海上风电场维护船功能及船型研究

杨铃玉

摘 要：风能是一种清洁的可再生能源，海上风电场具有高风速高产出等优点，近年来得到越来越多的关注，随着海上风电场的逐渐发展，风电场的运行维护问题随之而来，海上风电场维护船是维护人员开展维护任务必不可少的交通工具，本文对海上风电场维护船的功能进行分析，从而确定并罗列了相应的维护船船型，为海上风电场的维护船船型设计奠定了一定的基础。

关键词：海上风电场 维护船 功能分析 船型研究

中图分类号：U674 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（b）-0028-02

风能是一种清洁的可再生能源，由于海上风能资源丰富，且海上的风速更高，所以海上风电场相比陆上风电场可以提供更多的电能输出。近几年人们逐渐将视线转移到海上风能的开发。对于海上风电场而言，许多技术挑战来自于对其安装、调试和运行维护方面，风电场维护任务主要包括维护人员交通和登离风电塔基并定期进行巡检以及更换损坏部件。随着距陆地距离越远导致水越来越深，海上风况也越来越复杂，由于海上基础建设和海上风电场运行维护成本极高，占据能源成本的20%[1]，为此，考虑到风电场常受到风浪和潮汐的影响，同时改善和提高维修人员登离塔基的安全性和可能性，有必要对海上风电场维护船功能及船型进行研究，以提供安全、经济、高效的维护交通工具，提高海上风电场的运营效率和效益。

1 风电维护船功能定位和使用要求分析

1.1 功能定位

风电场维护主要包括维护人员交通以及定期检修和更换部件，所以维护船是风电场开展日常维护工作必不可少的专用工具，体现在：一方面要承担对维护人员安全登离风电塔基的任务；另一方面需要搭载相应的检修装备及部件，能够确保维修工作的进行。

1.1.1 安全适航功能

由于风电场水域开阔，恶劣海况相对频发。为了做到有计划地对风电场设备进行维护和保养，且及时处理运营过程中的突发事件，因此要求维护船具有较好的适航性能以及较好的抗风浪能力。在保证安全的前提下，要求维护船具备一定的快速性能以及较好的船位控制和靠泊能力，使得维护船能够安全停靠在风电塔基的基座上，以保證维护人员能够安全登上塔基进行相应维护工作，避免由于故障时间导致的成本损失。

1.1.2 平台搭载检修设备功能

维护船是搭载专业维修人员以及相应的检修设备及配件至故障点及时解除故障的必要的交通工具，因此在维护船上需要装配有相应的起重设备和配件，以便能够及时更换损坏零件[1]，同时也需要维护船具有较为宽敞的甲板来承载相应的装备。

1.2 使用要求

1.2.1 航速

海上风电场距岸一般在10～60km。为了尽可能减少维护人员在途时间，因此对维护船航速也有一定的要求。以东海大桥海上风电场为例，其最北端距离南汇嘴岸线约6km，最南端距岸线约13km，且其东西向和南北向距离约5km。根据日常维护工作需要，希望1h内能达到任一风力发电机组塔基处，即航速不低于13km/h。考虑该海域潮流（约11km/h）和风速的影响，维护船设计航速不小于25km/h为宜。对于远距离的深海风电场，维护船航速则有更高的要求。

1.2.2 作业

根据中国沿海风电场海域风级和波浪统计资料，结合运行维护实际需要，在6级风的情况下，维护船能够进行船位控制、人员登离等安全作业。

1.2.3 舱室

根据陆上风电场维护情况，结合海上风电场维护需要，维护船要求能够搭载维护人员5组（每组2人，且随身携带小备件），即要求设置10座乘员舱室及辅助设施。对于需要携带大量备品、备件和小型设备的维护船，可以设置储物堆场和小型起重机。

