玉环海域风机安装船舶适用性分析

王玉林，顾鹏程，李志环

（1.华电重工股份有限公司，北京 100160；2.中交路建海上工程公司，上海 201100）

1 工程简述

华电玉环1 号海上风电场项目一期工程位于浙江省玉环市近海海域，场区中心离岸距离约15.8km。场区水深7～10m，海底地形较平坦，为滨海相沉积地貌单元。风场位置水下滩面地形较平缓，场区内表层土以淤泥质土为主，海底泥面高程在-9.20～-7.00m（本文标高基准面均为85 高程）之间，表层淤泥质土和淤泥质粉质黏土层厚度达15m～40m。[2]

2 风机安装船舶类型介绍

目前，风机安装船舶大致分为浮吊船、自升式起重船、坐底安装船三种[4][7]。

（1）浮吊船。配备DP 系统的浮式起重船是利用DP 系统来抵消风、浪、流等其它自然条件对海上风机安装船舶稳性的不利影响，可以有效的改善浮态起重吊装的应用条件。

（2）自升式起重船。自升式起重船是通过电动液压或电动齿轮条式升降装置带动桩腿升降，将船体升至脱离海面的一定高度，可以有效规避浪、流对船舶稳性的干扰，应用最为广泛。

（3）坐底安装船。坐底安装船是采用船舶坐底（船舶坐入泥质或沙质海床）的方式来提高施工时的船舶稳性。通过控制压载舱内外海水的进出使船舶实现下潜坐底和上浮。按吊机型式分，常见的坐底安装船又分为海工吊、履带吊两种[5][6]。

3 功能性分析

3.1 起重性能

本项目安装的是东方电气7MW 直驱永磁型风力发电机型，风机机组规格尺寸[1]如下表所示。

表1 风机机组规格参数表

风场设计高水位为+2.82m，设计低水位为-2.18m，泥面标高最低为-9.42m。[2]风机轮毂中心高程为+114.5m。风机机组吊装采用“分体式+整体风轮”吊装工艺[1]，因吊点设置及吊具结构等原因，发电机吊高需保证8m 余量，机舱、风轮吊高需保证10m 余量，机舱、风轮吊高要求最高，吊高高程为+124.5m。吊装最重组件为风轮172.8t，吊重安全系数取1.3，风轮所需吊重最大为225t。故风轮吊装要求最高，需满足吊重≥225t，吊高高程≥+124.5m。

风机基础混凝土承台直径16.4m[2]，风机安装船与承台保持7m 以上安全距离，且风机安装船与承台间距离不宜过大。风机安装船吊机与承台侧船舷距离为l1，则风机安装船吊幅应≥（l1+15.2）m。

浮吊船漂浮于水面上进行施工，风场设计低水位为-2.18m，浮吊船甲板面与水面距离为h1，风机轮毂中心高程为+114.5m，吊高须满足距甲板以上114.5+10-（-2.18）-h1=（126.68-h1）m，故浮吊船需在吊幅≥（l1+15.2）m 范围内，须满足吊重≥225t，吊高≥（126.68-h1）m 施工要求。

自升式起重船风机安装施工时，起升船体至海面以上，使船体不受波浪荷载。船体甲板与水面距离为h2，则吊高须满足114.5+10-2.82-h2=（121.68-h2）m。故浮吊船需在吊幅≥（l1+15.2）m 范围内，须满足吊重≥225t，吊高≥（121.68-h2）m 施工要求。

坐底船坐底入泥进行风机安装施工，设坐底船型深为h3，坐底入泥2m，则吊高须满足114.5+10-（-9.42-2）-h3=（135.92-h3)m。故浮吊船需在吊幅≥(l1+15.2)m范围内，须满足吊重≥225t，吊高≥(135.92-h3)m 施工要求。

