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珠海桂山200MW海上示范风电场运营维护船方案
作者：朱荣华 张亮 龙正如 向君 蒋荣晖 来源：《风能》2015年第05期
海上风电场设计寿命一般为25年，为了保证海上风电场稳定运行，必须对风电机组进行运行检测与日常维护。在运维过程中，除配备高效率、专业化维护团队外，设计符合当地海域、海况的运营维护船（以下简称“运维船”）也同样非常重要。
风电场运营维护船（以下简称“运维船”），英文Wind FarmService Vessel，国际上将此船型缩写“WFSV”，主要用于运输维护人员及相关工具等，以便进行风电机组的日常维护。 珠海桂山海上风电场规划容量为200MW，位于广东省南部，与西北珠海海岸最近距离约20km-25km，水深范围6m-10Om，为近海风电场；常见波高0.5m-1.5m，最大波高8.3m，海平面平均风速约3m/s，50年一遇最大风速为69.4m/s，且处在台风频发的南海海域，受台风影响，易产生灾害性大浪。因此，必须结合其特殊的海上气象条件和水文环境设计出适合此风电场的运维船，以确保运维的安全性和便捷性。
珠海海上气候环境多变，暴雨、台风、巨浪等恶劣气候频发，运维船需具有在恶劣气候条件下工作的能力，并能确保海上作业人员及设备的安全。当海上风电机组出现故障时，要能够在第一时间内将技术人员运抵现场进行维护，最大程度减少停机时间。因此，运维船必须拥有较高的航度，以实现海上风电场运维的快速反应。 运维船种类及运维船对风电场的影响
对于海上风电场的日常维护检查工作，基于船舶的接近技术是目前较为普遍采取的方式，与直升机等其他方式相比，基于船舶的方式更经济和符合国情。目前，主要有三种比较常见船舶接近型式，包括非接触型、舷板型和直接接触型。
本文重点介绍基于直接接触型船舶的方案。近岸风电场日常维护通常需要1名-2名维护人员到达风电机组现场进行检查和清洁，由于需要携带的运维工具不是很多，因此可以使用小型快艇作为运维船（见图1）。快艇结构小巧灵活，行驶速度快，适合海上风电机组日常维护工作。对于运输尺寸和重量比较大的设备，则需载物运维船进行运输（见图2）。在运维船艉部甲板布置载货区，用于堆放大件设备和运维工具。在左舷船艉上布置液压折臂吊机，用于设备的码头装载，可不必借助陆上起重机作业，实现自给。
综合考虑经济性、安全性及目前我国所处的海上风电场开发阶段等因素，通过调研国外风电运维船产品，并结合我国目前的实际情况，海上风电场运维船参数要求大致如下：（1）双
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体结构船、铝制或玻璃钢材料船体。（2）航速在25kn-30kn之间。（3）船艏或船艉配备一个液压伸缩克令吊。（4）抗风浪一般考虑1.5m-2m浪高。（5）50%-80%气象条件下可以通达。（6）靠泊方式：船艏顶住风电机组基础的靠船桩，在风浪大时，主机不能停机，船艏装有防护橡胶护船邦，部分船还有旋转梯用于同行。（7）部分船舶配有齿轮箱油的补充系统专用装置。
珠海风电场运维船运维特点
珠海桂山海上风电场有34台风电机组，29台明阳风电SCD3.0两叶片抗台型风电机组，正常运行每年需要超过500次人为干预，约3000人次的登机处理。据DNV船级社的测算，每台海上风电机组平均每年有高达40次停机故障，整体故障率约3%，大约每20台海上风电机组就需要一艘专业的运维船。珠海风电场遇到的困难有，珠江口属于繁忙的海上交通线，通航受限，通达一般选择在白天，正常情况综合珠海桂山海上风电场的海况、气象条件及维护要求，选择直接接触型船舶的运维船方案是一个比较现实可行并且经济的技术方案。 一、船型选择
海上风电场运维船可采用的船型有单体船、双体船和三体船。单体船特点有结构重量轻、速度快、吃水可控制的更小、建造成本相对低。但是带来的甲板作业面积小，不利于布设克伦吊，也不利于顶部靠泊风电机组，船体窄，运输能力有限，珠江水系又处于河口，耐波性不好，乘员会感觉颠簸不适，空间狭小，生活设施配备不利，一般适合有效浪高在1m以下的场合；双体船吃水浅，甲板面积大，布置宽敞，稳性好，具有较高的航速，能承受较大的风浪，保证海上作业时人员的安全，同时双体船具有良好的操纵性、使用可靠、维修方便等优点，这样的船体形式，无论在船舶静止或处于海中的航行状态，都可确保较小的移动幅度；三体船有三个片体组成，中间为主船体，尺度约占排水体积的80%-90%，主要特点是中高速阻力性能优于单体船和双体船，适航性优于单体船，甲板面积更宽，缺点是结构复杂、重量较大、操纵性能稍差，监造、下水、锚泊和进坞都比较苦难，只有极少数的运维船采用此船型。按照上述特点，珠海桂山海上风电场选用双体船可以满足作业甲板面积大、艏部靠泊方便、操控耐浪的要求。运维船的抗风浪能力越强，风电场的可达性越高。
珠海桂山海上风电场运维船采用双体船设计（如图3所示），下部由两个瘦长的单船体组成，上部用甲板桥连接，船体内设置动力装置、发电机等设备，甲板上部安置上层建筑，内设客舱及配套生活设施等。双体船把单一船体分成两个单体，每个单体与同等大小的单体船相比更瘦长，从而减小了水波阻力，可使其拥有更高的航速（约为20kn/h），从珠海港码头到桂山岛海上风电场1h内能够到达。 二、船体材质
