海上风电场运输甲板驳船系泊方案研究

成海亮，李卓，苏冠瑜，劳军

（1.中远海运物流供应链有限公司，北京 100020；2.江苏金风科技有限公司，江苏 盐城 224000）

在欧美等一些发达国家，因为风场海况恶劣，风电安装运输的现存资源有限，大多数项目采用兼顾运输和安装的自升式风电安装船进行风电机组的运输与安装；而在国内通常都是采用甲板驳船运输+自升式安装船的方式来进行海上风场的建设。自升式安装船在吊装安装的过程中所处的海况复杂，如果甲板船舶运动幅度过大，一旦发生吊装事故，危害性是不可估量的，不仅会造成重大的人员伤亡和延误海上风电场投产并网的时间，而且会对海上环境造成污染，因此，在吊装安装的过程中如何使风电设备运输甲板船在预设位置系泊且保持稳定，是风电机组运输和吊装安装所面临的重要课题。本文通过对目前海上风电场甲板运输驳船常用的系泊方案研究，对典型的海上系泊方案进行数值模拟分析，为海上风电场运输甲板船的系泊方案提供一定的理论依据和实践指导。

1 风电设备运输甲板船海上系泊方案

在海上风电场中常见的运输甲板驳船定位系泊方式有如下几种：四锚定位系泊、运输驳船-船运输驳系泊及运输船舶-桩系泊[1]。

1.1 四锚定位系泊方案

运输甲板驳船四锚定位系泊是用锚、锚缆和缆绳将运输甲板驳船系留于指定安装海域，限制环境外力改变船舶的状态，使其保持在预定位置上的定位系泊方式，以减少运输甲板船舶过度运动，来满足风电设备吊卸安装要求。四锚定位系泊与动力定位相比，其优势在于它所需投资较少、使用维护方便、安全性高等。因此，四锚定位系泊系统在海上风电和工程船舶作业中广为应用。

图1 运输驳船的四锚定位系泊布置方案

1.2 船-船定位系泊方案

考虑到风场卸货的相接顺畅，施工方设置大吨位船舶（称老锚船）的停靠在风场，用于被运输甲板驳船搭靠系泊所用，老锚船（被靠驳船）采用四锚定位系泊；运输甲板船（靠泊船）通过船用纤维缆与老锚船（被靠驳船）系泊，并在船艏和船艉各抛下一只锚，其系泊缆和交叉缆的方案如下图所示：

图2 船-船系泊布置方案

1.3 船-桩定位系泊方案

靠船桩可以分为两大类：①由多根桩组成的刚性靠船桩，在受撞击过程中变形很小，撞击能量主要由橡胶护舷吸收；②柔性靠船桩，在受撞击过程中变形较大，船舶撞击能量由桩的变形和橡胶护舷共同吸收，在海上风电场，船-桩定位系泊通常选择在风机安装位置靠驳船一侧临时安装两根或四根靠泊桩，运输驳船侧靠在靠泊桩上，并通过交叉系泊缆连接，如下图所示。

图3 船-桩系泊布置方案

2 海上风电场系泊系统评价指标

海上风电甲板运输驳船系泊系统的评价指标主要考虑运输甲板船舶的运动幅度和系泊系统安全性两方面，其指标主要包括船舶的平动自由度运动量（船舶纵向位移、横向位移及升沉），船舶的横摇角及系泊缆的最大张力：

2.1 船舶四个自由度的运动幅度

海上风电安装时，风场作业条件要求比较严苛，其作业窗口条件主要靠经验积累或相关数值仿真计算，受装卸工艺的限制，运输甲板船在吊装前需要完全被系泊系统约束，如运输甲板船舶发生较大运动时，可导致无法完成吊装作业，在非横浪工况下船舶作业允许运动量标准如表1所示[2]。

表1 船舶允许运动幅值标准

2.2 系泊缆的张力

根据API 2SK 2005 和GL NOBEL DENTON 的系泊指南，风电机组设备在海上过驳吊装时，运输甲板驳船为临时系泊，采用系泊缆绳的张紧力应小于其最小破断力，采用动态分析方法，其系泊张紧力的安全系数为1.67。

3 运输甲板船舶海上系泊系统建模分析

本文以DWT5000 吨运输甲板运输船舶的为例，对运输甲板驳船的三种典型定位系泊方式进行计算分析，运输甲板驳船及被靠驳船（老锚船）的基本参数如表2所示：

表2 不同载重吨的甲板驳船基本参数

3.1 系泊缆的性能参数

本文分析的海上风电运输甲板船配备无杆锚霍尔锚，锚重为6 吨。

表3 系泊缆的性能参数

3.2 海况环境

为了分析运输甲板驳船的在海上风电场常用系泊系统的运动响应及安全性，本文以DWT5000 吨甲板驳船为例，模拟计算了常用定位系泊系统在四种海况环境条件下的运动响应幅值，四种海况作业环境条件有义波高分别0.5m、1.0m、1.5m 和2.0m，采用JONSWAP 波浪谱进行模拟。

3.3 系泊系统模型建立

利用水动力软件建立了不同载重吨的甲板驳船水动力模型，艏楼建筑根据外部尺寸进行简化处理，建立好的船舶系泊系统水动力模型如图4、图5所示。

图4 船-船系泊水动力模型

图5 船-桩系泊水动力模型

4 计算结果分析

因风场的浪向较为有规律，且不许可横浪工况下作业，因此在结果分析中，仅提取分析非横浪作用下的系泊系统的运动响应及受力情况进行分析和研究。

表4 四锚定位系泊下5000 吨驳船的运动幅值和缆索张力

表5 船-船系泊下运输驳船的运动幅值和缆索张力

表6 船-桩系泊下运输驳船的运动幅值和缆索张力

5 结论

（1）在1.5m 的波高以下，四锚定位系可满足系泊安全性要求，但运输驳船的运动量较大，为了减低系泊甲板船的运动幅度，提高机组起吊安装的作业波高，还需要进一步对系泊系统进行优化。

（2）在1.5 米波高作业环境下，下船-船系泊的系泊纤维缆绳，其最大张紧力达到了490ton，相应的安全系数为0.4，远远低于规范的要求。因此选择双船系泊作业时，尽量选择在风浪流条件较为温和的情况下进行，避免在波高等于或超过1.5 米的情况下进行，以确保海上作业的安全。

（3）DWT5000 吨甲板驳船依靠有限个系泊桩系泊存在一定的风险性，且随着外部环境条件的愈加恶劣，缆绳的张紧力增加越大，超出了规范要求的安全系数，而在辅助桩与船舷外侧的接触处亦会发生较大的碰撞力，引起辅助桩的设计直径和强度要求相应加大。

通过对DWT5000 吨甲驳船在典型系泊方案下进行船舶运动响应分析，从系泊安全性、船舶运动的幅度的约束效果和海上系泊施工便捷性等多方面考量，船-船系泊和船-桩系泊方案，需要设置较多的系泊缆绳，如在船间舷侧系上交叉和平行缆绳，还在靠泊船的艏艉各抛出一根缆绳，不如四锚系泊方案的简易便捷，且仅适用于海上风浪流环境条件比较温和的和临时停泊的情况（1.0 米波高以下），通过本文的研究，在海上风电场推荐使用单船四锚系泊方案。其次，在温和的水域谨慎使用船-船系泊方案。船-桩系泊方案则不宜推荐。