浅谈兼科考功能的风电运维船设计

程伟 何健威 刘旦花 黄天星

摘    要：本文简要介绍了当前风电运维船概况；分析了风电运维船科考功能需求；总结了科考设备常用的安装、作业的几种形式；分析了科考设备的安装形式与其作业方式的匹配性；归纳了影响科考功能的因素，提出了应对措施。供类似船舶设计参考。

关键词：风电运维船；科考设备；固定安装

中图分类号：U662.2                                文献标识碼：A

Application of Scientific Equipment in Wind Farm Service Vessel

Cheng Wei1，  HE Jianwei2，  Liu Danhua1，  Huang Tianxing1

（ 1.Guangzhou Marine Engineering Corporation，  Guangzhou 510250;  2. Guangzhou Public Transportation Co.， Ltd.，  Guangzhou 510250 ）

Abstract： This paper introduces briefly the current general situation of the wind farm service vessel， analyzes the application requirements of scientific equipment on board， summarizes several forms of common installation and operation for scientific research equipments， analyzes the compatibility between the installation means and operation ways of scientific research equipments， sums up the factors of influencing the scientific research function， and puts forward some countermeasures， for reference of similar ship design.

Key words： wind farm service vessel;  scientific equipment;  fixed installation

1     前言

近年来，我国风电产业持续发展，风电运维成为海上风场正常运营至关重要环节，陆上风场与海上风场不同，前者可随时快速派遣人员维护，易操作。而海上风场的维护大多需要船舶进行人员、物资输送，风场风大、浪高，其复杂性和风险性大，要求其服务船舶需具有高海况适应性。此外，海上风电装置基础长期浸泡在海水里，受到海水腐蚀及海生物附着，需定期对风电装置桩基及其周围环境进行监测，以保障风电装置的安全运行。为此，部分用户要求风电运维船具有一定的科考监测能力。

2    风电运维船现有概况

风电运维船基本功能：为风场运送风电装置模块、油水补给、维修工具、补给物资等，并负责风电装置维修技术人员的运输和撤离。随着海上风电场的不断发展，每年新增装机容量达200万千瓦以上，平均每30台海上风电装置需要1艘运维船进行保障。据统计，至2020年止，仅广东省的运维船缺口就达30艘以上。同时，随着近海风场被逐渐开发殆尽，海上风场的建设也逐渐从近海海岸向离岸深水区发展，风浪条件变得恶劣，人员、物资运输航程加长，对风电运维船的性能要求越来越高。

纵观前史，风电运维船发展大约经历了三个阶段：

第一阶段：2005-2012年

由渔船和休闲船进行改造设计，运输投送能力差，航速低，安全性差；

第二阶段：2012-2015

开始出现专业风电运维船设计，人员舒适性较好，航速较高，抗风浪能力增强；

第三阶段：2015-至今

为特定风场、特定运营商进行定制化设计，有效载荷大大提高，航速更快，抗风浪能力进一步增强[1]。

随着风电运维船对人员舒适性、航速、甲板面积等要求的不断提高，船型逐渐从单体船向双体船发展，其材质也从钢质向钢铝混合乃至全铝合金发展。现在的双体铝合金风电运维船航速可达20节以上，能够在1～2 h内到达作业风场，具有良好的适航性，乘客晕船率降低，能够在七级风下安全航行，甲板作业面积更大，较以往钢质单体运维船具有更轻、更快、抗风浪能力更强，顶靠能力更好等特点。

3    风电场科考探测需求

基于风能原因，陆上可建风场的处所有限，而海上风能源丰富，海上风场逐渐成为风电主流，其设备和技术的发展将处于不断创新阶段。但海上风电场不仅建造的成本高，而且运维管理的成本也很高。海上风电场的桩基、海缆等主要组成部件均长期浸泡在海水中，易因海浪冲刷、海水腐蚀等因素导致缺损，不仅影响发电效能，而且存在很大的安全隐患。如缺损严重，将导致风电场组部损坏，修复难度大，引重大经济损失[2]。为此，为保障海上风电装置的安全稳定运行，除对风电装置水上部分进行长期稳定的维护外，还需对水下部分及其周围海洋环境进行定期监测，及时掌握风电装置塔水下设施情况，保障其安全可靠运行。基于此，往往需要风电运维船具有科考监测功能，对风场内的海底地质结构、地形地貌、地理磁场、水深、流速、水质等数据进行监测。为此，船上需安装专业的水下科考测量设备，收集相关数据，以采取应对措施。风电场常用科考探测设备大致如表1所示。

