朱亞洲, 呂宏偉, 張曉宇, 樊巖松, 孫友杰， 姜 濱， 秦洪德

(1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國石油渤海裝備遼河重工有限公司， 遼寧 盤錦 124010； 3.中國石油渤海裝備研究院 海工裝備分院， 遼寧 盤錦 124010)

風電安裝平臺坐底穩(wěn)性評估技術(shù)

朱亞洲1,3, 呂宏偉2, 張曉宇3, 樊巖松3, 孫友杰2， 姜 濱1， 秦洪德1

(1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國石油渤海裝備遼河重工有限公司， 遼寧 盤錦 124010； 3.中國石油渤海裝備研究院 海工裝備分院， 遼寧 盤錦 124010)

風電安裝平臺是專門用來在近海、潮間帶地區(qū)進行風力發(fā)電機組安裝的專用功能船舶。該文結(jié)合“遼河一號”風電安裝平臺坐底安裝，一船多用的典型特點，對其坐底穩(wěn)性評估技術(shù)進行研究。通過編制程序，可以快速實現(xiàn)環(huán)境載荷計算，優(yōu)選波浪參數(shù)與地質(zhì)條件的合理匹配，為工程作業(yè)提供必要的技術(shù)參考。

坐底穩(wěn)性 風電安裝 載荷計算

1 引言

隨著社會經(jīng)濟地不斷發(fā)展，能源危機和環(huán)境問題日益凸顯，氣溫升高，海平面上漲，空氣質(zhì)量下降，氣候異常等現(xiàn)象嚴重影響社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。世界環(huán)保組織和能源機構(gòu)規(guī)劃要求進一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，降低化石能源所占比重，大力發(fā)展清潔能源。近年來，風能發(fā)電作為可再生的清潔能源，已逐步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，在新能源產(chǎn)業(yè)的各子行業(yè)中，風能發(fā)電是清潔能源的重要組成部分。我國海上風電的發(fā)展滯后，正處于起步階段，東南沿海地區(qū)對能源需求更為迫切，未來一段時期內(nèi)，在需求拉動政策的引導下，淺海和潮間帶區(qū)域是海上風電發(fā)展的重點[1]。目前，海洋風電設(shè)備安裝技術(shù)薄弱是制約海上風電發(fā)展的瓶頸。

海上風電安裝通常有浮式安裝船錨泊定位的漂浮作業(yè)，升降樁腿式平臺的插樁定位作業(yè)和船舶被動式搶灘的擱淺定位作業(yè)三種方式[2]。上述三種作業(yè)形式功能單一，需要多艘輔助船舶支持協(xié)調(diào)作業(yè)才能完成任務，“海洋36”是典型的被動式擱淺定位作業(yè)船舶，借助潮漲潮落及船舶自重，實現(xiàn)擱淺作業(yè)。本文研究的“遼河一號”風電安裝平臺是基于壓載艙配載，實現(xiàn)平臺主動式坐底作業(yè)，作業(yè)原理異于上述傳統(tǒng)作業(yè)形式，“遼河一號”風電安裝平臺采用的主動式壓載坐底作業(yè)形式屬于國際首創(chuàng)，極大地拓展了該平臺的作業(yè)范圍，提高了作業(yè)效率，節(jié)約了安裝成本。對于淺水區(qū)域，主動式坐底作業(yè)方式無需樁腿、樁靴及升降鎖緊裝置，降低建造技術(shù)上的難點，建造成本同浮式起重船類似，一次性投資小，在建造成本上具有較大的競爭力。本文研究的“遼河一號”風電安裝平臺在風機安裝作業(yè)時處于坐底狀態(tài)，最大程度上滿足吊機工作要求，降低了天氣和海況對吊機工作的影響，為縮短海上風電場安裝作業(yè)周期、降低海上風電場的建設(shè)風險、控制海上風電場的施工成本創(chuàng)造先決條件。

