近海風電專用安裝船若干關鍵技術(shù)研究.pdf

1、在全球能源緊缺、環(huán)境污染等問題日趨嚴重的形勢下，風能以其獨特的優(yōu)勢得到了世界各國的普遍重視，成為近年來發(fā)展最快的無污染可再生新能源，并逐漸由陸地走向了近海。
　　 與陸上風電相比，近海風電場運行環(huán)境更復雜，技術(shù)要求更高，施工難度更大。由于各類非專用船只在近海風電場的建設與維護施工中存在很多弊端，嚴重制約了近海風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此人們對研制專用安裝船的愿望變得十分迫切。歐洲少數(shù)幾個國家研制了第一代近海風電專用安裝船并開始著手開發(fā)第

2、二代船型，掌握著這個新興領域的前沿技術(shù)。2006年底，我國啟動“十一五”國家科技支撐計劃重大項目“大功率風電機組研制與示范”--“近海風電機組安裝及維護多功能作業(yè)船的研制”課題，開始了我國首艘專用安裝船的研制。本文以該課題為依托，對其中的若干關鍵技術(shù)進行了一系列研究，主要包括以下幾個方面：
　　 1.收集、整理了目前世界上現(xiàn)役和正在設計建造的近海風電專用安裝船的資料，了解了專用安裝船的設計要點、技術(shù)特點以及發(fā)展趨勢。當前世界上的

3、專用安裝船分為自航自升式與自航樁定位式兩類，通過對比分析，認為前者具有更好的作業(yè)穩(wěn)定性，而后者在保證相當程度的作業(yè)穩(wěn)定性的前提下，具有更低的造價和更優(yōu)的軟地基適應能力。綜述了國內(nèi)外在若干關鍵技術(shù)問題上的研究現(xiàn)狀，并進一步分析了現(xiàn)有技術(shù)存在的困難和不足。
　　 2.自航樁定位式專用安裝船在作業(yè)時，船體浮于水面受到風浪流的聯(lián)合作用，并將載荷傳遞給樁腿，其樁腿與固樁區(qū)的相互作用力特性與自航自升式船相差較大，難以借鑒自升式船/平臺領域的

4、研究成果，而唯一擁有這種船型的A2SEA公司采取了技術(shù)保密。本文以我國“十一五”科技支撐計劃研發(fā)的首艘自航樁定位式專用安裝船為例進行船模試驗，研究了該類船型在多種典型工況下，定位樁腿與船體開口處的相互作用力特性以及船舶在受樁腿約束下的運動特性。結(jié)果表明：風載荷對樁腿受力的影響作用很小可以忽略不計；單根樁腿沿船長方向上的受力在浪向角為60、120度時達到極大值，90度時達到極小值，而沿船寬方向上的受力在90度時達到極大值，總的來說在0度和

5、180度時的合力較小，作業(yè)時應盡量采取隨浪或迎浪方式；在斜浪情況下的入射波譜峰頻率處，同側(cè)(船艏為一側(cè)，船艉為另一側(cè))兩根樁腿的受力相位差為0度，異側(cè)兩根樁腿的受力相位差為160度；典型工況下，船體具有幅值不大、可被接受的垂蕩運動，其余運動不明顯，說明該類船型能夠提供相當程度的作業(yè)穩(wěn)定性；在同一水平面內(nèi)的各個固樁區(qū)，其受到的壓力大小基本一致，而垂向中間位置的固樁區(qū)受到的壓力比上下兩端的小。本試驗研究在國內(nèi)尚屬首次，為國內(nèi)該類船型的研究、

