛式基礎(chǔ)將成為我國(guó)近期相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)主流的漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式。

3.半潛式基礎(chǔ)漂浮式風(fēng)機(jī)拖帶技術(shù)研究

半潛式漂浮式風(fēng)機(jī)主要施工流程包括基礎(chǔ)和風(fēng)機(jī)組件的組裝-整體拖帶至機(jī)位-錨泊及系纜。由于基礎(chǔ)和風(fēng)電機(jī)組組裝之后整體高度較高，安全地整體拖帶至機(jī)位將成為施工的重中之重。雖然不同單機(jī)容量的漂浮式風(fēng)機(jī)尺寸、重量不盡相同，但拖帶浮運(yùn)計(jì)算原理一致，拖帶過(guò)程中面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)基本相同。以下以典型半潛式基礎(chǔ)漂浮式風(fēng)機(jī)為例，對(duì)拖帶方案及拖帶安全措施進(jìn)行研究，以供相關(guān)技術(shù)研發(fā)和工程項(xiàng)目借鑒。

3.1 半潛式漂浮式風(fēng)機(jī)基本參數(shù)

漂浮式風(fēng)機(jī)采用半潛式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)整體為一個(gè)等腰三角形，由三個(gè)立柱、垂蕩板、下浮體和上部方形橫撐組成，詳見圖1。半潛式基礎(chǔ)采用圓筒狀，呈三角形布置，長(zhǎng)度72m，寬度80m，高度32m，單個(gè)圓筒直徑約為9m。浮體和機(jī)組總重量超過(guò)4000t，設(shè)計(jì)吃水17m，排水量超過(guò)15000t。機(jī)組塔筒高度為78m，輪轂中心高度96m，風(fēng)輪直徑152m，葉片長(zhǎng)度74m。

圖1 半潛式漂浮式風(fēng)機(jī)模型圖

3.2 浮運(yùn)阻力計(jì)算

考慮到漂浮式風(fēng)機(jī)無(wú)操縱性能，從船隊(duì)航行操縱安全角度分析建議將拖帶速度控制在6kn以下，即航速為3.09m/s。按照《海上拖航指南》(2011)中附錄2關(guān)于海上拖船阻力的估算方法，海上被拖航物體所受阻力RT的估算公式可表示為：

式(1)中：RF為被拖物拖航摩擦阻力；RB為被拖物拖航剩余阻力。注：拖船的拖航阻力在計(jì)算拖船拖力時(shí)予以考慮。

在計(jì)算RF、RB時(shí)，參照英國(guó)OPL出版社出版的油田海船第四卷《Towing》推薦的拖航摩擦阻力更能客觀的反應(yīng)被拖物水下濕表面的客觀情況[3]。

1)《Towing》推薦的被拖物拖航摩擦阻力RF的計(jì)算公式為：

式(2)中：F1為被拖物的污底系數(shù)，新制鋼浮筒可取F1=0.4；A1為被拖物的水下濕表面積，A1=4973m2；v為拖航速度。由此可得，RF=63kN。

2)《Towing》推薦的拖航剩余阻力的估算公式為：

式(3)中：F2為被拖物的艄部形狀系數(shù)，圓端型圍堰艄部形狀系數(shù)取0.5；A2為浸水橫斷面面積，A2=311m2。由此可得：RF=1280kN。

結(jié)合式（1），計(jì)算得出此半潛式漂浮式風(fēng)機(jī)所受阻力RT=1544kN。

根據(jù)《海上拖航指南》，對(duì)于受風(fēng)面積特別龐大的鉆井平臺(tái)或其他水上建筑，其拖航阻力尚應(yīng)按下式(4)估算，與上式（1）計(jì)算的結(jié)果比較，取其大值作為漂浮式風(fēng)機(jī)拖帶所需拖力值。

式中ρ為空氣密度，取1.22kg/m3；V為風(fēng)速，暫按6級(jí)風(fēng)速考慮，并考慮航速影響，按照頂風(fēng)向托帶考慮，取值16.89m/s；Ai為受風(fēng)面積m2，按頂風(fēng)估算；CS為受風(fēng)面積Ai的形狀系數(shù)，根據(jù)規(guī)范要求取值。半潛式基礎(chǔ)受風(fēng)面積按表中圓柱形考慮，受風(fēng)面積591m2，取形狀系數(shù)1.0；塔筒及風(fēng)電機(jī)組按孤立結(jié)構(gòu)形狀考慮，受風(fēng)面積1400m2，取系數(shù)為1.5。由此計(jì)算RA=937kN；根據(jù)式（2）和式（3），RF、RF分別為63kN和1280kN，根據(jù)式（4），在考慮風(fēng)阻的情況下，RT為1878kN。

綜上所述，此漂浮式風(fēng)機(jī)拖航阻力RT為1878kN。

3.3 拖船編隊(duì)方案

拖帶船組配置1艘10000HP拖船主拖，3艘6000HP拖船輔拖，以及一艘6000HP拖船警戒及備用，共5艘拖船組成拖航編隊(duì)。

1#拖船作為主拖船，正前方吊拖，采用10000HP拖輪；2#拖船左前編隊(duì)吊拖，采用6000HP拖輪；3#拖船右前編隊(duì)吊拖，采用6000HP拖輪；4#拖船后部編隊(duì)，輔助控制風(fēng)機(jī)航行軌跡和航速，采用6000HP拖輪；另安排一艘6000HP拖船警戒、備用。整體拖帶寬度為140m，長(zhǎng)度為310m，拖帶示意圖見圖2。經(jīng)海事部門確認(rèn)后進(jìn)行編隊(duì)拖帶，在現(xiàn)場(chǎng)海巡艇和護(hù)航艇的維護(hù)下進(jìn)入規(guī)定航道，進(jìn)行漂浮式風(fēng)機(jī)浮運(yùn)拖帶。

