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摘 要： 摘 要：以一艘雙體風電運維船為研究對象，基于頻域水動力分析與時域耦合分析方法，對其在某海域執(zhí)行海上風機運維任務時的登靠作業(yè)概率進行研究，并對其在該海域的全年以及分季節(jié)登靠作業(yè)概率和作業(yè)天數(shù)進行評估。計算結(jié)果表 明，當以運動有義值作為校核標準
摘 要：以一艘雙體風電運維船為研究對象，基于頻域水動力分析與時域耦合分析方法，對其在某海域執(zhí)行海上風機運維任務時的登靠作業(yè)概率進行研究，并對其在該海域的全年以及分季節(jié)登靠作業(yè)概率和作業(yè)天數(shù)進行評估。計算結(jié)果表 明，當以運動有義值作為校核標準時，該運維船在目標海域全年可登靠天數(shù)大于170天，能夠滿足該海域海上風機運維要求。本文相關方法對于風電運維船和其他海洋工程作業(yè)船舶作業(yè)能力評估具有一定的參考價值。
關鍵詞：海上風電運維船;作業(yè)概率;WAMIT;OrcaFlex
0 引 言
2016年全球海上風電新增裝機容量近2200 MW，累計裝機容量近14300 MW，德國和荷蘭分列新增裝機容量排名的第一和第二，中國海上風電新增裝機容量592MW，排名第三，累計裝機容量為1627 MW。雖然歐洲目前處于領先地位，但中國的海上風電也在逐步發(fā)展。2016年12月，國家發(fā)展改革委員會印發(fā)《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提出加快推進已開工海上風電項目建設進度，積極推動后續(xù)海上風電項目開工建設，鼓勵沿海各省區(qū)市和主要開發(fā)企業(yè)建設海上風電示范項目，帶動海上風電產(chǎn)業(yè)化進程。同時，國家能源局出臺的《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》也提出，要積極穩(wěn)妥地推進海上風電建設，到2020年，全國海上風電開工建設規(guī)模達107kW，力爭累計并網(wǎng)容量達5×106kW。中國海上風電發(fā)展趨勢是穩(wěn)中求進。在未來幾年，隨著海上風電技術的不斷進步，海上風電開發(fā)成本會進一步降低，中國海上風電可能會取得更快的發(fā)展[1-2]。
海上風電運維船是用于海上風力發(fā)電機組運行維護的專用船舶。該船舶在波浪中應具有良好的運動性能，在航行中具有很好的舒適性，能夠低速精準地靠泊至風力發(fā)電機組的基礎，防止對基礎造成較大沖擊，并能夠與基礎持續(xù)接觸，安全便利地將人員和設備運送至風力發(fā)電機組;船舶甲板區(qū)應具有存放工具、備品備件等物資的集裝箱或風力發(fā)電機組運維專用設備的區(qū)域，并可以進行脫卸;船舶還應具有運維人員短期住宿生活的條件和優(yōu)良、舒適的夜泊功能。
在國外海上風電運維過程中，專業(yè)運維船作為最重要的可達性裝備被普遍應用于各海上風電場，由單體船、雙體船和三體船等船型組成。國內(nèi)海上風電剛剛起步，運維船尚處于起步階段，迫切需要對運維船作業(yè)能力進行專業(yè)的分析評估。當前針對海上風電運維船，乃至安裝資源都缺乏基于特定海域海況分析得出的作業(yè)概率及作業(yè)能力評估以作為施工決策依據(jù)，相關工作的開展還多基于工程經(jīng)驗手段。目前國內(nèi)海上風電安裝乃至海洋工程領域?qū)Π惭b資源是否能在作業(yè)海域進行作業(yè)、作業(yè)能力如何都缺乏科學的分析手段。
本文首次針對風電運維船展開作業(yè)能力評估研究，對目標雙體風電運維船(后文簡稱運維船)在江蘇海域的作業(yè)能力和作業(yè)概率評估展開分析研究，相關方法對風電運維船和其他風電作業(yè)船作業(yè)能力評估具有一定的借鑒意義，對于保證海上風電安裝和運維安全有一定的指導意義。
