海上风电安装船设计要点分析

赵志坚/中远海运重工有限公司

海上风电安装船设计要点分析

赵志坚/中远海运重工有限公司

随着风电安装船的总体性能不断提升，使得在更广阔水域开发海上风电场成为了可能，同时也为风电安装船的建造创造了机遇。

为了有效应对全球气候变暖，减少温室气体排放，大力发展可再生能源已成为世界各国的普遍共识。海上风力发电因其资源丰富、风速稳定、对环境负面影响较少，具有十分广阔的应用前景。

海上风电代表了当今风电技术的最高水平，随着海上风电产业的兴起，海洋风力发电装备及其相关产业也获得了快速发展。集海上运输、风电安装、风电场维护功能于一体的风电安装船，作为海上风电场安装和维护的专用工程装备，以其功能集成齐全、装载能力大、作业效率高、操作适用性好、使用成本低的特点，越来越受到国内外海上风电运营商的青睐。风电安装船的总体性能不断提升，使得在更广阔水域开发海上风电场成为了可能，同时也为风电安装船的建造创造了机遇。

国内外风电安装船现状

海上风电机组的安装作业分为水下基础安装和水上塔筒及风车部件安装。根据风电安装船主吊机起重能力的不同，水上部分安装通常分整体安装和分体安装。

整体安装是指塔架、机舱、轮毂和桨叶全部组装完毕后，将其作为一个整体用吊机一次性安装到海上风车基础上。分体安装是指风机部件以散件或组件的形式运输到作业现场，依次安装到海上风车基础上，通常分为三叶式、兔耳式及单叶式安装。

早期，风电安装船多由其他海洋工程船改造而成，或者风机安装直接由多型工程船联合作业。随着装机容量的日益增大，传统的风电安装船已经无法满足起吊高度和起重能力的要求，特别是运输、安装效率的低下，且由于往往多船联合作业才能实现风机安装，使得安装费用居高不下，无法满足当前海上风电快速发展的作业需求。近年来，欧洲多家海洋工程公司相继建造了多艘专用于海上风电安装的工程船。各种类型风电安装船舶的对比如表1，可以看出，自航自升式风电安装船兼具自升式平台和浮式船舶的优点，突破了风机的大型化、吊机能力和海况条件的限制，集成了海上风机安装的所有功能，能够实现快速运输和高效安装，是当前海上风电安装的首选装备。

表1 海上风电安装船船舶类型对比

风电安装船设计细节

与普通的起重安装船相比，自航自升式风电安装船有良好的快速性和操纵性，可以一次性运载更多的风机，能够在相对恶劣的海况下作业，且安装速度较快，经济性突出。中远海运重工近年来承建并交付了两型4艘风电安装船，分别是6条桩腿形式的“探险号”和“发现号”姊妹船，以及4条桩腿形式的“海上安装者”和“海上挑战者”号姊妹船。

经工业和信息化部批准，中远海运重工技术研发中心牵头开发了一型具有自航自升能力的风电安装船，现已成功通过工信部组织的验收评审。该项目的成功实施，突破了近海风电设备安装船设计建造关键技术，取得了挪威船级社和中国船级社的基本设计认可，形成了具有自主知识产权的近海风电设备安装船设计。

该船采用超U形船首设计，阻力小，航速快，配备900吨起重机，满足环保符号CLEAN DESIGN的要求，配备DP2动力定位系统，可一次性装载7台6兆瓦风机部件，最大甲板载荷超过5000吨，达到国际先进水平。该项目获得国家发明专利1件，软件著作权1件，发表学术论文14篇，制造了液压升降系统模拟样机1套，取得了中国船级社船用产品试验证书。

下面从型线优化设计、总布置设计、水动力性能分析、结构设计与强度分析、液压系统设计及环保设计几个方面对该风电安装船设计要点进行介绍。

型线优化设计

由于风电安装船船宽都比较大，属于典型的浅吃水肥大型船舶，受桩腿位置影响，入流段比较小，同时船首部还要布置管隧式推进器，受管隧长度的限制，使得艏部型线设计非常困难。一些设计公司将艏部设计成附体形式，如图4所示。这种艏部设计导致型线的光顺度很差，造成船舶阻力的急剧增加，对快速性影响很大。

为解决艏部船型设计与艏侧推布置的矛盾，改善船舶的快速性，技术研发中心应用CFD数值模拟仿真技术对近海风电设备安装船的型线进行了优化设计。在充分论证的基础上，经过全参数化建模和多目标多参数化优选，使用逐渐逼近的方法，综合考虑了船舶的快速性、施工便利性、DP定位能力、浮心位置等影响因素，经过多轮次的优化，形成了具有超U型水线的最优设计，并取得了国家发明专利授权。

