浮式風機干拖運輸技術研究

劉揚 閔燁 李亞杰 王文娟

摘要：本文以某工程實例為基礎，對浮式風機的海上運輸方式進行了介紹，并著重針對浮式風機的干拖運輸方式進行了運輸船的穩(wěn)性校核與運動數(shù)值分析，通過穩(wěn)性校核分析，驗證了運輸船具有足夠的穩(wěn)性運輸浮式風機。通過對不同海況的運動響應分析，可以為浮式風機與運輸船之間的綁扎固定設計提供有效依據(jù)。

關鍵詞：浮式風機;干拖運輸;穩(wěn)性校核;運動分析

中圖分類號：U693文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）04-0122-03

改革開放以來，隨著我國經濟社會的高速發(fā)展，能源消費需求越來越大，但由于傳統(tǒng)的能源布局、結構不科學、不合理，制約了經濟社會的進一步發(fā)展。目前風電已成為我國除火電和水電外的第三大能源，研究認為，未來能源結構調整主要應靠風電，在陸上風電開發(fā)進入成熟期之后，未來海上風電發(fā)展空間十分廣闊。

現(xiàn)階段，海上風電機組主要是通過單樁或者導管架式等結構固定在海床上，基礎固定式機組的最大缺陷在于只能應用于水深不超過60m的近岸淺海海域，而當水深大于60m時，固定式支撐結構的成本急劇增加，而漂浮式海上風電機組將比固定式海上風機更具有工程經濟性[1-2]，漂浮式風機受海床地質條件限制小，選址靈活，且深遠海風能資源豐富，風況穩(wěn)定，可岸上組裝，減少施工時間和成本等優(yōu)勢，使得深遠海域的風能資源開發(fā)成為了可能。因此，浮式風電機組已成為深遠海海上風場建設的必然選擇，從而使得漂浮式風電機組的海上運輸方式備受關注，本文以某工程實例為基礎，介紹了漂浮式風電機組的海上運輸方式，并針對浮式風機的干拖運輸進行了數(shù)值模擬研究。

1拖航方式

針對漂浮式風電機組的整體拖航，一般有干拖和濕拖兩種方式。干拖航行速度較快，但需要考慮因素較多，如運輸船的選擇，運輸貨物的海上環(huán)境承受力以及結構強度和結構疲勞等。針對較遠距離的運輸，一般采用干拖方式。濕拖相對速度較慢，如果安裝海域距離建造場地較近時則考慮濕拖。濕拖需要考慮風浪流環(huán)境力的影響。

1.1濕拖運輸

當海洋工程結構物的建造地點與海上安裝地點距離較近時，一般采用濕拖。濕拖時一般需要幾艘拖輪進行掩護和拖拉，濕拖速度較慢，所以，在深遠海項目里，應盡量避免較長距離的濕拖。

1.2干拖運輸

在進行浮式風機干拖運輸時，首先要進行運輸船舶的選擇，根據(jù)以往項目案例，大件干拖運輸多采用半潛船作為運輸船，一般半潛船都自帶動力。如果沒有半潛船也可以選擇無動力的駁船，通過拖輪牽引前行。半潛船需具有承載大型結構物的能力以及自潛裝卸的能力，并可以自主控制航行方向，因此干拖運輸一般采用半潛船作為運輸船舶。

2干拖運輸穩(wěn)性及運動分析

本節(jié)以某工程實例為基礎，針對某一浮式風機基礎干拖運輸進行了穩(wěn)性校核及運動性能研究。

浮式風機基礎運輸布置圖如圖3所示。

浮式風機基礎干拖運輸主要參數(shù)如表1所示。

在浮式風機干拖運輸過程中，運輸船狀態(tài)如下：

船首吃水：7.59 m

船中平均吃水：8.01 m

縱傾：0.22°

2.1穩(wěn)性校核

浮式風機采用干拖方式進行運輸時，根據(jù)DNVGL- ST-N001規(guī)范的11.10.2節(jié)，11.10.3節(jié)以及11.10.4節(jié)中對完整和破艙穩(wěn)性校核的規(guī)定，對本次分析中的運輸船舶進行了完整和破艙穩(wěn)性校核。

根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范要求，浮體搖擺角度和力矩關系如圖5所示。穩(wěn)性范圍消失角大于36度，回復力臂與風傾力臂的比值大于1.40。

完整穩(wěn)性

·運輸船艏吃水7.59m

·縱傾角0.22degrees

·穩(wěn)性消失角73.07deg>36.00deg

·回復力臂與風傾力臂比值7.74>1.40

完整穩(wěn)性滿足穩(wěn)性要求。

破艙穩(wěn)性

為了保證拖航安全，除了校核完整穩(wěn)性，還需要對運輸船進行破艙穩(wěn)性校核，數(shù)值模擬了所有艙的破艙穩(wěn)性校核，這里只列出了最危險工況的破艙情況。

WB0406破艙穩(wěn)性結果如下：

·運輸船艏吃水7.66m

·縱傾角0.27degrees

·橫搖角-1.97degree

·穩(wěn)性消失角69.68deg>36.00deg

·回復力臂與風傾力臂比值27.00>1.40

破艙穩(wěn)性滿足穩(wěn)性要求。

2.2運動響應

浮式風機在拖航運輸時，不僅要考慮運輸船穩(wěn)性，還需考慮運輸船的運動。在浮式風機的拖航路徑中十年一遇的極限波高為6.2m，根據(jù)DNVGL-ST-N001規(guī)范[3]的11.8.5節(jié)中對波高選取的定義，本次運輸船運動分析中考慮的海況如下：

0&180deg：Hs=6.2m，Tp=8.98s～13.64s

45&135&225&315deg：Hs=5.58m，Tp=8.52s～12.94s

90&270deg：Hs=3.72m，Tp=7.86s～10.56s

Wave Spectrum：ISSC

Wind Speed：25m/s

利用三維勢流理論進行了運輸船的水動力分析，運輸船在設計條件下的最大橫搖是11.31度，如表4所示。

由于運輸船運動，將在浮式風機上產生慣性力，慣性力將轉換為加速度，用于綁扎固定設計。

3結論

本文針對某一工程實例，對浮式風機的干拖運輸進行了完整和破艙穩(wěn)性校核，校核結果顯示該運輸船有足夠的穩(wěn)性對浮式風機進行干拖運輸。同時針對拖航路徑的不同海況對其進行了運動分析，運動分析的結果可以用于運輸綁扎固定的設計，從而保證干拖運輸?shù)陌踩浴?/p>

參考文獻：

[1]HENDERSON A R，WITCHER D. Floating offshore wind energy—a review of the current status and an assessment of the prospects [J]. Wind Engineering，2010，34（1）：1—16.

[2]陳嘉豪，斐愛國，馬兆榮，龐程燕，海上漂浮式風機關鍵技術研究進展，南方能源建設，2020，7 （1）.

[3]DNVGL—ST—N001，Noble Denton Marine Services，Edition 2020.