4    科考型风电运维船需求分析

目前海上风场的水深大多在30～40 m，场内风电装置林立。专业的科考船由于船型大、吃水深、租借费用高等原因，很难长期稳定的执行场内进行数据监测工作。当前风电场内科考探测工作使用的船舶大多为临时租赁的渔船或小型工作船，航速较低，甲板面积狭小，科考设备的搭载作业形式基本采用拖曳或探杆顶部固定安装探头舷侧下放测量等方式进行，设备的收放需加装配套设备或利用人力拖拽实现，收放流程困难且具有一定的操作安全性。

基于上述问题，专业的风电运维船尤其是双体高速运维船往往作为科考探测设备的搭载平台。因其具有以下优势：

1）航速高

专业风电运维船通常设计航速可达25节以上，能够在1～2 h到达较远的风场，节省了大量的航行时间，能够充分的利用海上窗口期进行海上实验探测工作。

2）抗风浪能力好

专为风场设计的运维船型，尤其是双体船，风浪影响小，船舶稳性好，噪声和振动小，作为科考设备的工作平台较为稳定，有利于提高探测设备的作业精度和准确性。

3）甲板载运面积大

双体船可利用甲板面积较大，通常其艏部区域可布置1个20尺可移动式集装箱，可存储风电装置零部件，同时还可配置有向风电装置平台吊运杂件的折臂吊，艉部一般也有一定面积的甲板用来堆放物品。因此，专业的双体运维船有较大的甲板面积用来搭载探测器、ROV等科考设备。搭载集装箱时，可用于搭载小型无人艇等科考设备，提高了单次出航的科考能力。同时可利用船舶自身吊机对试验设备进行吊放作业，避免租用专用吊机作业，节省运营成本。

4）可兼用的作业工况

风电运维船将维修人员运送到风电装置塔完成登乘作业后，待维修人员完成作业后返航，期间有数小时的空余时间。因此，出勤时，可搭乘相关科考人员及设备，利用等待的空余时间进行风场的科考探测工作，充分利用宝贵的海上作业窗口期一次完成多项任务。

5    科考设备安装作业方式

科考设备根据自身特性和测量方式的不同，在船舶上有船底固定安装作业、舷侧安装作业和拖曳作业等三种常用形式可选用。不同安装作业方式的优缺点大致如下：

1）船底固定安装作业

优点：（1） 设备均安装在船上，随时可用；

（2） 单次出航可执行任务多；

（3） 设备安装基础稳定，无需额外加强

缺点：（1） 设备在船底会造成一定阻力；

（2） 设备损坏风险增加；

（3） 测量环境受船体振动噪声影响大。

2）舷侧安装作业

优点：（1） 船体无需做过多改动；

（2） 探头可随时收回，便于清理保存。

缺点：（1） 单次出航可执行任务单一；

（2） 需根据探测作业任务提前安装探杆的探测设备；

（3） 需人员和设备配合进行探测器的收放作业。

3）拖曳作业

优点：（1）可工作水深大；

（2）受船舶状态影响最小。

缺点：（1）需配套安装拖曳设备；

（2）回收、下放操作较复杂。

根据风电场内科考作业常用设备的特性，其在船舶上的常用工作方式如表2所示。

对于船底固定安装形式，需保证测量设备探测面在船体基线以下，并尽量靠近船中，以避免发出的探测波及回波被船体结构和航行时产生的空泡所阻挡，无法正确的进行探测信号收发。

对于舷侧安装或拖曳方式，宜将科考工作设备布置在吊机附近，以便充分利用船舶上的吊机。在科考工作区舷侧范围内设活动舷墙，运维船日常作业时，舷墙固定起到安全保护作用。当科考设备作业时，可将活动舷墙部分移开，降低船舷高度，满足科考设备的舷侧吊放需要。

