风电安装平台坐底稳性评估技术

朱亚洲, 吕宏伟, 张晓宇, 樊岩松, 孙友杰， 姜 滨， 秦洪德

(1.哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001； 2.中国石油渤海装备辽河重工有限公司， 辽宁 盘锦 124010； 3.中国石油渤海装备研究院 海工装备分院， 辽宁 盘锦 124010)

风电安装平台坐底稳性评估技术

朱亚洲1,3, 吕宏伟2, 张晓宇3, 樊岩松3, 孙友杰2， 姜 滨1， 秦洪德1

(1.哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001； 2.中国石油渤海装备辽河重工有限公司， 辽宁 盘锦 124010； 3.中国石油渤海装备研究院 海工装备分院， 辽宁 盘锦 124010)

风电安装平台是专门用来在近海、潮间带地区进行风力发电机组安装的专用功能船舶。该文结合“辽河一号”风电安装平台坐底安装，一船多用的典型特点，对其坐底稳性评估技术进行研究。通过编制程序，可以快速实现环境载荷计算，优选波浪参数与地质条件的合理匹配，为工程作业提供必要的技术参考。

坐底稳性 风电安装 载荷计算

1 引言

随着社会经济地不断发展，能源危机和环境问题日益凸显，气温升高，海平面上涨，空气质量下降，气候异常等现象严重影响社会经济的可持续发展。世界环保组织和能源机构规划要求进一步优化能源结构，降低化石能源所占比重，大力发展清洁能源。近年来，风能发电作为可再生的清洁能源，已逐步优化能源结构，在新能源产业的各子行业中，风能发电是清洁能源的重要组成部分。我国海上风电的发展滞后，正处于起步阶段，东南沿海地区对能源需求更为迫切，未来一段时期内，在需求拉动政策的引导下，浅海和潮间带区域是海上风电发展的重点[1]。目前，海洋风电设备安装技术薄弱是制约海上风电发展的瓶颈。

海上风电安装通常有浮式安装船锚泊定位的漂浮作业，升降桩腿式平台的插桩定位作业和船舶被动式抢滩的搁浅定位作业三种方式[2]。上述三种作业形式功能单一，需要多艘辅助船舶支持协调作业才能完成任务，“海洋36”是典型的被动式搁浅定位作业船舶，借助潮涨潮落及船舶自重，实现搁浅作业。本文研究的“辽河一号”风电安装平台是基于压载舱配载，实现平台主动式坐底作业，作业原理异于上述传统作业形式，“辽河一号”风电安装平台采用的主动式压载坐底作业形式属于国际首创，极大地拓展了该平台的作业范围，提高了作业效率，节约了安装成本。对于浅水区域，主动式坐底作业方式无需桩腿、桩靴及升降锁紧装置，降低建造技术上的难点，建造成本同浮式起重船类似，一次性投资小，在建造成本上具有较大的竞争力。本文研究的“辽河一号”风电安装平台在风机安装作业时处于坐底状态，最大程度上满足吊机工作要求，降低了天气和海况对吊机工作的影响，为缩短海上风电场安装作业周期、降低海上风电场的建设风险、控制海上风电场的施工成本创造先决条件。

“辽河一号”风电安装平台设计建造适应目前我国风电场水深5.0 m～200 m，可根据风电场海况选择坐底或漂浮作业。浅水区域内，可实现全船坐底作业，相对于浮吊安装作业，此种作业形式具有就位精度高、海上组装安全性高、不需要额外工装保护措施及一次成功率高等优点。对全船坐底稳性，需要综合评估平台压载后海底地基的承载能力；坐底后平台在风浪流环境条件及吊重等联合作用下，评估平台抗侧滑和抗倾覆能力；平台作业完毕后，计及海底土壤吸附力及波浪垂向力等因素影响，评估平台起浮能力等。上述评估因素互相制约，互相影响，因此，对平台的坐底稳性评估提出了非常高的要求，而目前各国船级社的规范标准尚未给出坐底式作业平台的坐底稳性评估方法，通过本文研究，应用AQWA水动力计算软件建立波流环境模型和船体坐底三维模型，计算出不同工况下的波流载荷值，基于船级社规范推荐的海工平台风载荷计算经验公式计算得到风载荷值，基于插值计算原理，编制计算程序获取任意水深、不同风浪流组合情况下的环境载荷组合，并结合海洋地质勘探所得到的土层参数，综合评估该平台坐底稳性，为“辽河一号”风电安装平台实现“立得住、坐得稳、起得来”的作业目标提供了强有力的技术支撑，更为各国该类坐底式平台的坐底稳性评估提供技术参考。

2 地质及海况资料

在设计初始阶段，需要对风电安装平台作业海域地质进行调研，通过对地质条件及海况资料进行搜集研究。结合项目特点，以南堡1-10井位作为本风电平台的典型地质条件，具体设计参数见表1。

表1 南堡1-10井位土层强度设计参数

3 风、浪、流载荷及倾覆力矩

3.1 风载荷

按照中国船级社规范要求[3]，结合经验公式，风载荷计算如下：

P=0.613V2

Fi=Ch·Cs·S·P

M=F·Z

式中：V为设计风速(m/s)；P为风压(Pa)；Ch为暴露在风中构件的高度系数；Cs为暴露在风中构件的形状系数；F为平台所受总的风倾力(t)；M为风倾力矩(t·m)；Z为风倾力臂(m)。

