風(fēng)機(jī)安裝船施工現(xiàn)狀及選型分析

陳 松* 駱洪林 官 峰

（中海油能源發(fā)展股份有限公司清潔能源分公司）

0 引言

近年來(lái)，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，為了適應(yīng)海上風(fēng)電國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，以風(fēng)機(jī)廠家為技術(shù)驅(qū)動(dòng)主力軍加快了風(fēng)電技術(shù)革新，風(fēng)電單機(jī)容量從2021 年平均約5.6 MW 躍升至2022 年平均約8.0 MW。2022 年風(fēng)電機(jī)組主力廠家最大并網(wǎng)安裝機(jī)型為明陽(yáng)8.0 MW 風(fēng)電機(jī)艙，其起吊質(zhì)量約400 t，最大吊高約130.2 m；上海電氣11 MW 風(fēng)電機(jī)艙（含發(fā)電機(jī)）質(zhì)量近500 t，最大吊高約141 m；海裝8.5 MW 風(fēng)電機(jī)艙（含輪轂）質(zhì)量為360 t，最大吊高約142 m。隨著國(guó)內(nèi)金風(fēng)16 MW 機(jī)組下線、海裝18 MW 機(jī)組研發(fā)及后續(xù)25 MW風(fēng)電立項(xiàng)，風(fēng)輪掃風(fēng)面積越來(lái)越大，風(fēng)電安裝標(biāo)高勢(shì)必會(huì)提高，對(duì)海上風(fēng)電安裝船的要求也將更嚴(yán)苛。

1 海上風(fēng)電安裝船施工問(wèn)題分析

國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電安裝船主要可分為：坐地式、自升非自航式和自升自航式。國(guó)內(nèi)沿海施工海域風(fēng)電安裝作業(yè)以自升式安裝平臺(tái)為主，截至2022 年年底，國(guó)內(nèi)起重能力超過(guò)600 t 船機(jī)約40 艘。隨著近年來(lái)海上風(fēng)電快速發(fā)展，大量船機(jī)投入生產(chǎn)項(xiàng)目中，風(fēng)電安裝船選擇、施工過(guò)程中普遍存在以下問(wèn)題。

（1）選定風(fēng)電安裝船無(wú)法插腿站樁

由于建設(shè)單位建設(shè)海域海床地質(zhì)地勘資料準(zhǔn)確度不夠，風(fēng)電安裝船選型分析船舶插深預(yù)估不足，導(dǎo)致選定中標(biāo)單位風(fēng)電安裝船抵達(dá)風(fēng)場(chǎng)時(shí)，因船舶質(zhì)量較大，壓樁過(guò)程中直接造成穿刺，重新選擇風(fēng)電安裝船造成工期浪費(fèi)和成本上升，并增加了機(jī)位站樁的風(fēng)險(xiǎn)性。

（2）風(fēng)電安裝船履帶吊施工風(fēng)險(xiǎn)較大

國(guó)內(nèi)現(xiàn)存大部分風(fēng)電安裝船只有1 個(gè)固定式海工吊，另外配置1 臺(tái)移動(dòng)式履帶吊。移動(dòng)式履帶雖有效解決了只有主吊機(jī)的風(fēng)電安裝船施工靈活的問(wèn)題，但履帶吊在施工過(guò)程中容易發(fā)生尾部翹起等安全問(wèn)題、船舶氣隙抬升過(guò)程傾斜履帶吊位移平臺(tái)失穩(wěn)的重大風(fēng)險(xiǎn)。

（3）風(fēng)電安裝船吊高不夠，解鎖吊鉤限位，氣隙無(wú)限抬升

由風(fēng)場(chǎng)建設(shè)海域水深、地質(zhì)及選定風(fēng)電類型，決定風(fēng)電吊高需求，風(fēng)電安裝船為保證滿足風(fēng)電吊裝吊高在船舶主吊機(jī)吊高極限狀態(tài)時(shí)，施工單位選擇解鎖安全限位吊鉤進(jìn)行極限作業(yè)。吊高需求偏差較大時(shí)，開啟壓載水內(nèi)循環(huán)，抬升船舶氣隙最高至30 m，導(dǎo)致船舶冷卻系統(tǒng)處于極限狀態(tài)，容易使船機(jī)設(shè)備溫度過(guò)高而發(fā)生故障。當(dāng)船舶插深較小時(shí)，這種極限工況下造成船舶穩(wěn)心過(guò)高事故發(fā)生概率將大大增加。

