一种自安装海上测风塔的运输和安装稳性分析

冀 昊，季新然

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.海南大学土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

0 引 言

我国具有丰富的风能资源，陆上风力资源有2.5亿kW，海上风力资源(30 m水深以内)有7.5亿kW。海上风电的优势主要包括海上的高风速及满发小时数，不占用土地资源，不受地形地貌影响，单机容量更大，规避陆上发展空间的限制，离负荷中心更近，减少电力传输损失等。根据《风电发展“十三五”规划》指出，到2020年，我国海上风电开工建设规模达到1 000万kW，力争累计并网容量达到500万kW以上。风电场测风是风能开发中的一个重要环节，也是风能开发的前提和基础，它对风电场的设计、建设具有重大影响，做好风电场的测风对风能开发具有重要意义。

在海上风电场工程建设前期，应全面地收集风电场测风资料，掌握海上风电场海域风的变化规律及特征，将测风所得的风资源数据作为海上风电场工程风能资源评估的基础，进而测算海上风电场的发电效益。获得精确的海上风资源数据最直接的方法就是安装海上测风塔，一般通过一年的测风，对风电场的风资源进行评估。国内外传统的海上测风塔一般通过大型浮吊和液压锤安装固定在在海床上，其基础形式多为桩基础或重力式基础，采用的桩基础主要有单桩、三桩和四桩三种形式。传统海上测风塔的运输、安装流程是预先在海上风电场工程场址通过大型打桩设备进行海上测风塔桩基的沉桩施工，完成海上测风塔下部基础施工，然后在码头前沿通过码头上起重设备将测风塔上部结构吊装到运输船上，通过运输船干拖到安装海域，再利用浮吊等海上起重安装船将测风塔上部结构与已施工的基础进行连接，实现整个海上测风塔的安装施工。海上测风塔运输和安装均需使用较大的运输船舶、打桩船和吊装船，施工周期长且船机费用较高，且完成安装的海上测风塔在风资源数据收集完成后，不能回收再利用，海上拆除比较困难，需要动用大型船机，拆除施工费用昂贵[1]。

本文探索一种安装激光测风装置的海上测风塔结构，该海上测风塔采用了一种新的设计理念，海上运输时可以不使用大型运输船，只需采用小型拖轮拖带，利用测风塔自身下部浮筒提供的浮力在海上进行湿拖到达目标海域，整个湿拖过程满足海上拖航的稳性要求。测风塔海上安装时也不需要浮吊和液压锤等大型安装施工船和设备，而是由加装的临时气囊提供额外浮力由预留的充排水系统对下部浮筒各舱室进行注水，海上测风塔缓慢下沉完成坐底安装施工，临时气囊完成排气收缩；测风数据满足要求后，可通过预留的排水系统排除舱室中的海水完成上浮，然后拖航到其他海域重复上述下沉坐底安装过程，继续海上测风实现回收再利用。该海上测风塔具有测量范围大、可自浮拖航、可自沉坐底和上浮重复使用、测风塔和基础一体安装以及海上运输、安装和拆除费用低等优点。本文基于MOSES软件，对这种可自安装的新型海上测风塔进行拖航稳性和下沉、上浮安装稳性分析计算，为这种结构海上施工提供依据。

1 测风塔结构

1.1 测风塔整体结构

该型海上测风塔由上部桁架、下部浮筒结构和加强钢丝绳组成，在桁架的测风平台上安装激光测风仪，测风高度范围0～200 m，如图1所示。测风塔总高40 m，总质量约150 t；上部为桁架式塔架结构，边长为2.5 m；下部浮筒基础边长31 m，呈四边形分布，浮筒基础由直径1.2 m、长14 m的钢管焊接组装而成，下部浮筒的气密性和水密性要求较易满足。海上测风塔下部浮筒在海上拖航时可以提供浮力，注水下沉安装就位后以重力式基础的形式抵抗整个结构在风、浪和海流作用下的倾覆和滑移。该型式海上测风塔适合我国海床土质以粉砂、粉土为主的海域，海床基岩埋深较浅海域也可应用，但安装前需预先进行海床整平。

