海上风电安装船技术发展趋势及突围路径

中国电建集团贵州工程有限公司 王 坤 甘国民

国家能源局在“十二五”规划中提出在2015年风电规划装机容量在1亿千瓦左右，而海上风电就达到了500万千瓦，“十三五”规划提升至了2.1亿千瓦，其中海上风电500万千瓦，另外随着各地区相继响应“十四五”规划，在碳达峰、碳中和的政策引导下《风能北京宣言》发布，呼吁“十四五”期间年均新增风电装机容量50GW以上，风电行业装机容量有望突破新高，由此可知海上风电的受重视程度是较高的。

1 海上风电安装船分类

1.1 起重船与坐底式风电安装船

起重船拥有较强的自航能力，起重机械也可直接进行安装，对其加以利用可保证风机机组顺利运送到指定地点并完成相关的安装作业。这里需指出，水深产生的限制较大，如在浅水区进行作业吃水线是必须要重点关注的。此类船只有着明显的优势，移动速度相对较快且操作较为简单，费用支出可控制在合理范围内。然而其也有明显不足，就是天气、波浪产生的影响较大，工期控制有一定难度，安装稳定性也是无法保证的，相较于自升式安装船实际应用存在限制。

在沿海滩涂、极浅水域展开安装的过程中应要选择适宜的安装船，当下常用的是坐底式风电安装船，简单来说就是对潮水压力、压载系统加以利用，确保坐底能够顺利达成，而对其进行固定时则应选用锚泊系统，这样就可使得吊装、安装顺利完成。此种船只在稳定性方面具有优势，然而水深带来的限制较大，想要实现快速转移不太可能，此外要确保船底强度能够达到要求。此类船只的应用范围局限于沿海滩涂、极浅水域，而当下的海上风电建设呈现出深度加大的趋势，这就使其实用性明显降低。

1.2 自升式与自航自升式风电安装船

在对海上风电安装船予以应用时应保证选择最合适的，而自升式风电安装船的运用是最为常见的。此种类型安装船桩腿数量通常在4至6个间，运抵现场后须确保桩腿插入更为顺利，同时要保证平台能够真正固定到位。在此之后则要对升降装置加以利用，确保船体能上升至合适位置，在此过程中应将大型起重机的作用充分发挥出来。其优势较为明显，有着较大甲板，就可保证风机装载更为便利，整个作业也呈现出良好的稳定性。当然问题也客观存在，船只并不拥有自航能力，因而对拖船的依赖性较大，现场移位所需时间较长，操控也不够灵活，海况条件也要满足要求方可进行作业。

自航自升式风电安装船是将自升式平台、浮式船舶具有的优点加以结合，在自航能力、操纵性等方面具有明显优势，可在短时间内完成安装、移位，风机运载能力也较强，打桩作业能够顺利完成，吊装的整体效率也会有明显提高，在展开海上风电建设过程中此种船舶的应用效果是最为理想的。中远海运船务公司拥有此类船舶4艘，使用的实际情况表现较为优越。在2019年购置的“铁建风01”拥有的功能更为全面，自升平台、打桩施工、起重安装、动力定位、自航运输以及智能管理等能实现集成，是一艘自主研发的自航自升式风电安装船，整个设计、建造工作均在国内完成。其桩腿的长度达到了85m，甲板作业面共有2500m2，续航能力则达到3000nmile，海面台风达到16级或海况较为恶劣时依然能够保证安装精度，其具有的起重能力在同类船舶中也处于领先位置。

1.3 改造安装船

由于海上风电安装船的紧缺且面临着沉重履约任务，非自航半潜驳船和钻井平台改造成安装船成为一种有效出路。改造后的安装船具有诸多优点，在抗风能力、操作稳定性、作业效率等方面优势显著。目前改造成功的有非自航半潜驳船改造的“正力潜19000”、钻井平台改造的“护卫”号、JU2000E 钻井平台改造的“国信”号、CJ46-X100-D 钻井平台改造的“国瑄”号等，分别在福建平海湾三期风电场、广东阳江青洲三500兆瓦海上风电场等海上风电项目得到运用，具有安装7.0MW以下风机向8.0MW 以上海上风机安装、浅海向深海风电作业的变化趋势。