目前国外运维船船体常用材质为玻璃钢（FRP）和铝合金，或者刚柔充气艇（RIB）。RIB是一种复合材质艇型，但是充气护舷的寿命较短，且易被尖物损坏，玻璃钢船使用寿命为10
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年，铝合金船使用寿命为20年，综合考虑船体性能和建造成本，船体可以采用钢质或者铝合金材料，上层建筑采用玻璃钢的复合型船。目前传统玻璃钢结构存在刚性不足、强度有余的特点，以及其高昂的开模成本，是其制约因素。针对珠海桂山海上气象条件和水文环境，其运维船船体及甲板室均采用钢质。钢材硬度高、比重大、加工性能好，可满足运维船的强度和刚度要求，能承载海上风浪载荷冲击。与钢材相比玻璃钢的刚度和强度较低，在船体结构中刚性不足容易变形，珠海桂山海上风电场常见波高0.5m-1.5m，最大波高8.3m，玻璃钢运维船难以承载此风电场海上波浪的冲击。铝合金是脆硬性材料，韧性差，弹性模量只有钢材的1/3，硬度低、冲击性能差，而且铝合金造价高昂，同等重量的铝合金价格约为钢材的3倍—4倍。船体材质按照密度玻璃钢（1.8g/cm3）、铝合金（2.7g/cm3）、钢质（7.8g/cm3）而强度正好相反，因此，铝合金和玻璃钢均不宜作为珠海桂山海上风电场运维船船体材质，钢材将是最优选择。为了保证风电机组基础靠泊的冲撞强度，避免船体结构的重量增加，最终选择钢质船体加玻璃钢居住区的方案。 三、主尺度选择
运维船船宽尽量满足甲板空间最大和综合航道经验数据最大的需求，船宽控制在5m-6m以内，船长综合考虑航速、设备和舱室布置及造价等多种因素，确定长为16m-20m，艏部设置可拆卸式液压登乘梯，艉部设置集装箱放置区，作为艉机保护与检修平台。航区为航行于中国沿海区域的遮蔽航区，全船结构单底、纵骨架的双体结构形式，其良好的稳性可以保证维护人员安全登上风电机组。运维人员由于不是专业船员，在海上的耐受时间根据研究显示为1h，最长不会超过80min，因此考虑到到达机位距离时间设计航速为20kn，续航能力为160kn。船体参数见表1。 四、功能设置
海上风电机组与陆上风电机组最大区别在于两者所处的位置，由于海上风电机组的基础位于海上，增加了许多不利于运维船靠近风电机组基础的工况，增加了海上风电场运行维护的难度，由于海上风电基础平台至海平面的高差大，运行维护船在海上受风、浪、流的影响下，较难精确定位。因此，为了保障运维安全需要以下几种方案解决上述问题。 （一）“弓形和靠船”设计
在海上风电机组运维过程中，当运维人员从运维船跨上风电机组基础悬梯登上风电机组岛时，受到波浪影响，船只和基础间会产生比较大的相对运动，会对人员安全造成威胁。为了保证运维人员安全登上风电机组，在运维船和靠船装置间采取“弓形船首”（如图4所示）的特殊设计，船艏设置成凸型，并安装橡胶护舷，将运维船前端的弓形部分推入风电机组岛悬梯防撞护栏横档间固定，同时运维船保持足够的推力，使运维船与导管架间接触保持静止，以保证运维人员安全登上风电机组岛平台。 （二）可拆卸式液压登乘梯
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珠海桂山海上风电场采用导管架基础，所以在船艏位置布置可拆卸式液压登乘梯（图5），用于方便运维工程师登上风电机组基础平台，当运维船前段凸形，推入风电机组基础的防撞靠船装置时，打开伸缩梯，运维工程师可以避开风电机组基础海生物的滋生区域，安全可靠地登至风电机组岛平台，降低海上风电场运行维护的难度，保障运维工程师的安全。液压登乘梯需要适应不同的工况，采用伸缩和可拆卸的方式，伸缩部分包括固定段和活动段，固定段固定在运维船上，活动段与固定段滑动连接，伸缩控制通过液压系统实现。 （三）甲板载货
海上风电机组的正常工作须由多种复杂机电设备相互紧密配合完成，这些设备包括电机、叶片、齿轮箱等，而每个设备又由更小的原件组成，所以运维船艉部甲板布置有甲板载货区，可用于堆放集装箱等大尺寸部件，同时对风电场内机组可能发生故障的部件尺寸和重量进行统计，以保证装载的可容纳性。 五、推进方式选择
高速船常用的推进方式有螺旋桨和喷水推进。就运维船的特性而言，喷水推进总效率比螺旋桨低20%，加上价格和系统重量方面原因，采用螺旋桨推进应较为合理、可行。尽管喷水推进具有保护性好、工况变化适应性强、引起的振动小等优点，但难以弥补上述三个方面的缺点。
螺旋桨采用巴普米尔的快艇螺旋桨设计标准，比较经济的是一对三叶桨，但由螺旋桨引起的叶频脉动会导致较大振动，所以如果经济上没有问题，采用鹰翅型大侧斜（390）五叶浆，会对减小振动有明显效果。 结语
珠海桂山海上示范风电场作为国内第一个使用导管架基础的风电场，又处在台风频发的南海海域，复杂的气候和水文环境给运营维护带来很大困难，为此，本文结合其特殊的海上气候和水文环境设计出适合此风电场的运维船，以满足大部分日常运维需求，风电场定检和维护的快捷性、安全性、经济性，为国内未来的海上风电场运维船设计提供一些经验和参考依据。专业运维船的使用，将提高海上风电场运行维护的安全性和便利性，提高工作效率。