圖2 半潛式漂浮式風(fēng)機(jī)拖帶示意圖

3.3.1 拖船拖帶力計(jì)算

根據(jù)海上拖航經(jīng)驗(yàn)，受拖纜較短、被拖物受到拖船船艉排出流的影響，以及拖船船組轉(zhuǎn)向、變速，被拖船發(fā)生偏蕩等原因，拖船拖力作用在被拖物上效率為70%左右。6000HP拖船的有效輸出拖力約為800kN，10000HP拖船有效輸出拖力約為1400kN。3m/s對(duì)水速度下2#拖船、3#拖船的阻力為45k N，1#拖船的阻力為85 k N。拖航總阻力R=1.15×（45+45+85）+RT=2079.25kN。3艘拖船的有效輸出拖力為（800+800+1400）×0.7=2100 kN >RT。滿足拖帶要求。

3.3.2 纜繩計(jì)算

纜繩采用直徑為80mm、抗拉強(qiáng)度R0=1870MPa的鋼芯鋼絲繩，單根鋼絲繩最小破斷拉力：

式中K’為最小破斷拉力系數(shù)，取值0.382；D為鋼絲繩直徑mm，取值80mm；R0為鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度，MPa，取值1870MPa。根據(jù)式（6）計(jì)算F0為4572kN，安全系數(shù)為3.26。滿足要求。

3.4 拖帶安全管控措施

漂浮式風(fēng)機(jī)拖帶涉及風(fēng)機(jī)整體的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，不僅包括基礎(chǔ)還包括塔筒、葉片及電器組件。不同風(fēng)機(jī)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)不同，目前并無(wú)一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)拖帶的風(fēng)況、海況做出明確要求，在具體拖帶作業(yè)中要按照風(fēng)機(jī)廠家的安裝技術(shù)手冊(cè)執(zhí)行。在此，不考慮漂浮式風(fēng)機(jī)自身的安全性問(wèn)題，僅針對(duì)拖航過(guò)程中的常見風(fēng)險(xiǎn)制定相應(yīng)保障措施，供參考。

3.4.1 通航安全保障措施

拖帶前制定完整的航行方案，提前向當(dāng)?shù)睾Ｊ轮鞴懿块T申請(qǐng)發(fā)布航行通告，以提醒其他船舶注意避讓。針對(duì)漂浮式風(fēng)機(jī)拖帶，在制定通航安全保障方案時(shí)，需重點(diǎn)注意以下幾點(diǎn)：

①須充分分析拖航航道海況和氣象條件，計(jì)算海區(qū)潮汐時(shí)間，觀察流向，分析潮流對(duì)拖航影響，分析氣象變化趨勢(shì)，確定是否適宜拖航。

②拖帶船組與漂浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)應(yīng)按照《國(guó)際海上避碰規(guī)則》顯示“操縱能力受限制”、“拖帶”的號(hào)燈、號(hào)型，并在AIS上詳細(xì)設(shè)定主要航行信息，以便航經(jīng)的其他船舶盡早判斷本拖帶船組動(dòng)態(tài)。

③選擇氣象條件良好、水流平穩(wěn)時(shí)段實(shí)施拖帶；選擇白天時(shí)間通過(guò)交匯水域。

④警戒船應(yīng)加強(qiáng)警戒，見有前方或側(cè)向有來(lái)船時(shí)應(yīng)主動(dòng)溝通，請(qǐng)它船避讓。

3.4.2 偏轉(zhuǎn)、橫拖問(wèn)題及控制措施

拖帶過(guò)程中，主拖的拖力將會(huì)造成平臺(tái)產(chǎn)生三種運(yùn)動(dòng)，即偏轉(zhuǎn)、橫移、縱向運(yùn)動(dòng)[4]。當(dāng)發(fā)生大風(fēng)浪時(shí)，被拖風(fēng)機(jī)平臺(tái)較大概率會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)、橫移情況。在這種情況下，往往會(huì)導(dǎo)致拖纜不均勻受力。在緊繃的瞬間，其張力超出拖纜能夠承擔(dān)的負(fù)荷，容易發(fā)生斷纜的情況。

對(duì)于偏蕩問(wèn)題，主要是要求拖船進(jìn)行合理的拖力控制，科學(xué)的調(diào)整主拖及兩個(gè)輔拖的拖纜長(zhǎng)度。若是所遇為正橫風(fēng)或是貼近正橫風(fēng)的情況，就要及時(shí)調(diào)整航向，降低航速，加強(qiáng)尾部拖船纜繩拉力，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)機(jī)平臺(tái)航跡控制。

4.結(jié)語(yǔ)

在全球碳中和背景下，海上風(fēng)電發(fā)展需求確定性上升。隨著近海資源逐步開發(fā)，并受制于養(yǎng)殖、航道、軍事等因素的影響，漂浮式海上風(fēng)機(jī)將成為主要的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文綜述了目前漂浮式風(fēng)機(jī)的主要基礎(chǔ)形式，對(duì)半潛式基礎(chǔ)漂浮式風(fēng)機(jī)的拖帶計(jì)算進(jìn)行分析，制定了拖帶船組方案，并對(duì)拖帶的主要風(fēng)險(xiǎn)提出了保障措施，對(duì)未來(lái)漂浮式風(fēng)機(jī)拖帶作業(yè)具有指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。