总布置设计

图1 “探险号”风车船

图2“海上安装者”号风车船

图3 自主设计的风电安装船

图4 国外某型船艏部设计

图5 超U型水线船艏

图6 站立抗倾覆稳定性

图7 固有周期模态分析

风电安装船总体布置设计受多种因素影响，总布置的优劣直接决定了甲板空间能否得到有效利用，进而影响风电安装船的最大装载能力和运营的经济性。

技术研发中心开发的风电安装船配有6台发电机，分别位于船体中部的2个机舱内，远离生活区，避免振动噪声对居住区的影响，每个机舱的烟囱分别靠近桩腿升降室，增大了甲板有效利用面积。艉部装有3台全回转推进器，为船舶的航行提供推进动力，船首经过优化后航速可达12.5节，同时艏部装有3台管隧式推进器，既经济又达到了DP2级动力定位的效果。

全船共有4条圆柱形式的桩腿，绕桩式的主起重机位于艉部左舷桩腿的升降室上。这种布置方式一方面降低了起重机支撑的结构重量，提高了可变载荷；另一方面减小了对甲板空间的占用，进而可装载更多的风机部件，增加了营运面积。为了使整船提升时各桩腿受力均衡，优化了甲板布置，使得典型装载工况下的船舶重心位置尽量靠近4条桩腿的几何中心。

水动力性能分析

近海风电场的水深通常在50米以内，风浪流条件比较复杂，非线性效应明显；同时由于工况繁多，除需要开展常规的水动力性能分析外，还需要针对风电安装船特殊的作业特点，有针对性的开展水动力分析工作。在安装和回收桩腿时，由于桩腿高度的变化，整个风电安装船的重心位置和初稳性高度都会有所变化，这对风电安装船在波浪中的运动会造成一定的影响，特别是横摇运动。同时，当桩靴刚抬离海床或将要插入海床时，应避免因为船体的剧烈运动而导致桩靴与海底发生严重的碰撞，造成桩靴的损坏。因此，开展风电安装船桩腿下放和回收的整个过程中的运动性能分析是十分必要的。

在进行安装作业时，风电安装船的主船体部分会在桩腿的支撑下，抬离水面到一定高度。此时，船体底部的气隙大小直接关系到平台的结构安全。如果气隙高度不足，船体会遭遇波浪砰击载荷，波浪碰撞船体迅速破碎，会在瞬间释放极高幅值的冲击载荷，进而对船体的局部结构强度和船体的稳定性造成不利影响。技术研发中心联合大连理工大学，基于CFD计算流体力学理论，建立数值波浪水池，对数值造、消波技术和算法进行验证，并根据极大波浪参数数值模拟波浪爬升现象，完成对圆柱桩腿上指定位置波面升高时程、爬升速度和砰击压力的预报，进而保证风电安装船在作业工况下的安全性。

结构设计与强度分析

风电安装船配有液压升降装置和桩腿结构，通过液压系统控制把桩腿下放到海底，进而通过预压载将桩腿插入海床一定深度，再将整船提升到水面以上一定高度，为安装作业提供稳定支撑。在风、浪、流、整船重量以及惯性载荷的联合作用下，风电安装船结构设计需要实现“升得起、站得稳、吊得动”的目标。“升得起”是指船舶在正浮状态下利用升降装置将桩腿插入海床进而将船体提升到作业高度的过程，这包括两方面的能力需求，一是升降装置具有足够提升能力；二是桩腿要有足够的强度。“站得稳”是指船舶升出水面后，在风浪流环境载荷及自身作业载荷的作用下依旧能够保持稳定，这就要求桩腿设计要有足够的强度和刚度，桩靴要有充足的承载面积，以满足地基承载能力需求；此外，站立状态时的抗倾覆稳定性也是“站得稳”的一个重要参考指标。“吊得动”则要求船上配备的起重机能够完成大型风机部件的安装作业，在吊高、吊重和吊重曲线上可以匹配目标船型的能力需求，同时，最大吊重时的桩腿强度则是实现安全作业的一个重要保障。