“遼河一號”風電安裝平臺設(shè)計建造適應目前我國風電場水深5.0 m～200 m，可根據(jù)風電場海況選擇坐底或漂浮作業(yè)。淺水區(qū)域內(nèi)，可實現(xiàn)全船坐底作業(yè)，相對于浮吊安裝作業(yè)，此種作業(yè)形式具有就位精度高、海上組裝安全性高、不需要額外工裝保護措施及一次成功率高等優(yōu)點。對全船坐底穩(wěn)性，需要綜合評估平臺壓載后海底地基的承載能力；坐底后平臺在風浪流環(huán)境條件及吊重等聯(lián)合作用下，評估平臺抗側(cè)滑和抗傾覆能力；平臺作業(yè)完畢后，計及海底土壤吸附力及波浪垂向力等因素影響，評估平臺起浮能力等。上述評估因素互相制約，互相影響，因此，對平臺的坐底穩(wěn)性評估提出了非常高的要求，而目前各國船級社的規(guī)范標準尚未給出坐底式作業(yè)平臺的坐底穩(wěn)性評估方法，通過本文研究，應用AQWA水動力計算軟件建立波流環(huán)境模型和船體坐底三維模型，計算出不同工況下的波流載荷值，基于船級社規(guī)范推薦的海工平臺風載荷計算經(jīng)驗公式計算得到風載荷值，基于插值計算原理，編制計算程序獲取任意水深、不同風浪流組合情況下的環(huán)境載荷組合，并結(jié)合海洋地質(zhì)勘探所得到的土層參數(shù)，綜合評估該平臺坐底穩(wěn)性，為“遼河一號”風電安裝平臺實現(xiàn)“立得住、坐得穩(wěn)、起得來”的作業(yè)目標提供了強有力的技術(shù)支撐，更為各國該類坐底式平臺的坐底穩(wěn)性評估提供技術(shù)參考。

2 地質(zhì)及海況資料

在設(shè)計初始階段，需要對風電安裝平臺作業(yè)海域地質(zhì)進行調(diào)研，通過對地質(zhì)條件及海況資料進行搜集研究。結(jié)合項目特點，以南堡1-10井位作為本風電平臺的典型地質(zhì)條件，具體設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 南堡1-10井位土層強度設(shè)計參數(shù)

3 風、浪、流載荷及傾覆力矩

3.1 風載荷

按照中國船級社規(guī)范要求[3]，結(jié)合經(jīng)驗公式，風載荷計算如下：

P=0.613V2

Fi=Ch·Cs·S·P

M=F·Z

式中：V為設(shè)計風速(m/s)；P為風壓(Pa)；Ch為暴露在風中構(gòu)件的高度系數(shù)；Cs為暴露在風中構(gòu)件的形狀系數(shù)；F為平臺所受總的風傾力(t)；M為風傾力矩(t·m)；Z為風傾力臂(m)。

結(jié)合規(guī)范計算，求解平臺風載荷，求解結(jié)果如表2所示。

表2 風載荷計算結(jié)果

3.2 波流載荷

參照風電平臺主要尺度參數(shù)，運用多體水動力分析軟件AQWA，建立波流載荷計算模型，如圖1所示。基于勢流的三維面源法，數(shù)值解算該平臺結(jié)構(gòu)物坐底作業(yè)時在指定作業(yè)海況下的波流載荷。將波流參數(shù)進行系列化，利用分析軟件可以得到不同參數(shù)下的波流載荷，如圖2 ～圖4所示。

圖1 AWQA水動力計算模型 圖2 橫向載荷水深、波高關(guān)系曲線

圖3 橫向載荷矩與水深、波高關(guān)系曲線 圖4 垂向載荷與水深、波高關(guān)系曲線

3.3 吊機傾覆力矩

參考吊機廠家提供吊機作業(yè)參數(shù)，可選取吊機吊重彎矩14 000 t·m進行校核評估。

4 抗傾穩(wěn)性校核

抗傾覆力矩：

M抗

外力傾覆力矩：

M外=M波流+M風載+M吊重

抗傾覆能力：

式中：W為某工況下平臺總重(t)；B接觸為船寬方向接觸長度，取為31.82m；M波流為波流載荷水平力矩(t)；M風載為風載荷矩(t-m)；M吊重為吊機工作力矩(t-m)，按500t吊重，28m吊臂選取。

