近海风电专用安装船若干关键技术研究

摘要

在全球能源紧缺、环境污染等问题日趋严重的形势下，风能以其独特的优势得到了世界各国的普遍重视，成为近年来发展最快的无污染可再生新能源，并逐渐由陆地走向了近海。
　　 与陆上风电相比，近海风电场运行环境更复杂，技术要求更高，施工难度更大。由于各类非专用船只在近海风电场的建设与维护施工中存在很多弊端，严重制约了近海风电产业的发展，因此人们对研制专用安装船的愿望变得十分迫切。欧洲少数几个国家研制了第一代近海风电专用安装船并开始着手开发第二代船型，掌握着这个新兴领域的前沿技术。2006年底，我国启动“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”--“近海风电机组安装及维护多功能作业船的研制”课题，开始了我国首艘专用安装船的研制。本文以该课题为依托，对其中的若干关键技术进行了一系列研究，主要包括以下几个方面：
　　 1.收集、整理了目前世界上现役和正在设计建造的近海风电专用安装船的资料，了解了专用安装船的设计要点、技术特点以及发展趋势。当前世界上的专用安装船分为自航自升式与自航桩定位式两类，通过对比分析，认为前者具有更好的作业稳定性，而后者在保证相当程度的作业稳定性的前提下，具有更低的造价和更优的软地基适应能力。综述了国内外在若干关键技术问题上的研究现状，并进一步分析了现有技术存在的困难和不足。
　　 2.自航桩定位式专用安装船在作业时，船体浮于水面受到风浪流的联合作用，并将载荷传递给桩腿，其桩腿与固桩区的相互作用力特性与自航自升式船相差较大，难以借鉴自升式船/平台领域的研究成果，而唯一拥有这种船型的A2SEA公司采取了技术保密。本文以我国“十一五”科技支撑计划研发的首艘自航桩定位式专用安装船为例进行船模试验，研究了该类船型在多种典型工况下，定位桩腿与船体开口处的相互作用力特性以及船舶在受桩腿约束下的运动特性。结果表明：风载荷对桩腿受力的影响作用很小可以忽略不计；单根桩腿沿船长方向上的受力在浪向角为60、120度时达到极大值，90度时达到极小值，而沿船宽方向上的受力在90度时达到极大值，总的来说在0度和180度时的合力较小，作业时应尽量采取随浪或迎浪方式；在斜浪情况下的入射波谱峰频率处，同侧(船艏为一侧，船艉为另一侧)两根桩腿的受力相位差为0度，异侧两根桩腿的受力相位差为160度；典型工况下，船体具有幅值不大、可被接受的垂荡运动，其余运动不明显，说明该类船型能够提供相当程度的作业稳定性；在同一水平面内的各个固桩区，其受到的压力大小基本一致，而垂向中间位置的固桩区受到的压力比上下两端的小。本试验研究在国内尚属首次，为国内该类船型的研究、设计与作业时的操纵提供了重要可靠的参考依据。
　　 3.通过对比各类桩腿主体结构型式、下端结构型式、桩靴结构型式的优劣点，根据上述试验研究结果，本文对我国首艘自航桩定位式专用安装船的桩腿结构型式进行了合理设计。应用有限元方法对各典型工况下桩腿的屈服强度、结构变形、支反力进行了计算分析。结果表明：结构最大位移出现在桩腿顶部位置；桩腿底部和下端滑轮处的应力水平较高；位移和应力均随水深增大而增大；危险工况为90度浪向角、20m水深时的极限工况。
　　 4.近海风电专用安装船在其航行与作业等过程中涉及入水砰击问题。本文基于CFD软件Fluent进行二次开发，对专用安装船船体入水砰击问题展开数值模拟研究。首先从简单几何体出发，对静水中三维平板与圆锥体的入水进行了数值模拟，结果表明：平板底部的压力峰值分布由中心向边缘逐渐减小；随着底升角的增大，圆锥体表面砰击压力先增大后减小，其最大值出现在1度底升角左右；仿真结果与试验数据吻合较好。随后，分别基于源造波法、推板造波法和速度入口造波法这三种不同造波方法和源消波法建立了二维数值水池，并通过对比水池试验的波浪数据，认为推板造波法产生的波形稳定、计算较快，是较优的数值造波方法。最后将数值水池由二维拓展到三维，对三维甲板以及具有复杂几何形状的专用安装船船艏在波浪中的入水，分别进行了数值模拟。结果表明：三维结构物在波浪中入水时，各点的入水速度与结构物、波浪的相对运动有关；鼻艏底部总的压力不大；船艏U形剖面部分的底部捕捉到较多的空气，压力峰值由中心逐渐向边缘减小，并具有较大的总压力；仿真结果在可信的数量级上。本文提出的方法为波浪中入水问题的数值模拟研究提供了一个新思路，在国内尚属首次。同时，入水砰击是海洋工程领域中一个重要的共性问题，因而本文的研究也具有了更广泛的意义。
　　 5.近海风电专用安装船作业于多个海域，具有明显的“移动性”特点，普通的设计方法较为粗略，选取的环境载荷设计值往往不尽合理。前人对于如何给海洋结构物选取合适的设计载荷值，提出了一些改良方法，但仍没有充分考虑到移动式结构物的特点。本文提出了一个新计算式，将危险率、设计生命期、作业海域、各海域的环境载荷分布、各海域的作业时间这些因素参数化，较好地解决了这个问题。随后，以某专用安装船设计波高的选取为例，应用新计算式进行计算分析，并与普通设计方法作比较。结果表明：当危险率不变时，设计波高随专用安装船设计生命期的增加而增大；同一个重现期在不同海域对应于不同的波高，普通方法难以选择适当的海域来计算设计波高；各片作业海域的波浪分布及作业时间均对设计波高值产生影响，这种影响有时是显著的；当某片海域的波浪远大于其它海域时，可只计算专用安装船在该海域作业的那一部分来近似得到设计波高。此外，该式还可以广泛用于其它各类移动式海工结构物的设计环境载荷计算和已服役结构物的安全评估，具有普遍意义。
　　 6.近海风电专用安装船对海上风机水下部分的小型维护施工支持有限，潜水员只能在没有遮挡的情况下直接进行水下作业，各种海洋环境(波浪、海流、潮汐)均会对施工过程造成较大困难。通过借鉴沉井/围堰结构和移动式平台的技术，本文提出了移动式水下施工挡流装置这样一个新型设备，以弥补专用安装船的不足，并获得了国家发明专利授权。该装置能够提供一个小水流影响的作业区域，具有安全性高、灵活机动、能反复使用、受客观条件限制小、稳性及结构强度有保证等优点，在一定程度上解决了施工难的问题。在介绍了该装置的主要结构特点、作业方式之后，对其在移航以及下潜时各个倾斜方向的初稳性、大倾角稳性以及海流载荷进行了计算，并根据计算结果给出了锚的尺寸。