（4）風(fēng)電設(shè)備吊重校核標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

海上風(fēng)電建設(shè)單位對(duì)于海上施工船舶吊裝質(zhì)量校核系數(shù)選擇認(rèn)可不一?，F(xiàn)目前起重吊裝參數(shù)要求分為2 種技術(shù)路線：海洋工程領(lǐng)域普遍參照船級(jí)社海洋工程技術(shù)規(guī)范，選取動(dòng)載系數(shù)和不均衡載荷系數(shù)展開吊重校核；陸地起重吊裝參照陸地起重吊裝規(guī)范，要求單機(jī)吊裝不超過(guò)被吊物質(zhì)量90%，雙機(jī)抬吊單機(jī)負(fù)荷不超80%。海上風(fēng)電大出臺(tái)相關(guān)技術(shù)要求，未對(duì)海上吊裝作業(yè)被吊物吊重范圍未展開細(xì)分，大部分建設(shè)單位通常采用后者，但也有建設(shè)單位要求同時(shí)滿足二者要求，極大地限制了風(fēng)電安裝船適用能力。

2 風(fēng)電安裝船選型流程

風(fēng)電安裝船選型的關(guān)鍵在于插深計(jì)算相對(duì)準(zhǔn)確、船舶最大安全吊重、船舶站位距離選擇和最大安全吊高校核分析，基于以上校核分析設(shè)定安全余量，一次性篩選合理船機(jī)開展風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)安裝。本文結(jié)合揭陽(yáng)海上風(fēng)電風(fēng)電安裝項(xiàng)目，形成了一套合理的風(fēng)電安裝船選型流程，有效解決了風(fēng)電安裝船施工中可能遇到的問(wèn)題，保證了風(fēng)場(chǎng)建設(shè)的成本、進(jìn)度、質(zhì)量和安全等要求。圖1 為船機(jī)選型流程。

圖1 船機(jī)選型流程

考慮船機(jī)整體結(jié)構(gòu)形式，滿足最大風(fēng)電設(shè)備質(zhì)量過(guò)駁、安裝就位時(shí)起重能力，進(jìn)一步展開滿足起重能力下船舶最大站位距離，計(jì)算船舶樁腿插深和最大作業(yè)半徑下吊機(jī)吊高能力，與風(fēng)電設(shè)備吊高需求對(duì)比，循環(huán)調(diào)整船舶站位距離，同時(shí)保證設(shè)定的船舶站位距離施工安裝過(guò)程中與風(fēng)電機(jī)組設(shè)備發(fā)生干涉。

3 某風(fēng)場(chǎng)項(xiàng)目風(fēng)電安裝船選型分析

3.1 船舶結(jié)構(gòu)形式選擇

海上風(fēng)電安裝船結(jié)構(gòu)形式多樣，包括三腿、四腿和六腿等，但綜合考慮海上風(fēng)電工程實(shí)踐檢驗(yàn)和事故經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)電安裝船大多采用四腿自升式結(jié)構(gòu)。風(fēng)電安裝船是海上風(fēng)電核心的專業(yè)船機(jī)，目前國(guó)內(nèi)大多風(fēng)電安裝船只有1 臺(tái)固定式海工主吊機(jī)，輔以移動(dòng)式履帶吊充當(dāng)輔吊機(jī)。對(duì)于風(fēng)電安裝船上布置履帶吊因拖航監(jiān)管要求，船級(jí)社要求不予辦理試拖業(yè)務(wù)，同時(shí)國(guó)內(nèi)新造風(fēng)電安裝船主/輔吊機(jī)均為固定式海工吊。因此，對(duì)于風(fēng)電安裝船，推薦采用四腿和具備2 臺(tái)固定式海工吊的風(fēng)電安裝船。

3.2 船舶起吊重量校核和站位距離選擇

根據(jù)獲取風(fēng)電設(shè)備參數(shù)以及海工成熟經(jīng)驗(yàn)，推薦按照DNV 起重吊裝規(guī)范，單件過(guò)駁、吊裝動(dòng)載系數(shù)取值K1，不均衡載荷系數(shù)K2（雙擊抬吊時(shí)取值考慮1.1），要求船機(jī)起吊能力大于K1·K2 倍最大結(jié)構(gòu)物質(zhì)量G，通過(guò)以下2 種工況的船舶質(zhì)量校核，選擇較小作業(yè)半徑作為船舶站位距離最大參考值，詳見(jiàn)表1動(dòng)載系數(shù)K1（DNV 起重吊裝規(guī)范）。

