海上风电场运维居住平台的关键技术分析

刘正亮 唐俊 陈焕东 张洪流

摘    要：随着国内外的风电场规划与建设均朝着深水区发展，风电场的水深越来越深、工作环境越来越恶劣。但在深水区风电场的维护方面却面临挑战，且缺乏相关经验。本文结合已建造的GM-J180A风电居住平台的关键技术与风电场的接口展开相应的分析，对深水区风电场的维护具有一定的参考意义。

关键词：深水区风电场;风电运维装备;技术;分析

中图分类号：U674.98                            文献标识码：A

Abstract： With the development of wind farm planning and construction both at home and abroad towards the deep water area， the water depth of wind farm is deeper and the working environment is more and more severe. However， the progress in the maintenance of wind farm in the deep water area is slow， and there is no relevant experience to learn from. Wind farm maintenance has a considerable market space， but also accompanied by challenges. This paper introduces and analyzes the key technologies of GM-J180A wind power living platform and the interface of wind farm， which is of great reference significance for the maintenance of wind farm in deep water.

Key words： Deep water wind farm; Wind power operation and maintenance equipment; Technology; analysis

1     前言

海上风能作为一种可再生、无污染且储量巨大的能源，其未来的发展不言而喻。加快海上风电项目的建设，对于促进沿海地区治理大气雾霾、调整能源结构和转变经济发展方式具有重要意义。

当前，海上风电已成为全球风电发展的研究热点，世界各国都把海上风电作为可再生能源发展的重要方向，预计到2050年全球海上风电装机容量可达到1000 GW。

我国海上风电资源丰富，海上风电装机规模逐步增大。根据“十三五”规划，到2020年海上风电将开工建设1 000万kW、建成500万kW。随着海上风电的发展，各地都相应的调整了海上风电布局，调整后部分省份的规模大大增加。

世界上第一座远海风电场（丹麦Horns Rev二期209 MW海上风电场）距离港口60 km，安装了91台西门子2.3 MW风机，是全球首座带有海上居住平台的风电场;2018年，在建最远风电场离岸103 km、水深达到77 m;中国海上风资源丰富，近海深水区风资源大约是浅水区的3倍，近海深水区的水深大约40 m、离岸大约40 km。

随着国内外风电场的选址逐步从浅水区朝深水区发展，对桩基建设、风机的制造、安装、电网建设、风电场运维等全产业链涉及到的各个环节均产生了一系列影响。如风电场的运维，由原先的浅水区运维转移至深水区运维，其离岸远、水深较深、海况复杂。

从资源总量上看，我国近海风电场的水深为5～50 m;深水区风电场离岸距离一般在60 km以上;风电场的运维设备由原先的小型风电运维船向大型的风电居住平台转变，水深的增加、浪涌、海流、海风等对平台的影响越来越大，需对风电居住平台的技术指标进行优选，如：桩腿长度加高;桩腿形式采用桁架式;具有较大的居住区;具备对外输送燃油功能;人员转移方便等。

2    海上风电居住平台简介

随着海上风电场的规模不断扩大，位置也逐步走向深远海，对运维可达性提出了更高的要求。在欧洲，通常运维人员一天的工作时间为12小时，由于受航程及运维船航速限制，运维人员每天来回的通勤时间达到6小时，目前主流的风电运维船尺寸在10～27 m之间，运维备件和人员配备均有限，无法满足相关要求，因此需配备相应的风电居住平台。

借鉴丹麦的远海风电场经验，在深水区的风电场中配备居住平台和相应的运维船，以解决风电场往返岸基时间长、运维人员居住条件差、燃油补给、人员转移等方面的系统性问题。本文以GM-J180A风电场居住平台为例，结合建造工作中的相关研究工作及经验，进行相应介绍和分析。

目前国内并无深远海风电场，近海风电场主要依靠运维船，当运维船无法满足要求时需要依靠风电安装平台。风电安装平台的主要特点是配备有较大的起重机，能满足风机的吊高和重量要求;风电安装平台的桩腿形式一般采用壳体式，升降系统采用齿轮齿条式，人员的转移依靠吊机和吊笼配合，无相关的燃油补给等功能，而专业的风电场运维平台能较好的解决上述问题。

3     海上風电居住平台的关键技术

3.1   平台基本技术参数

图1所示为GM-J180A风电居住平台效果图。该平台满足LR英国劳氏船级社关于海工设施入级规范以及法规2016版、UKHSE的部分规范和挂旗国要求，主要给英国北海南部和丹麦海域的风电场运维人员提供居住服务。该居住平台主要技术参数，如表1所列。作业水深55 m、甲板面积500㎡、甲板可变载荷500 t、可满足280人居住;桩腿和桩靴总长95.6 m;无动力系统，续航力280人/30天。

3.2   平台桩腿的选型

平台桩腿的形式，主要有壳体式和桁架式两种：

（1）壳体式桩腿（见图2）

其结构简单、加工制造方便;但由于侧部投影面积大，海况、风速、水流等环境因素对桩腿的影响也较大;并且作业海域较浅，一般不超过60 m水深;

（2）桁架式桩腿（见图3）

其镂空的结构，能有效减少浪涌、海流及海风对平台的作用力，使平台的稳定性和安全性大大增强;作业海域水深可以达到120 m，因而在恶劣海况的海域如英国北海等深水区服务的风电居住平台优选桁架式桩腿。

