海上风机吊装运输船及其吊装方式的研究概况

姚震球 韩强

（江苏科技大学船舶与海洋工程学院 镇江 212003）

海上风机吊装运输船及其吊装方式的研究概况

姚震球 韩强

（江苏科技大学船舶与海洋工程学院 镇江 212003）

海上风力发电；海上风机吊装运输船；需求；风机安装

介绍了国内外海上风电的发展情况和前景，风电场建设对风机吊装运输船的需求；阐述了海上风机吊装运输船的分类及风机安装方式的发展变化。

0 引言

风能作为最具商业潜力与活力的可再生绿色能源，已引起全球范围内诸多国家的广泛研究和开发利用。尤其在欧美等发达国家，风能的开发和利用已发展到相对成熟的阶段。鉴于海上风能资源丰富、风速大、主导风向稳定、不占用土地资源、环境影响小［1，2］等优点，与陆上风电相比，海上风电的发展更加迅猛，从而推动了海上风机吊装运输船的产生及其吊装方式的研究与发展。

1 国内外风力发电概况

1.1 国外风力发电概况

丹麦于1991年建成第一个海上风力发电场Vindeby风电场，在此后的十几年时间里，欧洲相继建起了几十座海上风电场，英国、丹麦、瑞典、德国、爱尔兰、荷兰、中国、日本和比利时等国都建立了海上风电机组。

2007年，世界海上风电场的总装机容量达到1 103 MW，近十年来的年平均增长率达到58%。截止到2008年12月底，全球海上风力发电场超过30座，累计装机容量达到148.52万千瓦，与2007年相比增加了35.02%。

据丹麦科技大学的统计资料，根据各国的海上风电场的计划，预计到2011年，总装机容量将会达到6 903MW，到2030年，欧洲海上风力发电的目标是40~150 GW，即40 000~150 000MW［3］（图1）。若能实现，这些项目将产生欧盟电能的10%而避免2亿吨的二氧化碳排放量［4］。

图1 欧洲海上风力发电的目标

1.2 中国风电发展概况

我国海上可开发和利用的风能储量约7.5亿千瓦。在我国沿海及附近岛屿拥有非常丰富的风能资源，开发利用市场条件良好。国家各大电力公司正着手海上风电场的规划，具体地址有上海奉贤、南汇；江苏响水、如东、东台、大丰、启东龙源等；浙江嵊泗岛、慈溪；天津沿海，河北黄骅［5］，辽宁营口，山东长岛，以及其他沿海地区。

2009年6月，国务院正式将江苏沿海地区的海上风电开发上升到国家战略层面。“国家海上风电技术装备研发中心”落户江苏盐城［6］，这是中国目前唯一具备生产3MW风电机组能力的基地。上海东海大桥风电场所用风机即由其承建。

按照规划到2020年，江苏省将在近海建成7 000 MW海上风场，初步形成1 000万千瓦级风电基地，远期目标为2 100万千瓦。

我国首座，同时也是亚洲首座海上风电场——上海东海大桥风电场全部风机于2010年2月27日安装成功。该海上风电场由34台单机容量为3 MW的风电机组组成，总装机容量102 MW，设计年发电利用小时数2 624 h，年入网电量2.67亿千瓦时，项目总投资23.65亿元。

2 对风机吊装船的需求

到2030年之前，欧洲地区海上风电发展的目标是40~150 GW（即40 000~150 000 MW），假设每个风机是5 MW，那么将有8 000~30 000台风机需要安装，按现在的安装效率，假设每艘船一年安装50台风电机组，仅对欧洲地区而言对风机吊装船的需求将超过两位数［7］。

鉴于我国海上风电市场的迅猛发展，目前七○八研究所、南通中远川崎、蛟龙重工、山海关船厂等都在对风机吊装船进行相关的研究制造工作，南京、南通等有些工程承包公司已经与有关单位签订了该类型船舶的建造协议。

3 风机吊装船的研究及发展

吊装船是海上风机吊装的主要工具，可分为以下几类：起重船，带定位桩腿的自航船，非自航自升式船舶，自航自升式安装船。目前正朝着大型化、专业化、智能化、多功能化的方向发展。