6、設計與作業(yè)時的操縱提供了重要可靠的參考依據(jù)。
　　 3.通過對比各類樁腿主體結(jié)構(gòu)型式、下端結(jié)構(gòu)型式、樁靴結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)劣點，根據(jù)上述試驗研究結(jié)果，本文對我國首艘自航樁定位式專用安裝船的樁腿結(jié)構(gòu)型式進行了合理設計。應用有限元方法對各典型工況下樁腿的屈服強度、結(jié)構(gòu)變形、支反力進行了計算分析。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在樁腿頂部位置；樁腿底部和下端滑輪處的應力水平較高；位移和應力均隨水深增大而增大；危險工況為90度浪向角、20m水深時的

7、極限工況。
　　 4.近海風電專用安裝船在其航行與作業(yè)等過程中涉及入水砰擊問題。本文基于CFD軟件Fluent進行二次開發(fā)，對專用安裝船船體入水砰擊問題展開數(shù)值模擬研究。首先從簡單幾何體出發(fā)，對靜水中三維平板與圓錐體的入水進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：平板底部的壓力峰值分布由中心向邊緣逐漸減小；隨著底升角的增大，圓錐體表面砰擊壓力先增大后減小，其最大值出現(xiàn)在1度底升角左右；仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好。隨后，分別基于源造波法、推板造波

8、法和速度入口造波法這三種不同造波方法和源消波法建立了二維數(shù)值水池，并通過對比水池試驗的波浪數(shù)據(jù)，認為推板造波法產(chǎn)生的波形穩(wěn)定、計算較快，是較優(yōu)的數(shù)值造波方法。最后將數(shù)值水池由二維拓展到三維，對三維甲板以及具有復雜幾何形狀的專用安裝船船艏在波浪中的入水，分別進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：三維結(jié)構(gòu)物在波浪中入水時，各點的入水速度與結(jié)構(gòu)物、波浪的相對運動有關；鼻艏底部總的壓力不大；船艏U形剖面部分的底部捕捉到較多的空氣，壓力峰值由中心逐漸向邊緣減

9、小，并具有較大的總壓力；仿真結(jié)果在可信的數(shù)量級上。本文提出的方法為波浪中入水問題的數(shù)值模擬研究提供了一個新思路，在國內(nèi)尚屬首次。同時，入水砰擊是海洋工程領域中一個重要的共性問題，因而本文的研究也具有了更廣泛的意義。
　　 5.近海風電專用安裝船作業(yè)于多個海域，具有明顯的“移動性”特點，普通的設計方法較為粗略，選取的環(huán)境載荷設計值往往不盡合理。前人對于如何給海洋結(jié)構(gòu)物選取合適的設計載荷值，提出了一些改良方法，但仍沒有充分考慮到移動

10、式結(jié)構(gòu)物的特點。本文提出了一個新計算式，將危險率、設計生命期、作業(yè)海域、各海域的環(huán)境載荷分布、各海域的作業(yè)時間這些因素參數(shù)化，較好地解決了這個問題。隨后，以某專用安裝船設計波高的選取為例，應用新計算式進行計算分析，并與普通設計方法作比較。結(jié)果表明：當危險率不變時，設計波高隨專用安裝船設計生命期的增加而增大；同一個重現(xiàn)期在不同海域?qū)诓煌牟ǜ?，普通方法難以選擇適當?shù)暮Ｓ騺碛嬎阍O計波高；各片作業(yè)海域的波浪分布及作業(yè)時間均對設計波高值產(chǎn)生

11、影響，這種影響有時是顯著的；當某片海域的波浪遠大于其它海域時，可只計算專用安裝船在該海域作業(yè)的那一部分來近似得到設計波高。此外，該式還可以廣泛用于其它各類移動式海工結(jié)構(gòu)物的設計環(huán)境載荷計算和已服役結(jié)構(gòu)物的安全評估，具有普遍意義。
　　 6.近海風電專用安裝船對海上風機水下部分的小型維護施工支持有限，潛水員只能在沒有遮擋的情況下直接進行水下作業(yè)，各種海洋環(huán)境(波浪、海流、潮汐)均會對施工過程造成較大困難。通過借鑒沉井/圍堰結(jié)構(gòu)和移