3.3   运维船与居住平台的对接

风电场投产后，往往在风电场内配备多艘运维船。风电居住平台在风电场站桩作业后，平台主体结构离开水面，高度较高。

现有的运维船与平台的对接方式，主要有吊机吊笼或升降平台系统等;采用吊机吊笼对操作人员存在较大的安全风险;而通过升降系统降低平台至水面，则需要耗费较多的时间，成本较高且对升降系统的使用寿命有较大影响。

GM-J180A风电居住平台在尾部设置有一套独特的登艇系统，用来提高人员从平台至运维船的换乘效率和安全能力。登艇系统由提升塔架、登乘平台、提升系统和相应的电气控制系统组成：登乘平台在三个方向设置有靠船柱，并且在登乘平台甲板面设置有多个带缆桩和导缆孔，运维船可以顶靠在登乘平台上;提升塔架内部设置有梯道和电梯，人员从居住平台通过梯道或电梯至登乘平台。登艇系统示意图，如图4所示。

由于海上环境复杂，风电场内的运维船需要可靠的系固，除了在平台尾部水面的登乘平台能停靠三艘运维船外，平台主甲板尾部和左舷设计有两套运维船转移系统（见图5），每套系统能同时存放两艘运维船;每套系统设计有可供停放两艘运维船（船长6～12 m）的存放支架，每套系统配备有两个吊钩，单个吊钩能在2～6 m范围内移动，双钩架的工作范围为6～12m;单钩最大起升负荷为12 t、双钩最大起升负荷15 t、最大起升和下放速度0～40 m/s;运维船存放在系统的存放支架上，每套系统配2套存放支架，存放支架分别布置在内外两侧;2套存放支架在长度方向上可调节行程为6 m，可以支撑长度为6～12 m的运维船。

3.4   运维船的加油系统

深水风电场离岸基较远，运维船的燃油补给需要统筹考虑。本平台在尾部设计有一套给运维船加油补给系统，由货油舱、加油泵组、加油机、加油软管及相应管线组成：货油舱（容积535 m?）设置在平台主船体结构内;加油枪布置在尾部登艇系统的登乘平台三个靠艇桩附近，运维船在停靠时可随时补给作业;加油机上集成显示加油量和金额等必要信息。除了给自身运营的运维船加油补给外，还可以给其他风电场的运维船提供加油补给。

3.5  直升机平台集成系统

直升机为海洋平台提供的服务，包括：人员运送、后勤支援、伤病员救护和紧急撤离等。由于直升机所特有的安全性、实用性和高效性，目前在海上平台上得到了广泛使用。考虑经济性，风电场采用直升机代替运维船的可行性较低，但在突发事情（如救护伤员和紧急撤离等）中直升机的作用至关重要。

直升机的作业方式有两种：一种为直升机降落作业，相应的作业区为具有足够大小的可供直升机降落的区域;另一种为直升机在悬停状态下进行的人员和物资的吊放作业，相应的作业区为吊放区，但不能供降落使用。

为了直升机降落作业，需配备直升机甲板，一般选用铝制直升机甲板，并配备有流水槽、系留点、安全网、防滑网、标志、助降系统和消防系统。

GM-J180A风电居住平台首部左右舷各设计一个直升机甲板，直升机甲板之间布置直升机加油系统和机库。该直升机平台结合风电场的海况和往返岸基距离所设计的机库，可以同时存储3架直升机，并且具备有对外加油功能。居住平台首部直升机平台集成系统图，如图6所示。

3.6   人员管理系统

本生活居住平台设计容纳人员为280人，主要的服务对象为船员和工作人员，配置了人员管理系统对人员的工作、生活、娱乐进行系统的管理;系统采用内置指令协处理器CIP卡和自组网技术，建立一套准确、稳定、可靠的海洋船舶/平台人员登船、离船定位的管理系统;在确保平台上工作人员的人身安全的同时，提升平台的服务和海洋应急反应能力，提升船舶人员的信息化管理水平。

人员管理系统是基于在无线或有线局域网内，为登船人员提供身份识别及位置管理的信息系统。多功能信息卡可以提供持卡人员的多种信息，包括姓名、证件号、房间号、职务、可通行区域和紧急撤离点等;该系统通过完全定制化的功能及需求，满足船舶或平台工作人员的日常管理，以及在紧急状态下人员的及时有效撤离，最大程度保障人员安全。

3.7  小结

通过对风电场运维及居住平台的关键技术分析：GM-J180A风电居住平台选用桁架式桩腿，能有效减少浪涌、海流及海风对平台的作用力，提高了平台的作业水深;居住平台与运维船的对接形式配备的登艇系统、转移系统和加油系统能从系统功能性、快速性、安全性角度满足风电场的运维需求;配置的直升机平台集成系统具有高效性，能较好的处理平台的突发事情;而人员管理系统，对平台上的居住人员智能化管理，提升信息化管理水平。

4    结束语

随着国内外的风电场规划与建设均朝着深水区发展，风电场规模越来越大，风电场建成投产后如何确保安全、高效、低成本的系统性维护，将是一个重大的研究课题。本文结合GM-J180A风电居住平台的关键技术与风电场的接口展开相应的分析，主要从运维人员的工作时间、效率、安全和紧急事故处理方式进行重点说明，对风电场的维护及配套的居住平台的设计开发具有重要的参考意义。

参考文献

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