风电运维船登靠作业概率评估
发布时间：2019-08-07
摘 要：以一艘双体风电运维船为研究对象，基于频域水动力分析与时域耦合分析方法，对其在某海域执行海上风机运维任务时的登靠作业概率进行研究，并对其在该海域的全年以及分季节登靠作业概率和作业天数进行评估。计算结果表 明，当以运动有义值作为校核标准时，该运维船在目标海域全年可登靠天数大于170天，能够满足该海域海上风机运维要求。本文相关方法对于风电运维船和其他海洋工程作业船舶作业能力评估具有一定的参考价值。
关键词：海上风电运维船;作业概率;WAMIT;OrcaFlex
引 言
2016年全球海上风电新增装机容量近2200 MW，累计装机容量近14300 MW，德国和荷兰分列新增装机容量排名的第一和第二，中国海上风电新增装机容量592MW，排名第三，累计装机容量为1627 MW。虽然欧洲目前处于领先地位，但中国的海上风电也在逐步发展。2016年12月，国家发展改革委员会印发《可再生能源发展“十三五”规划》，提出加快推进已开工海上风电项目建设进度，积极推动后续海上风电项目开工建设，鼓励沿海各省区市和主要开发企业建设海上风电示范项目，带动海上风电产业化进程。同时，国家能源局出台的《风电发展“十三五”规划》也提出，要积极稳妥地推进海上风电建设，到2020年，全国海上风电开工建设规模达107kW，力争累计并网容量达5×106kW。中国海上风电发展趋势是稳中求进。在未来几年，随着海上风电技术的不断进步，海上风电开发成本会进一步降低，中国海上风电可能会取得更快的发展[1-2]。
海上风电运维船是用于海上风力发电机组运行维护的专用船舶。该船舶在波浪中应具有良好的运动性能，在航行中具有很好的舒适性，能够低速精准地靠泊至风力发电机组的基础，防止对基础造成较大冲击，并能够与基础持续接触，安全便利地将人员和设备运送至风力发电机组;船舶甲板区应具有存放工具、备品备件等物资的集装箱或风力发电机组运维专用设备的区域，并可以进行脱卸;船舶还应具有运维人员短期住宿生活的条件和优良、舒适的夜泊功能。
在国外海上风电运维过程中，专业运维船作为最重要的可达性装备被普遍应用于各海上风电场，由单体船、双体船和三体船等船型组成。国内海上风电刚刚起步，运维船尚处于起步阶段，迫切需要对运维船作业能力进行专业的分析评估。当前针对海上风电运维船，乃至安装资源都缺乏基于特定海域海况分析得出的作业概率及作业能力评估以作为施工决策依据，相关工作的开展还多基于工程经验手段。目前国内海上风电安装乃至海洋工程领域对安装资源是否能在作业海域进行作业、作业能力如何都缺乏科学的分析手段。
本文首次针对风电运维船展开作业能力评估研究，对目标双体风电运维船(后文简称运维船)在江苏海域的作业能力和作业概率评估展开分析研究，相关方法对风电运维船和其他风电作业船作业能力评估具有一定的借鉴意义，对于保证海上风电安装和运维安全有一定的指导意义。
1 运维船基本信息
目标运维船基本信息见表1。该运维船为双体船，总长为28m，型宽为10.8m，作业吃水为2.2m。船首配备运动补偿装置，不具备动力定位能力，登船装置运动补偿能力为2m。运维船登靠的风机登船平台距水面5m。
2、环境条件
环境条件数据参考《西北太平洋波浪统计集》[2]，目标海域[3]为 Y2，如 图 1 所 示，其 纬 度 范 围 为 31.7°N～35.0°N，经度范围为119.2°E～125.0°E。该海域主要位于长江口以北的江苏外海。Y2海域全年有义波高与平均跨零周期散布情况见表2，该海域全年4个季节有义波高与平均跨零周期分布见表3。Y2海域有义波高 Hs =0.3～3.6m，对应平均跨零周期Tz =4～7s，分季节有义波高主要集中在0.3～2.2m，该海域的海况较为温和。
Y2海域全年及分季节波浪方向分布如图2所示。由图2可知，该海域波向方向特征明显，以西北-东南向为主，春夏以东南向为主，秋冬以北-西北向为主。
3 分析方法
3.1 基本假设与分析方法本文针对目标运维船在黄海海域登靠风机进行运行维护的作业概率进行分析方法研究，考虑到实际分析需要，作出以下基本假设：
(1)运维船以顶靠方式接近风机实现人员登靠，船舶不具备动力定位能力，因此假设运维船在迎浪、随浪方向能实现顺利登靠;
(2)考虑到该海域波浪主方向较为稳定，因此假设风机登船平台位于平台的东南向;
(3)考虑到运维船靠泊后人员登爬风机至顶部机舱进行作业，该作业在很大程度上需在风速较小的条件下开展，因此假定当风速小于8m/s时登靠风机平台的运维人员可以正常登爬风机进行维护作业。
具体的分析步骤如下：
(1)根据运维船船体型线图建立水动力分析模型;
(2)根据 Y2海域环境条件建立全年、分季度的有义波高与谱峰周期TP 关系;
(3)确定全年、分季度的波向分布特性以及有义波高概率分布函数;