3.1 起重船

起重船也叫浮吊船，一般分成两大类：一类是起重臂能够360°回转的，另一类是吊臂固定在船上的一个方向，通过船的操作移动而实施重物回转的。起重船在过浅区域需考虑吃水，其余区域不受水深限制，操纵性好，可以对风机进行整体吊装，但起重船极其依赖天气和波浪条件,对控制工期不利［8］。且不适合风机的运载，需要专门的驳船运输风机。起重船的吊机一般可以承载一千甚至几千吨的负荷，比较适合装卸大型重物。

东海大桥风电场前期3台机组吊装所用船舶“四航奋进”号（图2）是典型的起重船。该船是由广州中港第四航务工程局总投资、国内自行设计建造、最大的双臂架全液压固定式起重船，主要用于跨海大桥的架桥工程、港口内装卸大型重物以及大型沉船的打捞等起重作业［9］。

图2 “四航奋进”号

3.2 带定位桩腿的自航船

该类型船是自航自升式船与起重船之间的一种折中方案。通常由驳船等其他船舶改造而成,桩腿是在改建中添加的。安装作业中船体依靠自身浮力漂浮在水中,桩腿起到提高船体稳性的作用。

图3 “海力”号

图4 “跳爆竹”号

如A2SEA公司的“Sea Energy”、“Sea Power”号（图3），均是由集装箱货船为风车安装专门改建。

3.3 非自航自升式船舶

这是一种拥有桩腿能自行升降的平台,不能自航,需要用拖船将其拖到指定的工作地点［10］。到达现场后桩腿插入海底支撑驳船,通过液压升降装置使驳船抬出水面,形成不受波浪影响的稳定平台。然后平台上的起重机完成对风机的吊装。其面积决定一次性可以运载风机的数量。

这种平台在拖航及工作时对天气的依赖比较大，且因为不能自航，操纵性较差。

荷兰玛姆特（Mammoet）公司与Van Oord ACZ联合建造了“跳爆竹”号船（图4），该船有四条可伸缩的支架，起重能力1 200 t，是一种缆索自升式起重驳船，适于基础施工及风机的吊装，在Arklow Bank项目中发挥了巨大的作用，现在属于A2sea公司，改名为“SEA JACK”［11］。

3.4 自航自升式安装船

安装时的海况和天气对这些船的安装作业影响很大，安装的效率低、效果差，从而使安装成本增加，而随着海上风电的快速发展，小型船舶已无法满足起重高度、起重能力等的要求。因而，对复杂海况和天气适应性更强的可自升自航的专业风机吊装运输船应运而生。

该类型船兼具自升式平台和自航船舶的优点，如：

（1）能够自航、操纵性好、安装效率更高，可以单独完成海上作业任务；

（2）拥有可升降桩腿来抬起船体，安装作业稳定安全，对天气依赖程度降低；

（3）一般是箱型船体、自升式平台构造，甲板空间大,可以一次性运载更多的风电机组；

（4）在一定水深和工程作业范围内,自升自航式平台更具价格优势。

2003年12月6日，山海关船厂为英国五月花能源有限公司建造的世界上第一艘海上风机吊装船交船，该船被命名为“MAYFLOWER RESOLUTION”号（图5）。它自动化程度高，全船可实现一人驾驶，在驾驶台可对全船设备进行操纵，检测设备工作状态，也可用于风机基础的安装。

图5 “五月花”号

2009年4月30日，南通中远船务“决心1号”风机吊装船开工割板。2010年5月15日“决心2号”在船台合拢。该类型船桩腿6条，形式为插拔销液压缸提升下降装置［12］。这种船型是将起重机放置在桩腿的升降室上，增大了甲板空间，增加了风机的装载量。

2009年12月，德国RWE Innogy公司和韩国大宇造船签订了2艘风机安装船的订单，价值3亿美元。该船能以7.5 kn航速航行，可装载4个5 MW的风电机组。通过6个推进器和GPS系统自己找到海上的安装点，在12天内用800 t的起重机安装4个风电机组［13］。