从钻井平台改造来看，涉及钻井包、悬臂梁、井架及相关管系的拆除和滑移，电力系统、通风系统、照明系统、甲板下布置等改造，还有新增结构如履带吊及行走轨道、杂物吊、吊车搁架、钩箱、尾部作业平台及其他辅助结构，以实现海上风电机组塔筒吊装及翻身、机舱吊装、叶片吊装、叶轮吊装及翻身等作业，并满足单叶片吊装、叶轮组合吊装等不同吊装方式。

由于吊装平台桩腿长且为3根三角桁架式、桩靴面积大、结构稳定、起重能力强，适用大容量、深海海上风电机组的吊装。钻井平台涉及的改造项目比较多、改造时间长、需拖航船只待命、插拔桩费事费力等缺点，导致改造费用高昂，虽缓解了海上风电安装船的紧张局势，但只能解决短期内需求，长期考虑还需从设计方面着手研究新的安装船，改造目的只适用于解决短期内的需求，在后续安装船的发展趋势下购买或租赁成品显得更具有利用价值。

2 海上风电安装船的技术要点

若想保证海上风电安装船得到充分利用，须对其技术要点有清晰认知。自升式风力安装船和自升式钻进平台有明显区别，其重量不大且插装、拔桩较为频繁，能在短时间内升降。通常在船尾处要设置功率较大的起重机，这要求站立能够保持平稳状态，所以要对结构设计及设备布置等加以重点关注。

2.1 桩腿设计

对作业水深、船体结构等类的因素要有切实了解，在此基础上将桩腿数量予以确定，同时要保证结构形式是最为合适的，通常桩腿数量应在4至6根之间，而且大多选用的是圆柱形结构，但桁架式结构更加稳定，有较强的抗风浪能力，通常设置3根桩腿。需出的是，必须要保证其结构强度能达到要求，在设计过程中需对几种工况加以关注。

首先是拖航、自航工况，我国已颁布实施的《海上移动平台入级规范》中针对船体运动的相关要求进行了细化，摇摆惯性力及倾斜角度均得到了明确，在此基础上完成强度校核；其次是站立工况，除要考虑平台自身的重量外，同时要对风浪流外载荷加以重视，在此基础上将桩腿强度予以明确，特别是要关注的是下固桩楔块桩靴；再次是预压、升船工况，其并不属于控制工况，需注意的是极端天气带来的实际影响。

2.2 桩靴设计

整个设计过程中须对桩靴予以重视，其形式、大小均要作为关注重点，要选择合适的施工装备，作业效率也须提升，且要在短时间内完成拔插桩，所以要保证插桩深度最为合适，对海底地质条件有切实的了解，在基础上确定桩底压强，各种影响因素均要纳入考虑范围，保证选择是最为合适的。若想保证结构强度设计能做到位，须对以下工况予以关注：首先是预压工况，也就是使得预压载荷真正做到同心分部；其次是作业工况，需关注最大桩腿反力，了解其对桩靴产生的实际作用；再次是特殊工况，桩腿所具有的最大垂直反力应加以重视，确定其对桩靴底部能够造成的实际影响。

2.3 船体设计

海上风电安装船、平板驳船的相似度较高，前者在长宽比值方面更大。需指出的是，对围阱结构区域进行设置时须要慎之又慎，站立作业过程中须保证过度中垂能切实避免。设计过程中应对甲板载荷加以关注，保证分布是最为合理的，结构尺寸须保证更加科学，即保证板厚、型材最为合适，从船体结构强度角度须对以下工况加以关注。

一是拖航、自航工况。当船体处于漂浮状态时，针对结构强度予以分析，特别是要对桩腿摇摆时固桩区域实际情况有切实了解；二是站立工况。要对正常作业、风暴期间船体具有的强度加以分析，其属于控制工况；三是预压工况、升船工况。预压、拔桩发生危险的几率较高，要从实际情况出发来对船体强度展开全面分析。整体强度设计须做到位，要对局部强度加以重视，即要将设备底座、升降围阱区域及直升机甲板均纳入到考虑范围中。另外拖航稳性及站立稳性须要和规范要求相符合。

2.4 升降系统设计

海上风电安装船实际应用时须对作业安全性加以重视，而要达成这个目标，使用的升降系统切不可出现任何安全问题。需指出的是，当前使用的升降装置较为多样，其中普遍使用的有电动齿轮齿条式、液压油缸顶升式及钢丝绳式，且不同形式各有优点与不足。