图8 桩腿屈曲模态分析

图9 站立状态总体强度

图10 桩靴结构强度

图11 升降室与导向结构强度

图12 模拟平台试验

风电安装船属于自升式结构物，技术研发中心应用船舶强度评估和海工结构强度评估相结合的方法，基于有限元分析技术，在考虑各种非线性效应基础上，对风电设备安装船各设计工况下的总体强度进行评估，并结合总体强度应力分析结果开展了局部关键区域结构的强度评估，根据强度评估结果完成了全船的结构优化设计。

对自升式风电安装船而言，桩腿、桩靴的结构设计和强度分析是保证船舶能够安全作业的关键。技术研发中心通过总体强度与局部强度相结合的方法，将总体强度提取的内力载荷施加到局部结构中来，开展了桩腿与桩靴的结构强度评估，并基于强度分析结果完成了风电设备安装船桩腿、桩靴的结构迭代优化设计。

液压升降系统设计

液压升降系统作为风电安装船的关键部分，其性能的优劣直接影响船舶的作业能力。中远海运重工研发的风电安装船采用了子公司南通迪施所开发的液压升降系统。该系统可实现整船的连续升降，达到每条桩腿提升能力5400吨，锁紧能力9500吨，工作性能平稳，在工作及非工作各种状态下，具有多种安全保护措施，能够保证船舶在升降操作及海上风机安装作业安全。

为了验证液压升降装置控制系统的有效性，技术研发中心通过设计制造液压升降系统模拟样机，应用与风电安装船液压系统和液压升降控制系统设计文件相一致的液压系统、液压控制系统的原理、原器件选型（型号一致规格变小）、控制软件及控制程序来验证实船应用的连续升降液压升降系统和液压升降控制系统设计，取得中国船级社（CCS）颁发的船用产品试验证书，并获得多项国家专利。

环保考虑

船舶对大气造成的污染日益受到全社会关注，据统计全球排放的氮氧化物中30%来自海上船舶。目前，全球共有4处排放控制区，分别是波罗的海地区、北海地区、北美地区、美国及加勒比海地区。2015年12月，中国政府也首次在珠三角、长三角、环渤海三大主要水域设立船舶排放控制区。

海上风电场目前均分布在近海海域，而风电安装船则往返于风电场和港口之间，如何减小船舶排放对环境的影响是目标船设计工作不得不考虑的因素。在设备选型上，目标船采用了以含硫量低的船用轻柴油（MGO）为燃料的发电机，并在排烟管上安装了氮氧化物催化还原除氮装置（SCR），可保证船舶在排放控制区航行或作业；同时配备压载水处理单元，加强了舱底水、污油水、生活污水系统方面的设计，满足挪威船级社环保方面的入级符号（CLEAN DESIGN）的各种要求。

深水化、大型化、专业化将是未来发展方向

深水化

受潮间带面积和风电场规划影响，未来海上风电安装必然将由极浅水向30—50米甚至更深的海域发展，这对风电安装船的作业能力提出了更高要求。随着水深的继续增加，圆筒形桩腿设计在强度、刚度、稳定性方面受到极大挑战，尤其是难于满足要求的刚度和稳定性方面。因此，深水作业的风电安装船将更趋向于采用桁架式桩腿结构，更大尺度的桁架式桩腿进一步影响到甲板有效装载面积，降低了船舶装载运输能力。因此，深水化趋势不但会带来设计难度的增加、船舶作业效率的降低，更会带来造价的大幅上升，这就需要设计公司在优化设计方面下足功夫。同时，由于自升式结构物存在最大作业水深的限制，着眼于创新安装设计方案的开发将是深水化需重点考虑的方向。

大型化

海上风电电机约占风机成本的45%，在海上风电场建设总成本中，电网连接、安装和支撑结构等基础投资占比过高，因此海上风电机组大型化能够适当降低此类成本的投入，从而提高海上风电开发的经济效益。目前国外已经出现了9兆瓦以上的巨型风电机组，传统的小型船舶根本无法胜任安装需求。从技术层面来说，大型化的发展对风电安装船的甲板面积、吊重吊高、甲板载荷、定位能力等方面提出了更高的要求。

专业化

随着风电并网技术的逐步成熟，海上风电场的规模将越来越大，海上风电安装效率直接影响运营商的经济效益，未来海上风电安装市场所需的船舶类型将朝着专业化方向发展。海上风电场建设过程中的地质勘测、基础施工与风机安装、离岸变电站安装、缆线铺设、运营维护等工作将由专门的船舶负责，产业链也将变得更为完善和专业。