3.2 稳性分析

3.2.1 浮吊船稳性

华电玉环1 号海上风电场项目一期工程北区风场海域各月平均风速为4.9～7.5m/s,平均流速为0.54m/s，波周期均值为4.6s，最大波高均值为1.25m[2]；玉环海域涌浪较大，浮吊船稳性受涌浪影响较大，可满足浮吊船施工海况较少，严重影响安装的月可作业天数。

3.2.2 自升式起重船稳性

自升式起重船是通过电动液压或电动齿轮条式升降装置带动桩腿升降，并将船体上升至海面以上一定高度，支撑其在海上作业。因自升式起重船进行风机安装施工时，船体处于海面以上，船体受水流荷载、波浪荷载影响较小。相对浮吊船、坐底船船舶稳性较强[11]。

3.2.3 坐底安装船稳性[8][9][10]

玉环风电项目采用“德浮1200”风机安装船，以“德浮1200”为例对坐底船稳性进行计算分析，根据计算结果，坐底安装船满足于玉环海域工况。

在坐底工况，正常作业时坐底安装船抗倾安全系数Kq 应不小于下1.6[3]。自存状态时抗倾安全系数Kq 应不小于下1.4[3]。

在坐底工况，正常作业时坐底安装船抗滑安全系数KH 应不小于1.4[3]。自存状态时抗倾安全系数Kq 应不小于下1.2[3]。

表2 抗倾计算结果

表3 抗滑移计算结果

从船舶抗倾及抗滑移计算结果来看，“德浮1200”坐底安装船可以满足玉环海域进行风机安装施工，其它类似坐底船稳性可按此计算方法进行验证。

4 经济性分析

根据浮吊船，自升式起重船，坐底安装船的工效、租金和燃油成本等方面对三类风机安装船舶进行经济性对比分析。

根据玉环海域水文气象资料及现场实际施工经验分析（2020年10月至2021年4月），浮吊船于玉环海域进行风机安装施工，平均每月施工窗口期约为11天；自升式起重船相对受涌浪影响较小，施工窗口期较多，平均每月施工窗口期约为22 天；坐底安装船坐底施工时，船舶稳性相对较高，但相比自升式起重船，易受涌浪影响，平均每月施工窗口期约为16 天。

华电玉环1 号海上风电场项目采用“分体式+整体风轮”吊装工艺。根据现场实际水文气象情况及施工工效分析，浮吊船月平均安装风机2.59 台；自升式起重船月平均安装风机4.4台，工效最高，但市场资源紧张，船机租用成本较高；坐底安装船月平均安装风机3.56台。

据市场调研，配备DP 系统浮吊船施工作业时，日平均油耗为30t。自升式起重船施工作业时，日平均油耗为8t，坐底船施工作业时平均每日油耗为5t。

表4 经济分析表

经分析，浮吊船、自升式起重船、坐底船平均单台风机安装成本约为886 万元、717 万元、583 万元，相较于浮吊船、自升式起重船，坐底安装船单台风机成本最低，经济适用性最高。

5 结语

玉环海域现场施工条件恶劣，涌浪较大，施工窗口期短，风机安装施工工期要求严格。从3 种风机安装船舶功能性看，浮吊船受涌浪影响较大，同样浪潮较大时会影响其正常作业，作业效率相对较低，工期也存在不确定性。自升式起重船可以有效的防止海上情况对吊装产生的影响，作业率相对较高。但现阶段我国可于玉环海域进行施工的船舶资源较为稀缺。坐底安装船在玉环海域地址条件下有较强的适应性，稳定性高，船舶资源相对丰富。避免了传统桩靴插拔困难的问题。

从经济方面对比分析，三类风机安装船中，坐底船平均每台风机安装成本最低，经济适用性最高。故若于玉环海域进行风机安装施工，坐底安装船最为适用。

本文针对玉环海域的气象、水文、地质情况，对三种风机安装施工船舶从功能性、经济性方面进行了适用性分析，可为类似工程提供一定的参考。