2010年初，干船坞世界东南亚有限公司（DDW-SEA）将建造1艘GustoMSC NG-9000CHPE风机安装船（图6），该船具有6 500 t的装卸能力，配有持续液压升降系统。其起重机也是放置在桩腿的升降室上。

图6 NG-9000C-HPE

继开发出“五月花”号后，丹麦Knud E.Hansen A/S公司又开发出新一代风机安装船“Blue Ocean Ships”（图7）。该船能够独立完成风机安装全过程，包括从打桩到连接件、塔筒的安装以及最后机舱和叶片的组装。6个桁架桩腿即使其中一条桩腿出现问题，仍能够保持安全。其航速达到14 kn，利于减少航行时间和增加操作时间［14］。

图7 Blue Ocean Ships

Gaoh offshore安装船（图8）是英国风力能源公司为深水海上风电场的建设而造，甲板装载总面积6 000 m2，主甲板负载达10 t/m2，桩腿截面为4 m×4 m，能装载16~18台3.6 MW的风电机组，设计波高2m［15］。其起重机也是放置在桩腿的升降室上。

3.5 新型概念安装船

一些公司提出了具有特殊船型和特殊安装装置的自航式船舶的概念。

图8 Gaoh Offshore

图9 “HLV-Svanen”号

荷兰的“HLV-Svanen”号是一艘双体吊装船（图9），它的超级构造使其起重重量可达8 700 t，起重高度达75 m，能安装转子直径达130~140 m、额定功率为6～7 MW的风机，且可以运输直径22 m的混凝土沉降基础。

图10 小水线面双体安装船

Huisman公司提出了SWATH小水线面双体安装船（图10）的概念，它的系泊系统和DP3动力定位系统，使其拥有极好的操纵性和操作性，可在波高3.5 m的情况下进行作业。两个大型可变螺距螺旋桨，使其航速达14 kn。船只省掉了抬出水面所需要的时间，安装效率更高。其一次可装载两个风机，亦可运载安装两个导管架式或单桩式基础［16］。

表1为几艘风机吊装船的性能数据［17-23］。

表1 一些安装船的性能参数

4 运输吊装方式的研究及发展趋势

在风电场的实际吊装经验中，风机安装通常有三种情况：第一，安装基座，吊装支撑塔架和机舱，吊装叶片；第二，安装基座，吊装支撑塔架，吊装机舱和叶片；第三，安装基座，吊装在岸上由塔架、机舱和叶片装配好的风机整体［24］。吊装流程如图11所示：

图11 吊装流程图

4.1 风机分体运输吊装方式［10,25-27］

风机吊装至基座上之前是在岸边完成装配，如先安装好塔架各部分，再安装机舱和叶片。早期，风机的配件通常是被水平的运到场地然后竖起安装。这种方法已被证明是极其花费时间依赖天气的［28］，现在多是塔筒被竖直起来进行运输。机舱和叶片的运输安装可采用以下两种方式：

4.1.1 “兔耳式”运输安装

A2SEA公司的“SEA ENERGY”号自升式驳船,在船中部有支架可以放置两个由机舱和两个叶片形成类似兔子耳朵的组合体，另外两个叶片分别安置在尾部的舷左和舷右，然后依次进行吊装（图12）。

4.1.2 “三叶式”运输安装

A2SEA公司的海力号安装船，在船中部放置机舱，塔筒分布两侧，装配好的类似于叶子的叶片与轮毂组合体安置在船尾的支架上，然后依次进行吊装（图13）。

图12 “兔儿式”的运输吊装

图13 “三叶式”运输安装

4.2 风机整体运输吊装方式［10,25-27］

为了进一步缩短工程建设周期，提高安装效率，风机的塔筒和风力发电机可作为一个整体进行吊装作业。将风机安装工程分为两部分，首先吊装基座，之后吊装在码头装配好的塔架、机舱和叶片的风机机组。英国的Beatrice风场（图14）和我国东海大桥风电场（图15）的前期3台机组采用的就采用了这种吊装方式。这种方式对吊装船的要求较高。

