浅谈深水区海上风电机组安装技术与发展

陈杰湛

摘要：随着深水区海上风电项目陆续开发建设，对风电机组安装的技术提出了新的更高的要求，满足深水区风电机组安装的风电安装船已屈指可数，文章以广东省深水区开发项目为例，介绍海上风电安装技术及风电安装船发展现状，探索风电安装船对深水区风电机组安裝的适应性问题，并提出方案改造钻井平台作为过渡载体，为解决深水区风电机组安装施工提供案例参考。

关键词：海上风电;深水区;风电安装船;风电机组吊装;过渡阶段

中图分类号：TM747文献标识码：A文章编号：2096-6903（2021）12-0055-04

0引言

气候问题已成为全国环境治理的主要议题，各国及地区在清洁能源发展上各自提出了战略协议。据全球风能理事会预计，未来十年全球将累计新增超过235GW的海上风电装机，中国占亚洲板块新增装机容量份额达71.8%，可见，我国未来海上风电行业开发规模、发展潜力巨大。就广东省而言，到2030年底，即将建成投产海上风电装机容量约3000万kW，规划建设海上风电场址23个，总装机容量6685万kW，其中浅水区占985万kW，深水区占5700万kW。同浅水区相比，深水具备的环境条件更加复杂，单机容量不断增大，对施工技术的要求不断提高，虽然近年来我国海上风电技术水平有着明显地提高，但在深水区风电机组安装的技术装备水平仍无法满足现阶段我国海上风电建设需求[1]。

1海上风电安装技术

1.1风电机组安装施工工艺

风电机组设备主要包括：塔筒、主机、轮毂以及叶片。海上风机设备的安装方法可分为分体式和整体式安装法。整体式安装效率高，对作业船甲板面积、承重、吊机等要求高，且码头准备工作复杂，在深水区长距离下运输风险大[2];相比较分体式安装最为常用，具有作业效率高、安装形式多样的特点，最为常见可分为“叶轮整体吊”和“单叶片吊装”的形式，其主要安装流程如下：

（1）叶轮整体吊：塔筒吊装→机舱吊装→轮毂与叶片组装→叶轮翻身→叶轮吊装;

（2）单叶片吊装：塔筒吊装→机舱吊装→机舱与轮毂组装→单叶片吊装。

1.2风电安装船用途及分类

风电安装船是一种专业用于海上风电机组安装的多功能自升式海工平台，其根据只有配置自航自升、吊机、坐底、动力定位、装载承重等能力的不同，可分为第一代、第二代以及第三代风电安装船，第一代以配置全回转吊机为主，设计布置在船尾处，且对于桩靴面积及可变载荷重量设计上存在不足，严重限制了船舶靠泊位置以及作业水深条件;第二代新进采用了绕桩式起重机，将吊机优化调整至舷边，并优化了桩腿设计，但不具有自航功能，吊机甲板起高大多在108m以下，在深水区大兆瓦风电机组吊装上已力所不及，第三代是目前风电安装船新签订单的主流船型，同第二代新进增加了自航功能且配置动力定位系统，提升了进点就位作业的效率，并且加长了吊臂长度，增大了吊机甲板起高和起重量，更加适合且有能力进行深水区大兆瓦风电机组安装。

1.3深水区风电机组安装特点及存在问题

目前浅水区风电机组安装已相对成熟，深水区具有以下的特点[3]：

（1）深水区天气海况复杂多变，施工窗口期短暂，安装受限条件多;（2）水深较深、淤泥层较厚，风电安装船的结构强度、稳性控制难度大;（3）风机机型大、轮毂高度高、叶片长等，对吊机性能及桩腿长度要求高;（4）深水区海上风电机组安装、调试与维护困难、成本高。

2风电安装船现状与发展

2.1专业风电安装船“供不应求”

在国内“取消电价补贴”政策影响下，多家海上风电单位追赶年底并网，全面迎来了风电安装施工的“抢装潮”，江苏海域单台风机吊装价格一度从400万/元涨至800万/台左右，广东海域更是翻两倍，最高价格去到1000～1300万/台，尽管价格暴涨，但由于资源受一些单位提前锁定，部分施工单位出现了价格翻番仍“一船难求”局面，此现象是全球性的，美国近海的风电项目，风电安装船单日的租金价格已经暴涨至18万美元/天[4]。

2.2适应深水区风电安装船屈指可数

深水区海上风电机组已趋于大型化，常见均为5MW以上机型，机组轮毂高度增高，叶片长度加长，机组部件设备重量增重，如表1所示。

风电机组安装涉足深水区，水深范围在40～60m，根据文献4中统计，目前我国自升式风电安装平台（含在建，由于设计入泥与不同海域入泥情况存在差异，其中部分有效作业水深有修正）适应40m以上水深作业仅有8艘，但在广东省开发深水区场址海域地勘资料显示地质表层多为淤泥，淤泥层最大勘测厚度近20m，且土层多为粘土质层，对自升式风电安装船吊高、桩腿长度、预压载荷要求更高，依照目前市场热门选择机型，若采用8MW海上风电机组，深水区需具备自升式专业风电安装平台，要求满足甲板以上吊高>115m，桩腿长度>90m，单位预压载荷<40t为宜且配置600t级以上绕桩式起重机且配置有动力定位系统（DP）为宜。