作业高效化

海上风机安装不同于陆地，受海洋环境条件（风、浪、流及海底地质）的影响较大，存在作业窗口期问题，年度可允许作业时间将受到一定影响，进而降低作业效率，增大海上风场建设的成本。随着技术的不断发展和成熟，自升式风电安装船可从多个设计方面进行改善。首先是船型，可开展多目标的综合优化设计，以使得风电安装船的单次运输、承载能力实现最大化；其次是桩腿的设计，在重承载作用下还应具备抵抗恶劣环境条件的能力；桩靴的设计可兼顾地基承载压力，从而提高对海底地质条件的适应性；此外，主吊允许的作业环境也在不断改善和提升。

对于自升式风电安装船而言，桩腿的下放、预压载、船体的提升和下降、桩腿的回收等动作所耗费的时间约占到安装作业时间的50%以上，提高桩腿插拔和船体升降的速度，缩短操作时间，可以大幅提高安装效率，提高船舶的运营经济性。基于上述考虑，在保证升降机构运动平稳的前提下提高升降装置的升降速度，缩短桩腿和船体收放时间，可以作为效率提升的另一个研究方向。

建造方案趋向灵活性

海上风电场建设未来的走向是趋于深水化，但50—60米水深以内的固定式风机在较长一段时间内将占据市场主导地位。海上固定式风机的安装存在多种多样的解决方案，其最终目标还是以经济性为主。目前，市场中已存的自升式工作平台量大、型号齐全，开展海上风机安装的唯一欠缺是没有配备符合风机安装能力的吊机。陆用伸缩臂履带吊的起重能力已达1200吨，配有桁架式吊臂的履带吊甚至达到1350吨，在陆地大吨位重物的吊装工程应用方面已经十分成熟和稳定。自升式工作平台站立时类似海中的单点陆地，几乎没有任何运动，这个特性为陆用伸缩臂履带吊与自升式工作平台的结合提供了关键的可行性保障。吊装高度方面，自升式平台升船高度可在一定程度上满足对吊机自身的起吊高度需求，从而减少了履带吊对副臂和配重的过度依赖。此外，伸缩臂履带吊占用空间小、重量轻，为两者的结合带来一定优势。

伸缩臂履带吊通过与市场中已存自升式工作平台的结合可快速具备海上风电安装能力，且可以通过不同型号履带吊与不同型号自升式工作平台的灵活搭配具备不同规格风机的安装能力，是一种经济、高效、可行的选择方案，可根据不同海域、不同风场的作业需求进行适度设计和开发。

浮式风机安装方式的发展

目前看来，面向未来的海上风电建设还会继续朝着深水、恶劣海况的方向发展，海上风机与浮式海工结构形式的结合催生出各种类型的漂浮式海上风机设计，这两点很好地契合了未来海上风电的发展走向。自升式风电安装船由于作业水深的直接限制，将不具备浮式风机的运输安装能力，取而代之的是漂浮式风电安装船或平台。超大型浮式风电安装船可以一次运输更多的风机，配备的主吊起重能力也更为强大，在作业水深方面则完全不受限制。半潜式起重平台不仅适合深水起重安装，更是工作在恶劣海域的浮式风机安装的不二之选。

功能的扩展与延伸

随着深水化的发展、吊重能力的不断增强、甲板装载能力的不断增大，特别是具备超过1000吨、甚至几千吨的重吨位起重能力，超大型浮式风电安装船也延伸出其他一些服务功能，如固定式导管架平台的安装、退役拆解及运输作业，海上桥梁与海底隧道施工的辅助吊装工程作业，打捞救助作业等。这种作业功能的集成与增多、作业领域的模糊与重叠，成为未来市场开发时制定风电安装设计方案的一个重要考量。

步入快速发展期

我国海岸线长，近海风能资源丰富。近海水深5—50米范围内，风能资源潜在开发量达到5000亿瓦。未来几年，我国的海上风电将进入快速发展阶段，风电安装船的需求将会持续增加。

中远海运重工技术研发中心开发的工信部项目风电安装船配备了DP2级动力定位系统、具有优秀的自航能力，同时该船的装载能力、升降能力与国内同类产品相比具有明显的优势，在国际上属于高端设计。依托工信部近海风电设备安装船研发项目开发过程中形成的技术和船型储备，结合国内船东的具体需求，技术研发中心积极开展风电安装船报价设计，在短短几周时间内开发出了一型满足目标营运需求（作业区域覆盖中国沿海、满足国际调遣需求、具有一定前瞻性、能够高效运输安装作业）的风电安装船，并积极将设计方案推向市场，力争早日实现项目的市场化推广应用。★