復(fù)雜海況條件下海上風(fēng)電施工主作業(yè)船適用性分析

林逸凡，劉玉飛，王小合，逯 鵬，趙 輝，崔文濤

應(yīng)用研究

復(fù)雜海況條件下海上風(fēng)電施工主作業(yè)船適用性分析

林逸凡，劉玉飛，王小合，逯 鵬，趙 輝，崔文濤

（華電重工股份有限公司，北京 100070）

海上風(fēng)電建設(shè)項(xiàng)目組織難度大、成本高，施工受海洋環(huán)境制約顯著。海上作業(yè)面中，用于基礎(chǔ)施工和風(fēng)機(jī)吊裝的主作業(yè)船，其適用性對(duì)項(xiàng)目實(shí)施順利與否具有關(guān)鍵的決定因素。以廣東某海上風(fēng)電建設(shè)項(xiàng)目為例，基于多年風(fēng)浪數(shù)值后報(bào)數(shù)據(jù)，考慮基礎(chǔ)施工主作業(yè)起重船的可作業(yè)風(fēng)速、波高、波周期以及海上施工特點(diǎn)，以建設(shè)周期內(nèi)的可作業(yè)天數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析滿足建設(shè)要求的船舶所需達(dá)到的抗風(fēng)浪水平，幫助業(yè)主和承建單位對(duì)主作業(yè)船進(jìn)行選型。

海上風(fēng)電 起重船 適用性研究 可作業(yè)窗口期

0　引言

本項(xiàng)目場址位于廣東省揭陽市海域，場址中心距離陸岸約25 km，場區(qū)內(nèi)水深約34～39 m之間。規(guī)劃裝機(jī)總?cè)萘考s500 MW，擬安裝46臺(tái)單機(jī)容量12 MW風(fēng)電機(jī)組，計(jì)劃采用先樁法導(dǎo)管架型式基礎(chǔ)[1]。根據(jù)前期調(diào)研，該海域4至9月海況更好，為實(shí)現(xiàn)當(dāng)年開工、當(dāng)年并網(wǎng)，項(xiàng)目進(jìn)度安排要求海上風(fēng)電機(jī)組安裝于4月啟動(dòng)，9月底必須全部完成。為保障上部機(jī)組安裝不受基礎(chǔ)施工進(jìn)度限制，按期完成任務(wù)，基礎(chǔ)施工進(jìn)度需要于7月底結(jié)束。根據(jù)廣東海域過往建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，單個(gè)機(jī)位完成小樁施工和導(dǎo)管架安裝，平均工時(shí)約3天左右，46個(gè)機(jī)位共需可作業(yè)天數(shù)138天，項(xiàng)目考慮配置2個(gè)基礎(chǔ)作業(yè)面，平均至4至7月，單個(gè)基礎(chǔ)作業(yè)面中起重船的月可作業(yè)天數(shù)要求達(dá)到17天水平。結(jié)合風(fēng)場所處海域的水文條件，本研究分析了主作業(yè)起重船滿足項(xiàng)目建設(shè)要求需達(dá)到的性能水平。在此基礎(chǔ)上，論證目前國內(nèi)海上風(fēng)電施工領(lǐng)域主要起重船舶在工程海域的適用性。

1　可作業(yè)水平分析

為提高評(píng)估的可靠性，需收集工程海域多年長期歷史風(fēng)浪數(shù)據(jù)。項(xiàng)目研究中，歷史風(fēng)場數(shù)據(jù)采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）開發(fā)的全球大氣再分析產(chǎn)品ERA5再分析風(fēng)場，時(shí)間分辨率為1h，相較于前代ERA-Interim，該后報(bào)風(fēng)場應(yīng)用了更先進(jìn)的Cycle 41r2四維同化技術(shù)，并將更多高質(zhì)量的實(shí)測資料作為輸入數(shù)據(jù)用以再分析，是目前海洋工程領(lǐng)域研究氣象條件主流的數(shù)據(jù)集合[2]。海浪則基于SWAN模式[3]，對(duì)廣東近海區(qū)域進(jìn)行了精細(xì)化數(shù)值后報(bào)。過程中，對(duì)影響模擬精度顯著的風(fēng)能輸入項(xiàng)、白帽耗散項(xiàng)以及海底摩擦耗散項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了校正，模擬輸出與實(shí)測數(shù)據(jù)比較顯示具有較高的準(zhǔn)確性。