1 運維船基本信息
目標運維船基本信息見表1。該運維船為雙體船，總長為28m，型寬為10.8m，作業(yè)吃水為2.2m。船首配備運動補償裝置，不具備動力定位能力，登船裝置運動補償能力為2m。運維船登靠的風機登船平臺距水面5m。
2 環(huán)境條件
環(huán)境條件數(shù)據(jù)參考《西北太平洋波浪統(tǒng)計集》[2]，目標海域[3]為 Y2，如 圖 1 所 示，其 緯 度 范 圍 為 31.7°N～35.0°N，經(jīng)度范圍為119.2°E～125.0°E。該海域主要位于長江口以北的江蘇外海。Y2海域全年有義波高與平均跨零周期散布情況見表2，該海域全年4個季節(jié)有義波高與平均跨零周期分布見表3。Y2海域有義波高 Hs =0.3～3.6m，對應平均跨零周期Tz =4～7s，分季節(jié)有義波高主要集中在0.3～2.2m，該海域的海況較為溫和。
Y2海域全年及分季節(jié)波浪方向分布如圖2所示。由圖2可知，該海域波向方向特征明顯，以西北-東南向為主，春夏以東南向為主，秋冬以北-西北向為主。
3 分析方法
3.1 基本假設與分析方法
本文針對目標運維船在黃海海域登靠風機進行運行維護的作業(yè)概率進行分析方法研究，考慮到實際分析需要，作出以下基本假設：
(1)運維船以頂靠方式接近風機實現(xiàn)人員登靠，船舶不具備動力定位能力，因此假設運維船在迎浪、隨浪方向能實現(xiàn)順利登靠;
(2)考慮到該海域波浪主方向較為穩(wěn)定，因此假設風機登船平臺位于平臺的東南向;
(3)考慮到運維船靠泊后人員登爬風機至頂部機艙進行作業(yè)，該作業(yè)在很大程度上需在風速較小的條件下開展，因此假定當風速小于8m/s時登靠風機平臺的運維人員可以正常登爬風機進行維護作業(yè)。
分析流程和方法如圖3所示。
具體的分析步驟如下：
(1)根據(jù)運維船船體型線圖建立水動力分析模型;
(2)根據(jù) Y2海域環(huán)境條件建立全年、分季度的有義波高與譜峰周期TP 關系;
(3)確定全年、分季度的波向分布特性以及有義波高概率分布函數(shù);
(4)確定在各個海況作用下運維船登船裝置與風機登船平臺間的相對運動響應值;
(5)結(jié)合波高概率分布函數(shù)以及波向分布，求出全年和分季度的運維船作業(yè)概率。
3.2 頻域水動力分析與運動分析
本文采用 WAMIT 軟件對運維船進行頻域水動力分析。WAMIT 是基于三維勢流理論進行浮體和波浪相互作用分析的軟件，主要解決浮體在環(huán)境載荷作用下的運動響應、系泊定位、海上安裝作業(yè)、船舶航行以及波浪載荷傳 遞 等 方 面 的 問 題[4]。運維船的水動力系數(shù)、幅 值 響 應 算 子(ResponseAmplitudeOperator，RAO)、一階波浪載荷等通過 WAMIT 軟件求解。運維船面源水動力計算模型如圖4所示。
風電運維船登靠作業(yè)概率評估相關期刊推薦：《海洋工程》是由中國科學技術協(xié)會主管、中國海洋學會主辦、南京水利科學研究院和上海交通大學承辦的綜合性、科技學術刊物。于1983年創(chuàng)刊，季刊，每期發(fā)行3000冊。主要讀者為從事海洋工程的科研、教學和工程技術等人員。面向國內(nèi)外發(fā)行。主要向國內(nèi)外介紹我國海洋工程方面的研究、設計、實驗、生產(chǎn)、使用和管理等方面的成果以及學術動態(tài)，擴大對外宣傳和交流。主要刊載離岸工程、海岸工程、海洋能源利用工程、水下工程、潛水技術、救撈技術等領域具有理論及實踐水平的學術論文、研究簡報、綜合評論、調(diào)查報告、成果介紹及學術動態(tài)報導。有投稿需求的作者，可以直接與在線編輯聯(lián)系。
