新型海上风机整体式安装船舶方案设计

60卷增刊1 中国造船V ol.60 Special 1 2019年1月SHIPBUILDING OF CHINA Jan. 2019

文章编号：1000-4882（2019）S1-0398-05

新型海上风机整体式安装船舶方案设计

王辉1，李震2，宫学成1

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；

2. 哈尔滨工程大学，哈尔滨150001)

摘要

论文基于对现有国内外海上风机安装船舶的调研分析，提出了一种新型的海上风机整体式安装船舶方案。

介绍了该船的设计思路和具体构成方案以及对应的风机安装作业过程。并在此基础上，针对此方案进行了经

济性分析，为后期我国自主设计制造海上风机安装船舶提供了有益的参考。

关键词：海上风机，安装船舶，整体式安装

中图分类号：TE54 文献标识码：A

0 引言

现代世界范围内的能源紧张和环保意识的加强，促使人们越来越多地参与到新能源的开发利用中。风能具有可再生、蕴藏量丰富、清洁无污染等特点，在世界范围内得到了大规模的开发。海洋风力发电作为风电发展的一个重要方向，在节省陆地占用面积、有效利用海上风能资源方面有着独特的优势，目前已经在英国、丹麦、德国、比利时、美国等国家得到了极大的发展。

我国海上风能资源丰富，东部沿海水深2 m 到15 m 的海域面积辽阔，按照与陆上风能资源同样的方法估测，10 m 高度可利用的风能资源约是陆上的3倍，即超过7 亿kW，而且距离电力负荷中心很近。随着海上风电场技术的发展成熟，经济上可行，将来必然会成为重要的可持续能源。

海上风机从结构上包括基座（或称桩基，基础）、风机塔架、机舱（含叶轮）三个主要部件。海上安装作业方法通常是先通过运输船运输安装件到作业现场，然后通过起重船定位安装，同时通过生活供给船配合完成。为解决海上风力发电设备的安装困难，海洋风机安装船应运而生。从风机安装船的功能来看，可以将其大致化为三代。

1 海上风电整体式安装船方案

本文拟在对现有风电设备安装作业方式充分调研分析的基础上，设计出一种方便、快捷、效率高、低成本的安装作业“工具”。设计中侧重于整体安装方案。

风机安装船依据中国船级社和船检局颁布的《国内航行海船建造规范》、《船舶与海上设施法定检验规则》并参照《海上移动平台入级与建造规范》等有关规定设计。

安装船采用单体、单甲板、双层底、箱型船型设计。设计航区为近海航区，稳性满足9级风浪作用下不倾覆的要求，结构强度满足各种工况下结构不被破坏的要求。

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1.1本船总功能描述

海上风机安装船总功能可描述为

（1）方便将风机从岸上向船上装载；

（2）风机运输；

（3）风机塔柱、机舱、叶轮整体或者分体吊装；

（4）吊桩与起桩；

（5）海上安装塔柱；

（6）人员居住生活。

1.2设计的基本约束条件

设计的基本约束条件为

（1）本船针对风机支撑形式：单桩式；

（2）近海水域（水深40 m之内）；

（3）一定风浪；

（4）需精确定位；

（5）装载、作业等的限制；

（6）作业精度要求高——需要稳定的作业基准面；

（7）速度不需要太快；

（8）作业工况按照5MW风机确定，具体参数如下：

塔柱：底部直径为6 m；顶部直径为5.5 m；管状塔柱高度为114 m；风车转轴高度为120 m；重量为750 t；结构为5段钢管。

转子：类型为带电力调整的三叶桨；转子叶片长度为61.5 m；转子直径为126 m；转子扫过面积为12469 m2；重量为约120 t（其中转子叶片重量为18 t）。

1.3设计思路

船型选择。考虑本船对速度要求不高及装载、作业量等因素，宜采用肥大型线型；在此基础上合理设计型线，为减少阻力可采用球鼻。

甲板布置。人员居住、设备运输可通过合理甲板布置实现。综合考虑人员居住、操控等因素，考虑采用首楼式布置较为合理，主吊机布置在尾部，中部布置小吊机及设备存放空间。

主要设备（塔柱、风机、叶片）运输方式选择考虑采用如下两种方式：（1）三者分离方式，需单独设计甲板上的存放区域；（2）风机、叶片先行组合到一起的整体运输方式，组合之后占用甲板面积大，起吊困难，因而需设计专门的存放夹具，采用合理的作业方式。