结合规范计算，求解平台风载荷，求解结果如表2所示。

表2 风载荷计算结果

3.2 波流载荷

参照风电平台主要尺度参数，运用多体水动力分析软件AQWA，建立波流载荷计算模型，如图1所示。基于势流的三维面源法，数值解算该平台结构物坐底作业时在指定作业海况下的波流载荷。将波流参数进行系列化，利用分析软件可以得到不同参数下的波流载荷，如图2 ～图4所示。

图1 AWQA水动力计算模型 图2 横向载荷水深、波高关系曲线

图3 横向载荷矩与水深、波高关系曲线 图4 垂向载荷与水深、波高关系曲线

3.3 吊机倾覆力矩

参考吊机厂家提供吊机作业参数，可选取吊机吊重弯矩14 000 t·m进行校核评估。

4 抗倾稳性校核

抗倾覆力矩：

M抗

外力倾覆力矩：

M外=M波流+M风载+M吊重

抗倾覆能力：

式中：W为某工况下平台总重(t)；B接触为船宽方向接触长度，取为31.82m；M波流为波流载荷水平力矩(t)；M风载为风载荷矩(t-m)；M吊重为吊机工作力矩(t-m)，按500t吊重，28m吊臂选取。

按照上述公式及载荷计算结果即可进行抗倾稳性校核。表3为5.5m和9.5m吃水作业工况某环境条件下进行的抗倾稳性校核结果样例。

表3 抗倾稳性计算表

5 抗滑移稳性校核

抗滑力：

F抗滑力=F对地压力×Cf+Abott×Cv

滑移力：

F滑移力=F风载荷+F波流载荷

抗滑移能力：

式中：F对地压力为平台总重与排水量差值(t)；Cf为摩擦力系数，取为0.12；Cv为粘结力系数，取为0.09；Abott为距基线300mm水线面面积，2 757.2m2。

按照上述公式及载荷计算结果即可进行抗滑移稳性校核。表4为5.5m和9.5m吃水作业工况某环境条件下进行的抗滑移稳性校核结果样例。

表4 抗滑移稳性计算表 单位：t

6 地基抗压能力校核

对地基最大压应力：

地基承载能力：

式中：δmax为对地基最大压应力(t/m2)；Disp为排水量(t)；Abott为平台底部与地质接触面积，取为2 757.2m2；IX为横向惯性矩，取为213 714m4；B接触为船宽方向接触长度，取为31.82m。

参考土力学原理和海工经验，粘性土的地基承载力通常为土壤剪切强度的9倍，即

P地基承载能力=9×Su=9×7=63 kPa

=6.42 t/m2

表5为地基抗压能力计算表。

表5 地基抗压能力计算表

7 起浮能力估算

地基吸附力：

F吸附力=(W总重-Disp)×Ca

起浮力：

F起浮力=W压载水-(W总重-Disp)

式中：Disp为排水量(t)；W总重为压载后总重(t)；W压载水为压载水重量(t)；Ca为吸附力系数，取为0.35。

表6为起浮能力计算表。

表6 起浮能力计算表 单位：t

8 结语

通过对平台典型工况下坐底稳性进行评估，给出了平台在典型工况下吊机全回转作业时满足抗倾、抗滑、地基承载能力及起浮能力要求下的风浪流组合及地质条件，明确了平台作业环境条件，保障了平台作业安全。同时，本论文也为类似平台未来设计时坐底稳性评估方法给出有意义的借鉴和参考。

[1] 刘林,葛旭波,张义斌等. 我国海上风电的发展与技术现状分析 [J]. 能源工程，2009,4：21-25.

[2] 姚兴佳，隋红霞，刘颖明等.海上风电技术的发展与现状[J].上海电力,2007,2：111-118.

[3] China Classification Society Rules for Classification of The Offshore Mobile Units[R] . 2012.

AssessmentTechnologyofOn-bottomStabilityofWindTurbineInstallationUnit

ZHUYa-zhou1,3,LVHong-wei2,ZHANGXiao-yu3,FANYan-song3,SUNYou-jie2,JIANGBin1,QINHong-de1

(1.CollegeofShipbuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,HarbinHeilongjiang150001,China;2.ChinaPetroleumLiaoheEquipmentCompany，PanjinLiaoning124010,China；3.BohaiPetroleumEquipmentInstitute,OceanEngineeringInstitute,PanjinLiaoning124010,China)

Wind Turbine Installation Vessel is specialized in installing wind turbine generator system in the offshore area and intertidal zone. This article combines with the typical characteristics of LIAOHE No.1 Wind Turbine Installation Vessel and researches its assessment technology of On-bottom stability. Base on the programming, the environmental loads can be calculated quickly, the optimized wave parameters and the geological conditions can be reasonablely matched, which can provide a necessary technology reference for engineering operation.

On-bottom stability Wind turbine installation Loading calculation

朱亚洲(1982-)，男，工程师，在读博士。

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