運維船在波浪作用下的時域運動響應使用OrcaFlex軟件進行計算[5]。WAMIT 計算的水動力數(shù)據(jù)導入OrcaFlex中進行時域運動響應計算，計算結(jié)果考慮運維船登船位置與風機登船平臺的相對運動，計算模型如圖5所示。
4 運維船作業(yè)概率分析
4.1 運維船水動力響應特性
運維船運動響應 RAO 如圖6～圖8所示。由于該船尺度和噸位較小，波頻運動固有周期較小，集中在5s附近，其在大波長范圍內(nèi)的運動幅值較大，呈現(xiàn)隨波運動的狀態(tài)，在高海況下船體運動性能較差。
4.2 全年及分季度海況作用下運維船運動響應
對運維船在全年以及分季節(jié)各個海況下的運動性能進行計算。此處僅給出全年計算工況和對應計算結(jié)果，見表4、表5，在全年海況下運維船登船裝置與風機登船平臺相對運動(簡稱相對運動)如圖9所示。由圖9可知，在全年海況作用下，考慮登船系統(tǒng)運動補償：當以相對運動有義值作為校核標準 時，相 對 運 動 小 于2m，對應有義波高在1.6m 以下;當以相對運動最大值作為校核標準時，相對運動小于1m，對應有義波高在1.0m 以下。隨
著波浪周期的縮短，譜峰周期接近船體運動固有周期，低譜峰周期條件下波陡較大，此時運維船運動響應增大。
運維船在高海況條件下呈現(xiàn)明顯的隨波運動。圖10、圖11為 TY07工況下船體運動時域截圖，可以發(fā)現(xiàn)運維船在高海況下隨波運動，升沉運動明顯。
4.3 全年及分季度海況作用下運維船作業(yè)概率
根據(jù)第3節(jié)相關方法，計算運維船在 Y2海域的全年及分季度作業(yè)限制波高與作業(yè)概率。計算結(jié)果表明：當以有義值作為校核標準時，運維船最大作業(yè)有義波高為1.6～2.6m，譜峰周期越小作業(yè)限制波高越低，這與之前的運動分析結(jié)果 相 一 致;當以相對運動最大值作為校核標準時，運維船最大作業(yè)有義波高為0.8～1.2m。考 慮 登 爬 風 機 的 風 速 限 制 要 求：當以有義值作為校核標準時，運維船最大作業(yè)有義波高為1.6m;當以相對運動最大值作為校核標準時，運維船最大作業(yè)有義波高為0.8m。
最終給出運維船在目標海域的全年以及分季度作業(yè)概率以及對應作業(yè)天數(shù)，見表6。
當以相對運動有義值作為校核標準時，該船在目標海域全年的可作業(yè)天數(shù)在170d左右：運維船在春季和夏季作業(yè)天數(shù)較多，分別為45d和47d;秋季和冬季作業(yè)天數(shù)略少，分別為37d和33d。當以相對運動最大值作為校核標準時，該船在目標海域全年的可作業(yè)天數(shù)在140d左右：運維船在春季和夏季作業(yè)天數(shù)較多，分別為35d和38d;秋季和冬季作業(yè)天數(shù)略少，分別為31d和24d。
考慮到當前國內(nèi)運維船通常作業(yè)時間為1～2d，作業(yè)天數(shù)分析結(jié)果顯示該船具有較強的作業(yè)能力，能夠滿足相關海域的海上風機運維要求。
5 結(jié) 論
本文對一條雙體運維船在江蘇黃海海域的全年作業(yè)概率與作業(yè)天數(shù)進行研究，最終結(jié)果顯示該船在該海域有較強的作業(yè)能力，能夠滿足該海域海上風機的運維要求。
采用相對運動有義值和最大值作為作業(yè)能力校核標準最終得出的運維船最大限制波高區(qū)別較大。真實海況呈現(xiàn)較強的非線性和隨機性，在運維船上的人員登上風機平臺的過程中，船體時刻處于運動之中，考慮到人員安全，針對本文的運維船以及目標海域，具體建議見表7。
為了提高運維船的作業(yè)能力，可以考慮對運維船進行有針對性的主尺度優(yōu)化設計，配備動力定位系統(tǒng)以適應不同波浪方向作用，提高運維船的登靠能力，同時建議運維船配備全面的天氣預報和檢測系統(tǒng)，以保障運維人員安全登靠。風機登靠平臺放置位置應充分考慮當?shù)睾Ｓ虻闹鞑ㄏ颉?/p>