(4)确定在各个海况作用下运维船登船装置与风机登船平台间的相对运动响应值;
(5)结合波高概率分布函数以及波向分布，求出全年和分季度的运维船作业概率。
3.2 频域水动力分析与运动分析
本文采用 WAMIT 软件对运维船进行频域水动力分析。WAMIT 是基于三维势流理论进行浮体和波浪相互作用分析的软件，主要解决浮体在环境载荷作用下的运动响应、系泊定位、海上安装作业、船舶航行以及波浪载荷传 递 等 方 面 的 问 题[4]。运维船的水动力系数、幅 值 响 应 算 子(ResponseAmplitudeOperator，RAO)、一阶波浪载荷等通过 WAMIT 软件求解。运维船面源水动力计算模型如图4所示。
运维船在波浪作用下的时域运动响应使用OrcaFlex软件进行计算[5]。WAMIT 计算的水动力数据导入OrcaFlex中进行时域运动响应计算，计算结果考虑运维船登船位置与风机登船平台的相对运动，计算模型如图5所示。
4、运维船作业概率分析
4.1 运维船水动力响应特性
运维船运动响应 RAO 如图6～图8所示。由于该船尺度和吨位较小，波频运动固有周期较小，集中在5s附近，其在大波长范围内的运动幅值较大，呈现随波运动的状态，在高海况下船体运动性能较差。
4.2 全年及分季度海况作用下运维船运动响应
对运维船在全年以及分季节各个海况下的运动性能进行计算。此处仅给出全年计算工况和对应计算结果，见表4、表5，在全年海况下运维船登船装置与风机登船平台相对运动(简称相对运动)如图9所示。由图9可知，在全年海况作用下，考虑登船系统运动补偿：当以相对运动有义值作为校核标准 时，相 对 运 动 小 于2m，对应有义波高在1.6m 以下;当以相对运动最大值作为校核标准时，相对运动小于1m，对应有义波高在1.0m 以下。
随着波浪周期的缩短，谱峰周期接近船体运动固有周期，低谱峰周期条件下波陡较大，此时运维船运动响应增大。
运维船在高海况条件下呈现明显的随波运动。图10、图11为 TY07工况下船体运动时域截图，可以发现运维船在高海况下随波运动，升沉运动明显。
4.3 全年及分季度海况作用下运维船作业概率
根据第3节相关方法，计算运维船在 Y2海域的全年及分季度作业限制波高与作业概率。计算结果表明：当以有义值作为校核标准时，运维船最大作业有义波高为1.6～2.6m，谱峰周期越小作业限制波高越低，这与之前的运动分析结果 相 一 致;当以相对运动最大值作为校核标准时，运维船最大作业有义波高为0.8～1.2m。考 虑 登 爬 风 机 的 风 速 限 制 要 求：当以有义值作为校核标准时，运维船最大作业有义波高为1.6m;当以相对运动最大值作为校核标准时，运维船最大作业有义波高为0.8m。
当以相对运动有义值作为校核标准时，该船在目标海域全年的可作业天数在170d左右：运维船在春季和夏季作业天数较多，分别为45d和47d;秋季和冬季作业天数略少，分别为37d和33d。当以相对运动最大值作为校核标准时，该船在目标海域全年的可作业天数在140d左右：运维船在春季和夏季作业天数较多，分别为35d和38d;秋季和冬季作业天数略少，分别为31d和24d。
考虑到当前国内运维船通常作业时间为1～2d，作业天数分析结果显示该船具有较强的作业能力，能够满足相关海域的海上风机运维要求。
5 结 论
本文对一条双体运维船在江苏黄海海域的全年作业概率与作业天数进行研究，最终结果显示该船在该海域有较强的作业能力，能够满足该海域海上风机的运维要求。
采用相对运动有义值和最大值作为作业能力校核标准最终得出的运维船最大限制波高区别较大。真实海况呈现较强的非线性和随机性，在运维船上的人员登上风机平台的过程中，船体时刻处于运动之中，考虑到人员安全，针对本文的运维船以及目标海域，具体建议见表7。
为了提高运维船的作业能力，可以考虑对运维船进行有针对性的主尺度优化设计，配备动力定位系统以适应不同波浪方向作用，提高运维船的登靠能力，同时建议运维船配备全面的天气预报和检测系统，以保障运维人员安全登靠。风机登靠平台放置位置应充分考虑当地海域的主波向。
参考文献
[1] 曾 佑 清，闫 中 杰.海上风电运维服务探索之运维船 [EB/OL].[2017-06-02].https：//itern.btime.com/061tpbj67q852smo6m9ftjtu9vq.
[2] 方钟圣.西北太平洋波浪统计集[M].北京.国防工业出版社，1996.
[3] 中国国家能源局.风电发展“十三五”规划[R].2016.
[4] WAMIT User’sManual6.4[Z].WAMIT，Inc.[5] OrcaFlexManualVersion10.0a
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