复杂海况条件下海上风电施工主作业船适用性分析

林逸凡，刘玉飞，王小合，逯 鹏，赵 辉，崔文涛

应用研究

复杂海况条件下海上风电施工主作业船适用性分析

林逸凡，刘玉飞，王小合，逯 鹏，赵 辉，崔文涛

（华电重工股份有限公司，北京 100070）

海上风电建设项目组织难度大、成本高，施工受海洋环境制约显著。海上作业面中，用于基础施工和风机吊装的主作业船，其适用性对项目实施顺利与否具有关键的决定因素。以广东某海上风电建设项目为例，基于多年风浪数值后报数据，考虑基础施工主作业起重船的可作业风速、波高、波周期以及海上施工特点，以建设周期内的可作业天数为评价指标，分析满足建设要求的船舶所需达到的抗风浪水平，帮助业主和承建单位对主作业船进行选型。

海上风电 起重船 适用性研究 可作业窗口期

0　引言

本项目场址位于广东省揭阳市海域，场址中心距离陆岸约25 km，场区内水深约34～39 m之间。规划装机总容量约500 MW，拟安装46台单机容量12 MW风电机组，计划采用先桩法导管架型式基础[1]。根据前期调研，该海域4至9月海况更好，为实现当年开工、当年并网，项目进度安排要求海上风电机组安装于4月启动，9月底必须全部完成。为保障上部机组安装不受基础施工进度限制，按期完成任务，基础施工进度需要于7月底结束。根据广东海域过往建设经验，单个机位完成小桩施工和导管架安装，平均工时约3天左右，46个机位共需可作业天数138天，项目考虑配置2个基础作业面，平均至4至7月，单个基础作业面中起重船的月可作业天数要求达到17天水平。结合风场所处海域的水文条件，本研究分析了主作业起重船满足项目建设要求需达到的性能水平。在此基础上，论证目前国内海上风电施工领域主要起重船舶在工程海域的适用性。

1　可作业水平分析

为提高评估的可靠性，需收集工程海域多年长期历史风浪数据。项目研究中，历史风场数据采用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）开发的全球大气再分析产品ERA5再分析风场，时间分辨率为1h，相较于前代ERA-Interim，该后报风场应用了更先进的Cycle 41r2四维同化技术，并将更多高质量的实测资料作为输入数据用以再分析，是目前海洋工程领域研究气象条件主流的数据集合[2]。海浪则基于SWAN模式[3]，对广东近海区域进行了精细化数值后报。过程中，对影响模拟精度显著的风能输入项、白帽耗散项以及海底摩擦耗散项参数进行了校正，模拟输出与实测数据比较显示具有较高的准确性。

图1 满足风浪和时长限制条件的窗口期示意图

图2 可作业天气窗口长于1d要求下，不同风浪限制条件对应的4-7月平均月可作业天数

目前，评估施工船舶可作业天气窗口主要考虑风速和浪高[4]，本工程属于离岸较远的无掩蔽海域，起重船在该海域施工受长周期涌浪及风涌混合浪影响显著，因此更接近实际对可作业天气窗口进行分析，需考虑波浪周期。另一方面，包括起重船主吊机起、落大臂，运输船靠泊等准备工作需1到2小时，从时效和安全性考虑，现场正常情况下不会利用短暂天气窗口进行抢装作业，因此，为使评估结果更接近于实际，分析中进一步对窗口期的时长进行约束。由此，目标施工船在某一时间段内根据极限环境条件判断可作业，但时长短于约束条件，则该时间段将不被计入窗口期。对于时长限制，以导管架基础施工为例，工效3天，考虑起重船移、就位及定位架施工，钢管桩翻桩、插打桩施工及定位架拆除，导管架吊装及消缺等作业可按顺序间断进行，窗口期的最短时长根据1天估计较为合理（如图1所示），相当于现场根据天气预报，未来至少24小时内的海况良好则组织施工。