对于尾部安装或拖曳方式，可在尾部增加简易起吊杆等装置，进行设备吊放作业。

目前高速运维船的尺度大都在30 m左右。无论是舷侧测量还是拖曳方式，受可利用作业区域面积影响，一次性只能满足1～2台设备同时工作的需求。这主要是由于科考设备在使用前需对其状态和安装进行预先调试固定，而此项工作很难在海上完成。在此情况下，如测量任务单一，采用舷侧或拖曳形式即可；如需长期执行多探测任务或需对多项科考数据进行实时对比分析，将可固定安装的设备固定安装在运维船底部，并配合部分拖曳及舷侧设备一同工作，将更有利于完成任务。

6    影响因素及其应对措施

当科考设备在船底固定安装时，由于其对工作环境有一定的要求，则需对运维船进行相应的设计。其主要涉及以下几方面：

1）船体阻力优化设计

测深仪、浅剖仪、剖面仪等测量设备均可在船体底部固定安装，其工作方式是向四周发射一定角度的探测波，所以其探头的安装要求不应被船体结构所遮挡。由于高速运维船大多采用V字形底部设计，与大型船舶具有底面平缓区域的结构不同，其探头往往会露出船体，造成探测器突出部分对船舶航行产生额外的阻力，而且高速状态下水流的急速冲击也会造成探测器的损坏。所以需根据布设探测器的种类和数量对其在船内的布置进行分析，在保证探测器工作互不干扰的同时，宜尽量靠近集中布设。同时通过在船体外增加设计导流罩的方式对突出船体部分的探测器进行保护，导流罩底部不封闭，可以保护探测器免受水流冲击，且可减小突出船体所增加的阻力，其形式如下图1所示。

2）配电系统设计

探测设备采用固定式安装，可实现船上多种科考设备同时工作。另外，试验设备工作电源的可靠性设计也是需考虑的重要因素。为此，配电系统的设计宜按照双电站模式进行。例如，某双体专业运维船，全船配有两台发电机组分别布置在两片体内，其中任一台均可满足航行和科考状态下的用电需求。因此，在左右片体内各设置一座配电板与对应的发电机组组成配电系统，左右片体电站互相连接，任何一侧电站出现故障时，另一侧的电站均可继续向船上重要系统和试验设备进行供电，同时试验设备机柜配置UPS电源，保障不会因船舶的断电故障而造成科考设备的损坏或试验数据的丢失。

3）减振降噪设计

科考设备工作时极易受到振动及噪音的影响，所以试验设备的布置位置宜与主机、发电机、泵组等大型机械设备尽量远离，不宜与其布置在同一舱室或相邻舱室，以减少设备振动噪声对测量工作的影响。如受舱室空间布置限制而无法满足的，应考虑采用增加舱室阻尼材料、增加基座尺寸及刚性、采用弹性支撑和弹性连接等方式，以尽量减少振动噪声所带来的影响。

4）防腐防海生物设计

固定式安装的试验设备探头安装在船底，长期浸泡在海水中极易受到海水腐蚀和海生物附着，对设备的使用产生不利影响。传统船舶的防腐防海生物设计大多采用牺牲阳极及涂刷防腐漆等型式。然而试验设备的探测器由于其工作需要，不能对其进行油漆涂刷，因此探头表面的防海生物措施可考虑采用超声波防海生物技术，利用超声波气泡冲刷船体的原理对船舶海生物进行清除和防护。

7     结束语

风电运维船是海上风场后期维护的重要设备，对风电场海底环境和桩基有效监测是风电场安全运行的重要保障。风电运维船将风电场科考功能结合，在保证运维功能的前提下兼顾科考作业，既提升了运维船的使用效率，也对影响风场运行安全的数据进行收集，具有相当的市场前景。随着信息化技术、智能化技术的不断发展，通过云网络、船岸一体化系统等方式将采集的图像、数据实时传送给岸端进行分析处理，也将是未来运维船多功能化发展的方向。

参考文献

[1] 杨程.浅析海上风电运维船的发展[J].海峡科学，2016（12）．

[2] 葛為结.海上风电运维船的应用及分析[J].科学与信息化，2019（02）．

作者简介：程  伟（1984- ），男，高级工程师。主要从事船舶与海工项目设计、工程管理工作。

何健威（1993- ），男，助理工程师。主要从事船舶技术、维修与管理工作。

收稿日期：2022-12-05