圖1 滿足風(fēng)浪和時(shí)長限制條件的窗口期示意圖

圖2 可作業(yè)天氣窗口長于1d要求下，不同風(fēng)浪限制條件對(duì)應(yīng)的4-7月平均月可作業(yè)天數(shù)

目前，評(píng)估施工船舶可作業(yè)天氣窗口主要考慮風(fēng)速和浪高[4]，本工程屬于離岸較遠(yuǎn)的無掩蔽海域，起重船在該海域施工受長周期涌浪及風(fēng)涌混合浪影響顯著，因此更接近實(shí)際對(duì)可作業(yè)天氣窗口進(jìn)行分析，需考慮波浪周期。另一方面，包括起重船主吊機(jī)起、落大臂，運(yùn)輸船靠泊等準(zhǔn)備工作需1到2小時(shí)，從時(shí)效和安全性考慮，現(xiàn)場正常情況下不會(huì)利用短暫天氣窗口進(jìn)行搶裝作業(yè)，因此，為使評(píng)估結(jié)果更接近于實(shí)際，分析中進(jìn)一步對(duì)窗口期的時(shí)長進(jìn)行約束。由此，目標(biāo)施工船在某一時(shí)間段內(nèi)根據(jù)極限環(huán)境條件判斷可作業(yè)，但時(shí)長短于約束條件，則該時(shí)間段將不被計(jì)入窗口期。對(duì)于時(shí)長限制，以導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工為例，工效3天，考慮起重船移、就位及定位架施工，鋼管樁翻樁、插打樁施工及定位架拆除，導(dǎo)管架吊裝及消缺等作業(yè)可按順序間斷進(jìn)行，窗口期的最短時(shí)長根據(jù)1天估計(jì)較為合理（如圖1所示），相當(dāng)于現(xiàn)場根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，未來至少24小時(shí)內(nèi)的海況良好則組織施工。

由數(shù)據(jù)集提取工程海域近20年逐小時(shí)風(fēng)浪數(shù)據(jù)，根據(jù)界定規(guī)則，研究中針對(duì)不同的極限風(fēng)浪組合，篩選了4～7月份逐年、逐月的可作業(yè)天氣窗口并計(jì)算總時(shí)長，在此基礎(chǔ)上，將各月份可作業(yè)總時(shí)長的20年平均值作為最終的指標(biāo)用于評(píng)估可作業(yè)水平。圖2展示了可作業(yè)時(shí)長大于等于1天條件下，極限風(fēng)速為五級(jí)（10.7m/s）和六級(jí)（13.8m/s）時(shí)不同波浪組合條件對(duì)應(yīng)的4至7月平均月可作業(yè)時(shí)長。圖中，用紅色圓圈標(biāo)記了可滿足施工要求（4至7月的平均月可作業(yè)時(shí)長大于17天）的最低限度的浪高和波周期。如圖可見，風(fēng)力由五級(jí)提升至六級(jí)，船舶的可作業(yè)天數(shù)幾乎沒有增加，影響適用性的關(guān)鍵因素在于船舶的耐波穩(wěn)性。

2　船機(jī)適用性分析

廣東海域水深、風(fēng)浪條件差，基礎(chǔ)施工需采用大噸位和強(qiáng)起重能力的船舶，包括租金、油水和人員費(fèi)用在內(nèi)，單月使用成本可達(dá)到2000甚至3000萬元。本項(xiàng)目在船機(jī)選型階段，考慮了目前國內(nèi)主流的起重船舶，類型包括半潛式起重船，全回轉(zhuǎn)浮吊船及固定桅桿浮吊船，表1列出了收集到的各船舶的基本參數(shù)及可作業(yè)海況，其中，風(fēng)速和海浪有效波高結(jié)合規(guī)范要求和廣東、浙江海域的過往施工經(jīng)驗(yàn)給出。對(duì)于海浪周期，考慮起重船通常船艏迎浪布置，該情況下當(dāng)海浪波長與船長接近時(shí)會(huì)引起較大的船舶晃動(dòng)[5]，本研究中假定起重船吊裝作業(yè)條件下海浪波長應(yīng)小于0.8倍船長，根據(jù)DNV規(guī)范（公式1）換算得到極限波周期。