由数据集提取工程海域近20年逐小时风浪数据，根据界定规则，研究中针对不同的极限风浪组合，筛选了4～7月份逐年、逐月的可作业天气窗口并计算总时长，在此基础上，将各月份可作业总时长的20年平均值作为最终的指标用于评估可作业水平。图2展示了可作业时长大于等于1天条件下，极限风速为五级（10.7m/s）和六级（13.8m/s）时不同波浪组合条件对应的4至7月平均月可作业时长。图中，用红色圆圈标记了可满足施工要求（4至7月的平均月可作业时长大于17天）的最低限度的浪高和波周期。如图可见，风力由五级提升至六级，船舶的可作业天数几乎没有增加，影响适用性的关键因素在于船舶的耐波稳性。

2　船机适用性分析

广东海域水深、风浪条件差，基础施工需采用大吨位和强起重能力的船舶，包括租金、油水和人员费用在内，单月使用成本可达到2000甚至3000万元。本项目在船机选型阶段，考虑了目前国内主流的起重船舶，类型包括半潜式起重船，全回转浮吊船及固定桅杆浮吊船，表1列出了收集到的各船舶的基本参数及可作业海况，其中，风速和海浪有效波高结合规范要求和广东、浙江海域的过往施工经验给出。对于海浪周期，考虑起重船通常船艏迎浪布置，该情况下当海浪波长与船长接近时会引起较大的船舶晃动[5]，本研究中假定起重船吊装作业条件下海浪波长应小于0.8倍船长，根据DNV规范（公式1）换算得到极限波周期。

表1 国内海上风电施工主流起重船评估结果

通过结果分析，博强2300固定桅杆浮吊船在工程海域不满足施工要求，其余备选起重船性能达标，4月至7月期间，除宇航29外，剩余船舶的月平均可作业天数均可达到20天以上。其中，华电中集01为半潜式起重船，右舷前后布置2台1800吨全回转吊机，水面线面积小、稳性好同时吊装作业灵活，但相比华景001和4500吨创力号全回转浮吊船，其吊装作业时的压载水调节更为复杂。另一方面，华电中集01以及创力号配备了DP3动力定位系统，可依靠推力器提供抵抗风、浪、流等环境力，使船舶保持在海面要求的位置上，相比锚泊定位船舶移位更加快速灵活，同时减少了船舶间的锚缆干涉，作业面布置的限制条件更少。

3　结语

本项目中，基于多年长期风和海浪数值后报数据，考虑起重船的可作业风速、波高、波周期以及满足条件施工窗口期的时长限制，对工程适用的起重船进行了初步论证和评估。

对于满足施工要求的船舶，后续还需结合船机特点设计施工工艺验证其吊高吊重是否满足施工要求，在此基础上进一步比较工效。除此之外，需要补充说明的是，本研究中对于起重船可作业天数的计算，未考虑运输船供货，为充分发挥船机使用效率，避免窗口期起重船闲置，在主作业起重船确定后，应根据工效，进一步统筹供货计划、集散码头等条件对运输船组的数量和运输方案进行详细规划。

[1] 田伟丽, 汪冬冬, 高健岳. 海上风电项目中导管架基础施工技术综述[J]. 中国港湾建设, 2020, 40(5): 20-24.

[2] 孟宪贵, 郭俊建, 韩永清. ERA5再分析数据适用性初步评估[J]. 海洋气象学报, 2018, 38(1): 91-99.

[3] 李雪, 宋冲, 巩艺杰, 等. 山东沿海台风浪数值模拟与统计分析[J]. 海洋湖沼通报, 2018(1): 27-33.

[4] 刘晋超. 海上风电施工窗口期对施工的重要性[J]. 南方能源建设, 2019, 6(2): 16-18.

[5] 杜宇, 高子予, 王晨旭. 基于时-频域联合计算的打桩船施工作业窗口计算[J]. 船舶工程, 2022, 44(3): 139-144.

Applicability analysis of main operating vessels for offshore wind power construction under complex sea conditions

Lin Yifan , Liu Yufei, Wang Xiaohe, Lu Peng, Zhao Hui, Cui Wentao

(Huadian Heavy Industry Co., Ltd., Beijing 100070, China)

TP23

A

1003-4862（2023）09-0047-04

2023-04-27

林逸凡（1990-），男，博士研究生，主要从事海上风电施工技术研究。E-mail：632847010@qq.com