图1 海上测风塔结构示意

1.2 下部浮筒分舱结构

下部浮筒结构基础边长31 m，呈四边形分布，浮筒基础由16根直径1.2 m，长14 m的标准钢管焊接组装而成。海上测风船下部基础浮筒础结构共分8个舱，每2根14 m的标准钢管作为一个压载舱，每个封闭的浮筒作为压载舱结构，并预留安装排水管和注水管接口。下部基础压载浮筒分舱如图2所示。海上测风塔下部浮筒基础除应满足强度、坐底的抗滑移和抗倾覆稳定性，还要有足够的干舷、储备浮力和稳性以满足拖航稳性要求和下沉、上浮的稳性要求。

图2 海上测风塔下部基础浮筒分舱布置

2 海上测风塔拖航完整稳性分析

海上测风塔为高耸的结构，总高40 m。由于海上湿拖作业时重心较高，且测风塔结构受风浪力作用相对较大，因此必须进行海上测风塔拖航作业时的拖行稳性分析，保证此结构型式的海上测风塔在海上拖航作业时的安全。

海上测风塔的稳性和海洋浮式平台或者船舶类似，主要是指结构在外力作用下偏离其平衡位置而产生横倾和纵倾，当外力消失时，结构能自行恢复到原平衡位置的能力[2]。海上结构稳性的计算关键在于确定结构的初稳性以及受到的风倾力矩和自身的复原力矩。

本文应用国际上通用的海洋工程水动学分析软件MOSES进行海上测风塔的模拟和稳性计算，海上测风塔结构件以管单元模拟，钢材密度设置为0，结构的质量和质量分布在MOSES中直接输入。计算坐标系原点为海上测风塔基础浮筒右侧最低点中点，坐标系X轴方向向左，Y轴方向向下，Z轴沿型深向上。计算模型如图3所示。

图3 MOSES稳性计算模型

根据规范[3]要求，对于在近海航区和无限航区，计算风倾力矩最小风速取70节。对于长距离无限航区的拖航作业，要求最小风速取100节。本文测风塔完整稳性的校核工况最小风速取100节。受风面积为水线面以上浮筒部分及上部钢结构。

依据规范[3]中对测风塔完整稳性的要求，测风塔的拖航完整稳性需要满足初稳心高度GM≥0.3，GM的理论计算公式为[4]

ρ=Ix/V

(1)

GM=ρ-(Zg-Zb)

(2)

式中，ρ为稳性半径；V为机构自重相对应的排水体积；Ix为浮筒水线面对X轴的面积惯性矩；Zg为重心高度；Zb为浮心高度。同时，需满足复原力臂曲线与风压横倾曲线至第二交点或进水角(取较小值)处的两曲线所包围的面积之比值应不小于1.4，即稳性衡准数K≥1.4，其中K=(A+C)/(B+C)，A、B、C表示面积如图4所示。

图4 海上测风塔稳性分析

海上测风塔在海上拖航情况下，测风塔吃水为0.52 m，以基础底面为零面，海上测风塔重心高度2.71 m。采用海洋工程水动学分析软件MOSES进行完整稳性计算。测风塔海上拖航未破舱时的风倾力臂和恢复力臂以及面积比见图5。经计算，海上测风塔在吃水0.52 m，风速为100节作用下进行海上湿拖时，其稳心高度GM为203.82 m，稳性衡准数K为4.12，两项指标均能满足规范要求。

图5 完整稳性的风倾力臂和恢复力臂以及面积比

3 海上测风塔自安装沉浮稳性分析

海上测风塔坐底下沉安装是通过预留的充排水系统对测风塔下部浮筒各舱室进行注水，通过控制不同舱室注水顺序，实现海上测风塔的缓慢下沉完成自安装坐底施工。如何保证测风塔在下沉时能够有足够储备浮力保证稳性，不至于在风浪的作用下倾覆，是此测风塔设计的难点。浮式结构的稳性计算中初稳心高度GM是衡量浮式结构稳性的最主要指标。