2.3风电安装船发展进入过渡阶段

风电安装船作为海上风电机组安装施工的作业载体，是海上施工作业不可或缺的船机装备，随着作业水深、风机高度、地质条件、机组重量等要求不断提高，风电安装船也逐渐走向深水化、大型化、专业化的方向，大型化发展对风电安装船的吊重吊高、定位能力、桩腿长度、甲板面积及承载等各方面都提出新的要求，这也标志着浅水区到深水区过渡建设中，风电安装船也正式从第二代向第三代过渡。

鉴于目前我国拥有专业风电安装船装备水平仍处于第二代居多的局面，第三代风电安装船的制造大多仍处于图纸设计阶段，而目前国内深水区海上风电建设需求和技术要求不断增大，如何解决过渡阶段的“尴尬”局面，是推进海上风电深水区风电机组安装的关键[5]。

3深水区风电机组安装适应性研究

从作业载体、运输以及施工三方面对风电机组安装适应深水区做出研究。

3.1钻井平台适应性改造

为适应“抢装潮”下风电安装船的需求，以改造闲置钻井平台来进行深水区风电机组安装施工，成了业内部分施工单位缓解船机资源压力的新思路。自2021年5月以来，国内先后出现了4艘以钻井平台为原型，拆除钻井包，利用钻井平台自身拥有的深海作业特性的优势，通过加装吊机和对甲板结构进行改造，使其具备风电机组安装施工条件。其中如“H194”平台改造而来“护卫”风电安装平台，原配置有近128m桩腿、“DP1”动力定位系统和双台舷边辅助吊机，施工甲板主要进行以下改造。

3.1.1650T海工吊机

加装吊机方案区别另外三艘改造风电安装船，采用加装650T全回转海工吊，如图1所示，加高底部将军柱高度，有效避开与甲板上桩腿结构干涉区域，具有更强的吊装操作性，且节省甲板占用面积，可空余出更多甲板空间用于风电机组安装施工。

3.1.2叶轮组装平台

通过甲板结构改造在右舷外增设“叶轮组装平台”，如图2所示，不仅扩大了施工甲板面积，并且实现叶轮的整体舷外安装，使叶轮组装过程回转不经过甲板上部结构，降低了葉片回转吊装的难度和碰撞风险，同时叶轮可借气隙高度进行翻身，如图3所示，降低了翻身作业对吊机吊高的要求，有效地解决了钻井平台改造风电安装船因甲板面积受限而导致的施工效率低下问题[6]。

“护卫”在华电阳江青洲三海上风电项目成功完成了3.5d单台风电机组安装的实践，可满足水深60m以上及8.0MW机型以上的风电机组安装。钻井平台改造运用至海上风电领域，作为第三代风电安装船全面普于项目运用前的过渡载体，充分发挥闲置海工资产、人员及技术上的优势，并缓解了国内海上风电风电机组安装施工

3.2风电安装船的“精细”就位

3.2.1插桩顶升就位

风电安装船施工作业过程中，需将桩腿插至具备设计承载力的稳定土层，且不存在穿刺风险，最终桩腿的预压深度决定了平台安装船的是否能安全作业及吊高是否满足风电机组安装要求，在作业准备前对插桩入泥深度计算预估具有重要的意义，行业内多采用APIRP2GEO、SNAME规范内公式计算。通过入泥分析，可提前根据各机位地质条件核算风电安装船的作业可行性及安全性，桩靴入泥深度越深，拔桩困难度越大，拔桩时间越长，进行对入泥计算、穿刺分析、拔桩分析及吊高校核的“一机位一计算”具有必要性，以如表2及图4所示为青洲三项目为例，29#、30#机位满足吊高要求施工，其中30#机位由于计算气隙在安全要求5m以下，施工应注意挑选合适窗口期施工（潮汐差<2m，最大波高<1m海况）。

3.2.2进点靠泊就位

深水区海域由于属于深水波属性，海况以长波浪周期为主，对风电安装船就位的稳定性影响较大，船舶应采用船尾顶流方式进点，通过在风电安装船加装DGPS高精度定位系统，提高风电安装船进点就位的安全性和准确性。风机设备运输船靠泊应选择在安装船的下风向及下流向，减小不良海况下运输船走锚撞船的风险，运输船纵轴线尽量与涌浪方向一致，顶流靠泊，进点靠泊就位如图5，降低运输船风电机组安装施工过程中的横摇程度，提高作业效率[8]。

3.3风机设备运输及布置优化

由于深水区海上风电施工海况条件复杂性，施工窗口期短暂，优化风机设备的装船布置，且可将可岸上完成的工作提前布置完成，不仅可以实现吊装方案的优化，同时节省了吊装作业时间，有利于提高海上施工的作业效率。