表1 國內(nèi)海上風(fēng)電施工主流起重船評(píng)估結(jié)果

通過結(jié)果分析，博強(qiáng)2300固定桅桿浮吊船在工程海域不滿足施工要求，其余備選起重船性能達(dá)標(biāo)，4月至7月期間，除宇航29外，剩余船舶的月平均可作業(yè)天數(shù)均可達(dá)到20天以上。其中，華電中集01為半潛式起重船，右舷前后布置2臺(tái)1800噸全回轉(zhuǎn)吊機(jī)，水面線面積小、穩(wěn)性好同時(shí)吊裝作業(yè)靈活，但相比華景001和4500噸創(chuàng)力號(hào)全回轉(zhuǎn)浮吊船，其吊裝作業(yè)時(shí)的壓載水調(diào)節(jié)更為復(fù)雜。另一方面，華電中集01以及創(chuàng)力號(hào)配備了DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)，可依靠推力器提供抵抗風(fēng)、浪、流等環(huán)境力，使船舶保持在海面要求的位置上，相比錨泊定位船舶移位更加快速靈活，同時(shí)減少了船舶間的錨纜干涉，作業(yè)面布置的限制條件更少。

3　結(jié)語

本項(xiàng)目中，基于多年長期風(fēng)和海浪數(shù)值后報(bào)數(shù)據(jù)，考慮起重船的可作業(yè)風(fēng)速、波高、波周期以及滿足條件施工窗口期的時(shí)長限制，對(duì)工程適用的起重船進(jìn)行了初步論證和評(píng)估。

對(duì)于滿足施工要求的船舶，后續(xù)還需結(jié)合船機(jī)特點(diǎn)設(shè)計(jì)施工工藝驗(yàn)證其吊高吊重是否滿足施工要求，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步比較工效。除此之外，需要補(bǔ)充說明的是，本研究中對(duì)于起重船可作業(yè)天數(shù)的計(jì)算，未考慮運(yùn)輸船供貨，為充分發(fā)揮船機(jī)使用效率，避免窗口期起重船閑置，在主作業(yè)起重船確定后，應(yīng)根據(jù)工效，進(jìn)一步統(tǒng)籌供貨計(jì)劃、集散碼頭等條件對(duì)運(yùn)輸船組的數(shù)量和運(yùn)輸方案進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃。

[1] 田偉麗, 汪冬冬, 高健岳. 海上風(fēng)電項(xiàng)目中導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工技術(shù)綜述[J]. 中國港灣建設(shè), 2020, 40(5): 20-24.

[2] 孟憲貴, 郭俊建, 韓永清. ERA5再分析數(shù)據(jù)適用性初步評(píng)估[J]. 海洋氣象學(xué)報(bào), 2018, 38(1): 91-99.

[3] 李雪, 宋沖, 鞏藝杰, 等. 山東沿海臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值模擬與統(tǒng)計(jì)分析[J]. 海洋湖沼通報(bào), 2018(1): 27-33.

[4] 劉晉超. 海上風(fēng)電施工窗口期對(duì)施工的重要性[J]. 南方能源建設(shè), 2019, 6(2): 16-18.

[5] 杜宇, 高子予, 王晨旭. 基于時(shí)-頻域聯(lián)合計(jì)算的打樁船施工作業(yè)窗口計(jì)算[J]. 船舶工程, 2022, 44(3): 139-144.

Applicability analysis of main operating vessels for offshore wind power construction under complex sea conditions

Lin Yifan , Liu Yufei, Wang Xiaohe, Lu Peng, Zhao Hui, Cui Wentao

(Huadian Heavy Industry Co., Ltd., Beijing 100070, China)

TP23

A

1003-4862（2023）09-0047-04

2023-04-27

林逸凡（1990-），男，博士研究生，主要從事海上風(fēng)電施工技術(shù)研究。E-mail：632847010@qq.com