2 船型研究

海上风电场维护船作业能力反映在：一是快速安全航行以及在大风浪下能够安全出航的能力；二是搭载相应的维护装备的能力；三是可靠的登离装置能够搭载维护人员的能力。维护船安全航行的能力主要由其总布置、主尺度、装机功率及推进方式等来决定；搭载维护装备的能力通常由船型要素，船型设计以及甲板面积等来决定；可靠的登离装置能力由专门的辅助登离装置来保证。为此，船型方案应当侧重快速性、适航性以及宽敞甲板这三方面进行构思。

根据维护船的功能定位以及分析单体船、双体船和三体船的特点，研究适应海上风电场不同要求的维护船船型方案。

2.1 高速单体船型方案

在海况相对正常的情况下，为了缩短风电维护人员在航时间，维护船可采用高速船型方案[2]（见图2）。该船型主船体为单体圆舭折角型式[3]，有较大的长宽比和舭部升高，以提高快速性能；船尾装备2台套可调螺距推进装置和2只悬挂式流线型平衡舵，船首设置1台套侧推装置，以达到船位控制操纵的目的。

该方案在满足维护人员乘用和船员正常工作以外，主甲板以上设简易轻质甲板室，一方面进一步改善船舶性能；另一方面可提供足够的首甲板空间，用于布置辅助可调节登离装置，提高登离时的安全性。

2.2 中速单体船型方案

在较大风浪海况情况下，为了提高船舶的操纵性能，维护船可采用中速船型方案（见图3）。该船型采用2台套全回转舵桨操纵推进装置，以保证船位的控制和航海性能。

该方案在满足维护人员乘用以外，主甲板以中部留有较宽敞的备件堆放甲板，并设有1台套全回转液压折叠式小型起重机，以送达风电塔筒平台。

2.3 高速双体船型方案

高速双体船型片体细长，阻力性能较好，甲板宽敞，抗风浪能力较强，横摇角较小。该船型非常适合较大风浪海域高速航行，但由于存在两片体，机舱设备布置和管理较不便。

穿浪双体船型与常规双体船型相比，其最大优势表现为耐波性更好；其不足之处是船体几何形状和结构较为复杂，且舱室设备布置困难。针对海上风电场的实际情况及维护船的使用要求，在常规双体船的基础上，吸取小水线面双体船的优点，采用相对长度较大的球首和球尾船型[5]（如4所示），以获得优良的快速性能和耐波性能。

2.4 中高速三体船船型方案

三体船型最先由英国提出，它由一个主体和两个侧体组成，两个侧体对称布置于主体两侧[4]。本文所设计的中高速三体船侧体排水量占总排水量的比值相对较大，为12%，增大侧体的大小从而提高甲板的利用率，并且也有利于主机的布置。跟单体船和双体船相比，三体船在快速性、耐波性、稳定性、安全性以及可布置性方面均具有优势，但其自身也存在着一些不足。由于目前并没有专门的三体船规范，因此给设计带来了一些不便，通常在设计时均参照相关高速船规范，本文所设计的三体船的模型如图5所示。

3 结语

海上风电场的运行维护是保证其效益稳定产生的重要基础工作，其维护船是维护人员进行维护必不可少的交通工具。

本文根据海上风电场维护船的功能进行了分析，并根据相应的功能需求分析了几种合适的船型。所进行的维护船功能需求分析和船型研究，对风电场运行维护及其效益的发挥具有一定的现实意义和工程应用价值。

参考文献

[1] 刘永前.风力发电场[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2] NAPA Oy Finland.Introduction to NAPA[Z]. 2011.

[3] 谢云平，姚诚钰，姚伟.圆舭折角高速船型线参数化设计及其阻力性能分析[J].船舶工程，2012，34（4）：21-23.

[4] 卢晓平，郦云，董祖舜.高速三体船研究综述[J].海军工程大学学报，2005，17（2）：43-48.

[5] 张秀萍.海上风电场维护船船型及相关性能研究[D].江苏科技大学，2014.