表1 動(dòng)載系數(shù)K1（DNV起重吊裝規(guī)范）

還需考慮以下工況：

（1） 運(yùn)輸船過(guò)駁情況：過(guò)駁最大結(jié)構(gòu)物質(zhì)量G1（含工裝質(zhì)量），要求船機(jī)起吊質(zhì)量=G1·K1·K2 時(shí)，吊機(jī)最大作業(yè)半徑為R1；

（2）設(shè)備從甲板吊裝至結(jié)構(gòu)安裝位置情況：吊裝最大結(jié)構(gòu)重量G2（不含工裝重量，含索具重量），船機(jī)起吊質(zhì)量=G2·K1·K2 時(shí)，吊機(jī)最大作業(yè)半徑為R2。

3.3 船舶樁腿插深計(jì)算、起吊吊高校核

船舶樁腿插深計(jì)算依賴于風(fēng)場(chǎng)地質(zhì)條件、安裝船船舶重量、樁靴尺寸等因素，樁腿插深計(jì)算偏差越小對(duì)風(fēng)電安裝船越安全，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)推薦采用SAME軟件插深計(jì)算，偏差基本控制在1.5 m 以內(nèi)，完全滿足插樁需求。為避免地質(zhì)條件較差或計(jì)算插深處于“雞蛋殼”層邊緣時(shí)，建議進(jìn)行第三方插深校核，降低計(jì)算誤差，提高站樁及施工安全性。

通過(guò)計(jì)算樁腿插深，在已確定站位距離前提下，計(jì)算船舶樁腿長(zhǎng)度、船舶氣隙、船舶型深和主吊機(jī)最大吊高，與風(fēng)電設(shè)備就位標(biāo)高（含吊索具高度及摘勾余量）對(duì)比，校核船舶最大起吊高度，若不滿足要求時(shí)，減小船舶站位距離再校核吊高是否滿足要求。船舶氣隙取值受船舶樁腿可用長(zhǎng)度影響，但通常建議不超過(guò)海水提升泵揚(yáng)程范圍，有利于避免船舶穩(wěn)心偏高和船舶機(jī)械性能。

3.4 吊裝過(guò)程結(jié)構(gòu)干涉分析

對(duì)于滿足起重能力、起吊高度的船舶站位距離，對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備、船舶結(jié)構(gòu)施工過(guò)程放樣，保證所有設(shè)備吊裝過(guò)程中不與船舶結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，特別是葉片就位距離及就位時(shí)葉片震顫抖動(dòng)，確定不與吊臂發(fā)生干涉，考慮2～3 m 安全余量，從而篩選出合適風(fēng)電安裝船。

3.5 風(fēng)電安裝船輔助性能參數(shù)分析

一般情況下一個(gè)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)船舶不同位置插深都存在較大差異，因此需要對(duì)選定安裝船展開多機(jī)位船舶插深計(jì)算，綜合判定船舶風(fēng)場(chǎng)所有機(jī)位安裝適應(yīng)性情況。此外，風(fēng)電安裝船滿足風(fēng)場(chǎng)全部風(fēng)機(jī)安裝能力基本要求，還應(yīng)考慮風(fēng)機(jī)安裝的工效，本著提高工效、縮短安裝周期的原則，在適用風(fēng)場(chǎng)風(fēng)電安裝船中盡可能選擇甲板面積大的風(fēng)電安裝船，同時(shí)考慮風(fēng)電安裝船樁腿的驅(qū)動(dòng)形式。從多個(gè)角度綜合分析，盡可能選擇具備覆蓋所有機(jī)位風(fēng)機(jī)安裝能力的船舶。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了海上風(fēng)電安裝船施工過(guò)程中現(xiàn)存的問(wèn)題，通過(guò)工程實(shí)踐形成了一套標(biāo)準(zhǔn)的海上風(fēng)電安裝船選型流程，結(jié)合地勘資料、風(fēng)機(jī)參數(shù)等，可以快速確定適合特定風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的風(fēng)電安裝船?；谀筹L(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，有效地驗(yàn)證了該流程和關(guān)鍵要求設(shè)定的合理性。運(yùn)用該流程，可提高風(fēng)電安裝項(xiàng)目施工效率，降低風(fēng)電安裝安全風(fēng)險(xiǎn)，可為海上風(fēng)電安裝項(xiàng)目船機(jī)選型提供參考。