GM=ZB+r-ZG

(3)

式中，ZB、ZG分别表示浮体结构的浮心和重心的垂向坐标；r为稳心半径，r=IT/Δ，其中，IT、Δ分别为浮式结构的水面惯性矩和排水体积。

浮体结构的GM值必须为正才能保证浮体在风、浪流等荷载作用下不至于倾覆。一般地，浮体结构GM数值越大，浮体的稳性越好。由于受到测风塔浮体外形的限制，浮心调整范围较小。那么为了使测风塔初稳心GM更大，浮体的重心就不能太高。受测风塔结构型式限制，浮心和重心较难调整，为满足测风塔的下沉安装稳性，就必须依靠增加浮体尺度的方法，以增加结构的水线面惯性矩来增大浮体稳性半径以满足GM为较大值的要求。

本文计算的海上测风塔下部基础尺度较大，上部的桁架结构尺度相对下部结构较小。测风塔下沉作业时，当测风塔下部浮筒注水下沉，浮筒刚好浸没在海面以下时，由于上部桁架结构的水线面惯性矩较小，且重心高于浮心，此时整个测风塔结构的初稳心GM<0，这意味着当测风塔结构受到外力产生倾斜时，其不能依靠自身的回复力矩回到平衡状态，平台将倾覆于海水中。为了防止平台倾覆，本文通过在测风塔下层钢丝绳上增加临时辅助气囊来提高整个结构的浮心Z坐标和增大水线面惯性矩，从而增大沉浮时的初稳心高以满足海上测风塔沉浮作业时稳性要求。增加的临时辅助气囊直径为1.2 m。海上测风塔沉浮作业的过程仍然应用MOSES软件进行计算模拟。图6为增加临时辅助气囊的海上测风塔MOSES模型。

图6 带辅助气囊的海上测风塔MOSES模型

海上测风塔安装临时气囊其沉浮方式有2种。第1种是平台整个沉浮过程中，平台没有出现或者仅出现微小倾斜，这种沉浮方式称为均匀沉浮。平台首先拖航到目标海域，通过注水压载调整平台吃水，平台从海平面均匀下沉，最终坐底在海床面上。第2种是在沉浮过程中，控制整个结构先缓慢纵倾，平台一端先接触海床面，然后另一端在缓慢下沉直至整个平台整体完成下沉坐底。

本文设计的海上测风塔的上下两部分结构主尺度相差较大，在加装临时辅助气囊后，主尺度差距减小。根据此海上测风塔的结构特点，平台下沉作业采用倾斜下沉方式要优于均匀下沉方式。因此，计算中也只考虑倾斜下沉方式，实际施工以计算结果作为参照。海上测风塔倾斜下沉过程见图7。

平台上浮过程是下沉作业的逆过程，计算过程和结果相同。实际施工中则通过向浮筒预留的排气管充高压气体，排除舱体中的压载海上实现海上测风塔上浮到拖航状态。

根据规范，海上平台的沉浮稳性要满足以下准则：①在整个下沉过程中，经自由液面修正后的初稳性高，对均匀沉浮应不小于0.15 m，对倾斜沉浮应不小于0.05 m；②如满足①的要求，则可统一采用下沉时舱室充水压载程序的逆过程作为平台起浮时的卸载程序。

测风塔倾斜下沉时的姿态和初稳心高度见表2。经计算，加装临时辅助气囊的测风塔沉浮稳性满足规范要求。

4 结 论

本文对一种新结构型式海上测风塔的海上湿拖稳性和安装稳性进行数值模拟，经MOSES建模和计算，自安装海上测风塔的拖航和安装稳性均满足规范要求，说明海上测风塔下部浮筒尺寸和分舱设计可以满足整个海上测风塔的湿拖运输；测风塔本身结构特点决定测风塔下沉安装时水线面会突变引起安装稳性不足，临时辅助气囊的设计可以提供储备浮力和提高水线面面积，在通过控制下部浮筒注水压舱完成海上测风塔下沉坐底安装时，临时辅助气囊的使用保证了下沉安装稳性能够满足规范要求。