3.3.1塔筒立式运输

传统浅水区风机塔筒运输均采用卧式运输方案（第一节立式，其余均采用卧式运输），塔筒卸船时，需进行塔筒翻身吊装，即采用“双机抬吊”方案，如对塔筒立式工装进行设计制造，采用具备符合稳性要求的船舶进行塔筒立式运输并提前完成吊索具的预挂，如图6所示，吊装方案可优化成单机抬吊，可减少了船舶机械配置要求，节省海上塔筒翻身及吊索具安装的作业时间，并且相对于卧式运输方案，可实现“小船大装”，大大减少了塔筒装船甲板占用面积，26m船宽运输船即可满足两套塔筒运输，深水区可节省运输船长距离来回装船运输的时间。

3.3.2整机运输

一般风机设备运输会将塔筒、机舱、叶片分多船运输，但由于顶节塔筒一般附带有电缆等其他重要电气部件，安装要求需在吊装完成后的12h内压上机舱，且机舱吊装前有螺栓预装、测试等准备工作提前在甲板进行，为保证施工连续性以及“吊机不停歇”效率原则，风机设备装船时，可选择将塔筒、机舱及轮毂布置在一船进行运输，若有大型运输船（船宽>32m）条件支持下，可重点考虑整套风机设备同船运输的可能性，如图7所示，可减少运输船来回运输及靠泊就位次数，并且提升运输船的海况适应性，增加深水区风电机组安装施工的效率，再配合塔筒立式运输，在施工效率及运输成本上大有帮助。

3.3.3叶片“两头一尾”式装船

在以往叶片装船大多采用同头同尾的装船方案，即叶片的朝向一致，在分体式安装的风机吊装施工中，叶片需抬升回转，由于叶轮开角120°，存在叶片叶尖相对的组装，若朝向一致布置，则至少有一片叶片的回转组装在吊装中需要进行大回转，导致现场可能存在吊机干涉问题，因此，采用“两头一尾”布置，可节省叶轮组装过程中叶片回转路径，如图8所示，能够有效提高作业效率。

4结语

随着海上风电开发向深水区发展，在具备更深作业海域的第三代风电安装船普及项目运用前，通过极限条件可满足作业的第二代风电安装船以及闲置钻井平台“二次创业”改造进行深水区风电机组安装，加强对施工过程中的“精细及安全”把控、详细设计运输及靠泊方案，可提升深水区海上风电安装施工的效率。同时，建立专业的施工船队、培养专业人才，加强施工技术研究，加大风电安装船等装备的投资力度，对适应我国未来能源需求发展具有重要意义。

參考文献

[1]张海亚，郑晨.海上风电安装船的发展趋势研究[J].船舶工程，2016，38（1）：1-7+30.

[2]广东省发展和改革委员会.广东省海上风电发展规划（2017-2030年）（修编）[S].

[3]本刊编辑部.海上风电安装船市场将迎来春天[J].珠江水运，2021（6）：71-73.

[4]邓达纮，陆军.浅析海上风电施工与运维装备[J].机电工程技术，2019，48（8）：45-47.

[5]李泽宇，王世明.海洋风电安装船技术现状与发展动态[J].中国海洋平台，2021，36（5）：51-58.

[6]李俊来，雷丹.复杂海况下海上风机安装技术研究与应用[J].中国设备工程，2018（9）：231-233.

[7]张茂东.我国海上退役油气平台再利用研究[J].海洋开发与管理，2021，38（7）：62-67.

[8]施小波，张帆.浅析海上风机底段塔筒竖立运输工艺[J].中国水运（下半月），2020，20（5）：20-22.

DiscussiononInstallationTechnologyandDevelopmentofOffshoreWindTurbineinDeepWaterArea

CHENJiezhan

（ChinaEnergyConstructionGroupGuangdongThermalPowerEngineeringCo.，Ltd.，

GuangzhouGuangdong510730）

Abstract：Withthedevelopmentandconstructionofoffshorewindpowerprojectsindeepwater，therearemoreandmorenewandhighrequirementsofwindturbinesinstallationtechnology.However，thenumberofengineeringvesselsusedtowindturbinesinstallationthatmeettherequirementsofwindturbinesinstallationindeepwaterisrare.AccordingtothedevelopmentprojectsofoffshoreengineeringindeepwaterinSouthChinaSea，thisstudyisaimedtointroducethetechnologiesofoffshorewindturbinesinstallationandthedevelopmentstatusofoffshorewindturbinesinstallationships.Besides，thisstudyinvestigatestheadaptabilityofengineeringvesselsappliedtowindturbinesinstallationindeepwaterareaandproposesaschemetousethemodifieddrillingplatformasthetransitioncarrier.Finally，thisstudycanprovideacasereferenceforsolvingtheinstallationandconstructionofwindturbinesindeepwaterarea.

Keywords：offshorewindturbines;deepwaterarea;windturbinesinstallationvessels;windturbinesinstallation;transitionstage