4.3 风电机组的创新型运输安装方式

4.3.1 导管架基础的运输和安装方式

通过船上的液压系统，以及两个移动式升降门架和两个滑移轨道单元将导管架从船上装载位置进行转移和安装。这种浮动制度对水深和海床的条件依赖较小，节约安装时间和费用。在目前的配置概念中，可同时运载4个导管架基础（图16）。

图14 RAMBIZ进行整体吊装

图15 “四航奋进号”进行整体吊装

图16 导管架的运输安装

4.3.2 风机的运输和安装方式

概念一：不使用起重吊机，不采用吊装方式，而是将安装船定位于基础旁，通过旋转升降安装系统，把风机整体从船上装载位置夹紧抱起，逐步旋转移送、降下、固定在基础上［29］（图17）；

概念二：该系统有一个起重机，移动夹紧装置，纵向滑移轨道系统，空中吊运台车。在基础旁，通过空中吊运台车将风机整体在纵向轨道上滑移到起重机旁，起重机上的移动夹紧装置夹住抱起风机，逐步移送、降下、固定在基础上（图18）；

概念三：船上有一个支架，支架的两侧有夹紧和滑动平衡装置，支架的顶部有一吊机。船到底安装地点后，支架顶部的吊机通过滑动平衡装置将风机抬高到适合和基础对接的位置，逐步移送、降下、固定在基础上（图19）。

图17 概念一

图18 概念二

图19 概念三

该类型安装船及安装方式有以下好处：

1）减少海上起重吊装作业、甚至取消对吊机的依赖，提高安装效率和安全性；

2）减少船舶配员的要求；

3）运输安装能力更强，运载量更大，可安装更大型的风机；

4）风机可在岸上进行组装，测试和装载，提高整体可靠性；

5）对水深和海床的条件依赖较小，对天气的适应性增强。

需要攻克和实践检验的主要技术系统［30］有：

1）旋转升降系统、轨道滑行系统；

2）液压系统；

3）固定夹紧系统；

4）控制和监测系统。

另外，欧洲也开始了基础与风机一体的运输吊装法的研究，此方法理论上是在海上作业程序最少的风机安装方法，但目前还没有过实践经验。该方法对风机基础的选择有局限性，如导管架基础和重力式基础。

海上风机的吊装比较特殊，更多的研究应集中在提供快速安全的安装技术和设备。为了减少海上作业时间、缩短工期、降低海上风电场施工成本，各国都在研究改良风机安装的方法。未来海上风机安装的挑战：

1）成本的降低

a）更快的安装过程及其方式的创新；

b）更为优化、适合风机安装的专业安装船的设计制造；

c）风机基础的创新。

2）单机容量大型化，即更大的风电机组

3）更快、更安全的安装装置

a）运输支援船舶的设计制造；

b）更快、更安全的甲板操作装置。

4）由浅海向深海发展以及未来风机基础的形式

漂浮的风电机组：新的安装程序和专用船舶。

5 结语

由于能源日益紧缺，海上风电产业发展迅猛，我国已经开始开发海上风电，而海上风机吊装运输船是建设海上风电场的关键设备。我国还没有专用于海上风电场建设的船舶，因此研究、设计和建造海上风机吊装运输船是可行和必要的。作为一种新型船，对于船厂的技术进步和利润的增长也具有重大意义。

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On off shorew ind turbine lifting transport vessel and its lifting modes

Yao Zhen-qiu Han Qiang

offshore wind power generation；offshore wind turbine lifting transport vessel；requirement；wind turbine installation

At present，the offshore wind power generation develops rapidly.This paper introduces the development and prospect of offshore wind power in China and abroad，and discusses the requirement of wind turbine lifting transport vessel during the construction of wind power station.Then，it describes categorization of the vessels and the development of wind turbine installation modes.

U674.1

A

1001-9855（2011）02-0054-08

2010-12-31

江苏省科技支撑计划资助项目（编号：BE2009118）。

姚震球（1964-），男，汉族，副教授，主要从事船舶研究设计工作。

韩强（1980-），男，汉族，硕士研究生，主要从事船舶研究设计工作。