按照上述公式及載荷計算結(jié)果即可進行抗傾穩(wěn)性校核。表3為5.5m和9.5m吃水作業(yè)工況某環(huán)境條件下進行的抗傾穩(wěn)性校核結(jié)果樣例。

表3 抗傾穩(wěn)性計算表

5 抗滑移穩(wěn)性校核

抗滑力：

F抗滑力=F對地壓力×Cf+Abott×Cv

滑移力：

F滑移力=F風載荷+F波流載荷

抗滑移能力：

式中：F對地壓力為平臺總重與排水量差值(t)；Cf為摩擦力系數(shù)，取為0.12；Cv為粘結(jié)力系數(shù)，取為0.09；Abott為距基線300mm水線面面積，2 757.2m2。

按照上述公式及載荷計算結(jié)果即可進行抗滑移穩(wěn)性校核。表4為5.5m和9.5m吃水作業(yè)工況某環(huán)境條件下進行的抗滑移穩(wěn)性校核結(jié)果樣例。

表4 抗滑移穩(wěn)性計算表 單位：t

6 地基抗壓能力校核

對地基最大壓應力：

地基承載能力：

式中：δmax為對地基最大壓應力(t/m2)；Disp為排水量(t)；Abott為平臺底部與地質(zhì)接觸面積，取為2 757.2m2；IX為橫向慣性矩，取為213 714m4；B接觸為船寬方向接觸長度，取為31.82m。

參考土力學原理和海工經(jīng)驗，粘性土的地基承載力通常為土壤剪切強度的9倍，即

P地基承載能力=9×Su=9×7=63 kPa

=6.42 t/m2

表5為地基抗壓能力計算表。

表5 地基抗壓能力計算表

7 起浮能力估算

地基吸附力：

F吸附力=(W總重-Disp)×Ca

起浮力：

F起浮力=W壓載水-(W總重-Disp)

式中：Disp為排水量(t)；W總重為壓載后總重(t)；W壓載水為壓載水重量(t)；Ca為吸附力系數(shù)，取為0.35。

表6為起浮能力計算表。

表6 起浮能力計算表 單位：t

8 結(jié)語

通過對平臺典型工況下坐底穩(wěn)性進行評估，給出了平臺在典型工況下吊機全回轉(zhuǎn)作業(yè)時滿足抗傾、抗滑、地基承載能力及起浮能力要求下的風浪流組合及地質(zhì)條件，明確了平臺作業(yè)環(huán)境條件，保障了平臺作業(yè)安全。同時，本論文也為類似平臺未來設(shè)計時坐底穩(wěn)性評估方法給出有意義的借鑒和參考。

[1] 劉林,葛旭波,張義斌等. 我國海上風電的發(fā)展與技術(shù)現(xiàn)狀分析 [J]. 能源工程，2009,4：21-25.

[2] 姚興佳，隋紅霞，劉穎明等.海上風電技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].上海電力,2007,2：111-118.

[3] China Classification Society Rules for Classification of The Offshore Mobile Units[R] . 2012.

AssessmentTechnologyofOn-bottomStabilityofWindTurbineInstallationUnit

ZHUYa-zhou1,3,LVHong-wei2,ZHANGXiao-yu3,FANYan-song3,SUNYou-jie2,JIANGBin1,QINHong-de1

(1.CollegeofShipbuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,HarbinHeilongjiang150001,China;2.ChinaPetroleumLiaoheEquipmentCompany，PanjinLiaoning124010,China；3.BohaiPetroleumEquipmentInstitute,OceanEngineeringInstitute,PanjinLiaoning124010,China)

Wind Turbine Installation Vessel is specialized in installing wind turbine generator system in the offshore area and intertidal zone. This article combines with the typical characteristics of LIAOHE No.1 Wind Turbine Installation Vessel and researches its assessment technology of On-bottom stability. Base on the programming, the environmental loads can be calculated quickly, the optimized wave parameters and the geological conditions can be reasonablely matched, which can provide a necessary technology reference for engineering operation.

On-bottom stability Wind turbine installation Loading calculation

朱亞洲(1982-)，男，工程師，在讀博士。

U

A