主要作业方式选择。风机安装可通过安装起重机实现，为精确操作，考虑布置一主一辅两部吊机，吊装过程中具体作业方式及技术细节可考虑采用专用机具（吊具、夹具、机械手等）协助完成。

风车基座的安装。如采用打桩方式，为保证基座的垂直度，可采用打桩机实现；考虑到甲板的作业空间，可以考虑单独设置打桩机或将主吊设计成起重/打桩两用机。

船舶精确定位问题。考虑采用Ｚ推，全船采用动力定位。

稳定的作业面的创建。为降低风浪的影响，主要作业设备（吊机）与海地固着在一起是最佳方案，可考虑采用桩腿托起主作业面的方式。与海地固定方式可考虑采用桩靴以及桩靴＋桩尖两种方式。采用插入桩尖式作业时，首先让船舶加压载水，靠自重将桩腿扎入海底；然后放掉压载水，油缸工作，将船身升起。由于桩腿插入海底，故其受风、浪、流的影响可以不考虑，稳性得以保证；同时，由于减少了桩腿数量，增大了甲板面积和作业空间，给施工作业带来方便。

400 船舶整体形式。本船排水量在1.4 船舶具体构成方案

主要量度。总长：190 m ，设计本船适应的风机规格：3 MW ~ 6 总布置。底舱设7道水密横舱壁设置双层底，双层底高度为1.5机舱（内设主机、发电机组、各种动装置）、艏舱，其余舱室及双层底均上甲板为主要工作平台，由艉至运输安装特制车、机舱篷区域（内设CO 2室、消防控制间、电瓶间等）、上甲板前部为主生活区域，共六驾驶室、住宿生活区、艏锚泊及系泊主要功能区。本方案采用整体安小车与风机固定在一起，从船艏沿轨可沿四条轨道纵向滑动、定位。相互船艉部为作业区域，设有一转动上半部分开放；起吊风机时，二者可插入支撑托架的夹槽中，绕其转轴转扶正机构整体为一摇臂系统，作可将风机“夹住”，通过绳索牵引摇臂支架，并将其垂向升起；风机升起后完成安装。

1.5 风机安装作业过程概述

风机安装作业过程：摇臂旋转，塔柱间有一定缝隙，且夹具内侧通过液压绞车工作，牵引摇臂旋转立图1 摇臂夹具夹持住风机桁架上的绞车工作时，夹具夹

外摇出，定位到作业面上方将风车放 中 国 造 船

量在1~2万 t 左右，考虑整体自升式。

，设计水线：185 m ，型宽：48 m ，型深8 m 。单次装 MW 。摇臂系统：高90 m 。

横舱壁（除艏尾舱及艏侧推舱外）。

m ，由艉至艏分别设有艉舱（内设四台Z 型推各种动力泵等设备）、风车运输固定底座舱、艏侧推舱层底均设为压载水舱。

由艉至艏分别设有艉锚泊设备、液压绞车、桩靴桩腿（内设机舱监控系统、电站、液压控制系统等）、消等）、风车放置区域。

，共六层甲板依次为第一至第四甲板、驾驶甲板、顶及系泊设备、声光信号、通信导航设施等。

整体安装方式，风车在陆地上整体安装好，倾斜放置艏沿轨道将风机运输到船上，并加以固定。小车结构为。相互之间可以穿插、嵌套，从而将三个风车相穿插一转动支撑托架，通过转轴嵌入到甲板上的基座中，二者可以分离。当扶正风机时，风机通过小车沿轨道转轴转动。

统，作业时摇臂可以旋转到与风机同样角度。摇臂顶引摇臂，对风车进行扶正。摇臂上有液压绞车，升起后可向外摇出，定位到风机基座上方，然后液压旋转，顶端的夹具夹持住风机立柱，为防止力量过大侧通过专门设计的气垫与塔柱相接触。见图1。

旋转立起，从而带动风车绕底部托架旋转，立起。见

住风机立柱

图2 摇臂旋转带动风夹住风车托架，将风车垂向稍稍提起，然后摇臂在风车放下，完成安装。见图3。

学术论文 单次装载风机数量：3个。型推进装置）、燃油舱、侧推舱（内设三个艏侧推靴桩腿、转动圆盘、风车）、消防控制区域（内设板、顶篷甲板，主要设有斜放置到特制的小车上，结构为分体桁架式结构，相穿插固定在船上。

座中，托架与基座连接的沿轨道滑到作业区，尾部摇臂顶部有一特制夹具，可以“抓住”风机立柱底部后液压绞车将绳索放下，量过大破坏风机，夹具与起。见图2。

带动风机立起 摇臂在绳索牵引下继续向