海上风电设备甲板运输驳船四锚系泊系统优化设计

 　　【摘 要】 为满足高风浪条件下海上风电机组的安全转驳与起吊安装作业，以载质量 t海上风电设备运输甲板驳船四锚系泊系统为例，综合考虑吊装及系泊安全要求，提出海上风电设备运输甲板驳船系泊系统的评价指标，基于三维势流理论，建立风电设备甲板运输驳船四锚系泊水动力模型，获得满足海上风电运输甲板驳船系泊系统的评价指标相应的系泊设施及系缆参数，为甲板运输驳船海上四锚系泊提供实践指导依据。

　　【关键词】 风电设备;四锚系泊系统;水动力分析

　　《科技展望》(月刊)创刊于2003年，是由宁夏科技信息研究所主办的科技刊物。创办本刊旨在跟踪中外高新技术前沿，促进高新科技产业化发展。为了在全社会营造一个促进科技创新、加强科技交流的学术环境，给各行业、各学科的广大科技工作者搭建一个活跃学术思想，为科技创新、经济发展与社会进步谏言献策、出版学术论文的平台。

　　0 前 言

　　当前，世界经济发展面临资源锐减、环境恶化的严峻挑战，清洁能源的发展受到世界各国的重视。海上风能作为一种清洁的可再生能源，具有湍流强度小、主导风向稳定、节约土地资源、风能平稳、无噪音及景观污染、资源丰富、适宜于大规模开发等优势，近年来发展迅速并潜力巨大。但是，恶劣的海上开发环境，导致了海上风电开发成本高(开发成本是陆上风电的1.5～2倍)。从海上风电成本构成来看，风机费用占比为40%～50%，风电基础结构费用占比为20%～30%，运输安装及其他成本占比为20%～40%;在“3060目标”及“平价项目并网”的大背景下，海上风电设备运输需求和降本的压力剧增，相比降低整机成本来说，优化海上风电设备运输和安装，实现高风浪条件下风电机组的安全转驳和起吊安装，增加装机可作业的时间窗口，提高施工装机效率，从而降低海上运输及吊装成本，是短期内降本增效较为有效的途径之一;因此，笔者以满足过驳吊装时所要求的船舶运动响应幅值的限定为目标，对四锚系泊系统方案进行了优化，提出了满足系泊性能指标相应的系泊设施及参数设置，为海上风电设备甲板运输驳船海上系泊标准的修订提供理论支持和实践指导依据。

　　1 系泊系统评价指标

　　按照系泊力的提供方式可将定位方式分为被动式定位系统、动力定位系统(DP)两类。被动式定位系统是目前使用最为广泛的一种系泊系统类型，其是通过锚链或者系泊缆绳与锚将船舶与海底相连，达到约束船舶运动的目的，其中海上风电设备甲板运输驳船的四锚定位系泊(见图1)是海上风电施工现场最为常见的系泊方法。

　　海上风电设备甲板运输驳船系泊系统的评价指标主要考虑运输甲驳板船的运动幅值和系泊系统安全性两个方面，其指标主要包括船舶的平动自由度运动量(船舶纵向位移、横向位移及升沉)、船舶的横摇角及系泊缆的最大张紧力。

　　1.1 船舶4个自由度的运动幅度

　　海上风电设备的吊装作业需在限定的海况条件下完成，其海上作业限制气象条件主要依靠经验或数值仿真获得。受装卸工艺的限制，甲板运输驳船在吊装前需完全受系泊系统约束，若甲板运输驳船发生较大运动，会导致吊装作业无法完成。在非横浪工况下甲板运输驳船作业允许运动幅值标准见表1。

　　1.2 系泊缆的张紧力

　　系缆遭受过大的张紧力，将导致整个系泊系统失效，造成严重事故。根据相关的系泊指南，在海上过驳吊装风电机组设备时，甲板运输驳船为临时系泊，采用系泊缆绳的张紧力应小于其最小破断力，并考虑一定的安全系数;笔者采用动态分析方法，其系泊张紧力的安全系数为1.67。

　　2 系泊系统水动力模型

　　载质量(目前航运行业中还在使用“载重吨”)为 t海上风电设备甲板运输驳船配置6.5 t无杆锚霍尔锚。载质量为10 000 t海上风电设备甲板运输驳船整体的质量、重心和惯性半径基本参数见表2。系缆采用钢丝绳缆，具体参数见表3。

　　利用水动力软件建立甲板运输驳船水动力模型，艏楼建筑根据外部尺寸进行简化处理，建立好的甲板运输驳船四锚系泊示意图(见图2)。

　　3 海况环境参数

　　为了获得甲板运输驳船系泊系统在风、浪、流载荷作用下的运动响应，分析载质量为10 000 t甲板运输驳船在4种波高作业海况条件下系泊系统的运动幅值及系缆张紧力，作业有义波高分别为0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m，均采用Jonswap波浪谱进行模拟;作业环境条件风速为13.8 m/s，流速为0.9 m/s。

　　4 船舶四锚系泊系统运动响应分析

　　分析四锚系泊系统在4种波高作业海况下船体运动的趋势和锚缆张紧力，载质量为10 000 t甲板运输驳船在该系泊方式下的最大运动幅值和最大张紧力的情况见表4。

　　由表4可以看出：

　　(1)在有义高波为0.5 m的条件下，该四锚系泊系统能满足海上吊装要求对甲板运输驳船运动幅值的限制;

　　(2)随着有义波高的增大，甲板运输驳船的运动幅值随之增大，系泊缆的最大张紧力为 kN、安全系数为1.53，不满足最小安全余量的要求;因此，四锚系泊系统是无法满足在有义波高2.0 m及以上的风电吊装作业的要求。

　　5 四锚系泊系统优化设计

　　为了实现高风浪条件下风电机组的安全转驳和起吊安装，通过增加缆绳的预张力，增强被系泊船舶的耐波性，从而达到减少船舶运动幅值的目的。通过对载质量为10 000 t甲板运输驳船在不同预张力下的水动力分析，得到甲板运输驳船运动幅值响应和系缆张紧力(见表5)，并对其方案的可行性和合理性进行技術论证和综合评估。

　　6 结 语

　　(1)由载质量为10 000 t甲板运输驳船的预张力从150 kN增加到260 kN的试验结果可知：船舶运动幅值有所减小，每根系泊缆张紧力相应增加，但预张力在200 kN以上继续增加时，其对降低船舶的运动幅值已不明显;当预张力提高为260 kN时，载质量为10 000 t甲板运输驳船能满足1.5 m波高下吊装作业的要求，即被系泊的甲板运输驳船运动幅值及系缆强度均满足风电机组起吊安装要求。

　　(2)兼顾吊装对甲板运输驳船的运动幅值及系泊系统的安全要求，在波高1.5 m以下的，建议采用四锚定位系泊的载质量为10 000 t甲板运输驳船的预张力设置为260 kN。

　　参考文献：

　　[1] 刘必劲，孙昭晨，张志明，等. 横浪作用下大型开敞式码头系泊船舶运动量研究[J]. 水运工程，2008(8)：94-97.657DF0DD-B6FA-4AF4-B9A0-D7EC965C37B8

《海上风电设备甲板运输驳船四锚系泊系统优化设计》

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