动齿轮齿条式已较成熟，可在短时间内实现升降，但频繁升降会导致齿轮、齿条损坏，使用寿命必然受到影响；钢丝绳式也得到普遍应用，但在安全性及可靠性等方面存在问题，因而使用范围受到限制。从海上风电安装平台现状看，液压油缸顶升式的应用较为常见，为保证应用效果更理想，须对插销、环梁及液压系统的设计予以重视，而电动齿轮齿条式则要保证齿轮及齿条强度最为合适，传动系统、轴承强度等方面的设计也须做到位，升降装置公差、升降系统基础等设计也应予以强化。

2.5 其他部分设计

吊机底座设计。海上风电安装船需配备合适的起重机，在将吊重能力明确后，对底座的形式、位置加以确定，并要保证和船体有效连接。要保证吊机底座屈服强度以及屈曲强度的设计是最为合理的，支撑肘板也应该要完成疲劳设计，确保和既定的标准要求是相符的。

稳性设计。需对漂浮稳性、站立稳性均加以重视。海上风电安装船的船舷并不大，舱室采用集中布置方式，在展开稳性分析过程中，平台稳性、船舱稳性时须加以重点关注。展开站立稳性分析的过程中，舷外起吊、环境载荷保持同一方向的话，须对最坏影响予以关注。简单来说就是要保证机电设备、防火设备、消防设备等方面的设计是最为合理的，其和自升式平台并不存在明显差异，但要保证和现行规范标准相符。

3 海上风电安装船的发展趋势与思考

从早期安装船舶来说，通常是对海洋工程船舶进行改造，然而在风机变大之后，船舶规模过小的话，起重的能力、高度就很难得到满足，而且使用的过程中还会导致机动能力以及定位性能难以保证，一旦风浪过大的话，作业就难以展开，效率也变得较为低下。所以在设计海上风电场的过程中，必须要保证安装装备能够满足需要。在现阶段，海上风险呈现出深水发展趋势，因而要对海上风电安装船予以改变。

适用水深明显增加。在当前时期，海上风电场建设工作成为关注的重点，而且深水逐渐成为主要的建设场地，而要保证相关工作顺利展开，安装设备应该要能够具有较强的适应力。众所周知，滩涂水深能够达到60米，当浮式风机更为成熟之后，海上风电安装船必须要确保使用水深能够有大幅增加。

主吊能力明显加大。现阶段海上风机功率呈现逐渐加大趋势，8.3MW 海上风机已得到应用，其重量也非常大。采用一体化吊装方式可使成本控制在合理范围内，效率也会大幅提升，而要实现这个目标，安装设备须具有更强的吊装能力。当下的海上风电安装平台吊装能力可达到800至1200吨，已研制出主吊能力达到1600吨的风电安装船；主甲板可用面积大幅增加。若想保证安装效率有明显提升，须保证风机设备能满足实际需要，安装船须具有更大运载能力，这就要求主甲板面积满足需要，才能和当下发展需求相适应。

主甲板具有的承载能力切实增强。在展开风电设备安装时设备重量持续加大，安装能力也得到提升，这就要求主甲板须拥有较强承载能力，当前已达到20t/m2，且呈现出逐渐增加的趋势；功能会得到进一步完善。从海上风电场建设现状看，须保证风电安装船具有更为全面的功能且人员承载能力要提升，直升机甲板也是不可缺少的。

关键部门要重视海上风电开发。职能部门要认识到海上风电开发的重要性，并将支持、引导作用展现出来。海上风电开发涵盖领域较多，不同单位的认知也不同，管理标准也未能统一，因而相关部门要完成好沟通、协调等工作，寻找可行途径保证管理更具实效性，使得海上风电行业能保持稳健发展，这对海上风电安装船发展也可起到促进作用。

需拥有自主知识产权的安装船。对海上风电安装船予以大力开发，尤其要保证船型产品拥有自主知识产权。我国拥有海上风电安装船设计能力的企业不多，且在展开船型开发时将市场需求作为出发点，使产品未能实现系列化。海上风电开发的受重视程度大幅提升，要求设计单位切实完成好研发工作，确保船型产品真正拥有自主知识产权，并能在国际市场中具有较强竞争能力。