淺談兼科考功能的風電運維船設計

程偉 何健威 劉旦花 黃天星

摘? ? 要：本文簡要介紹了當前風電運維船概況；分析了風電運維船科考功能需求；總結了科考設備常用的安裝、作業(yè)的幾種形式；分析了科考設備的安裝形式與其作業(yè)方式的匹配性；歸納了影響科考功能的因素，提出了應對措施。供類似船舶設計參考。

關鍵詞：風電運維船；科考設備；固定安裝

中圖分類號：U662.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Application of Scientific Equipment in Wind Farm Service Vessel

Cheng Wei1，? HE Jianwei2，? Liu Danhua1，? Huang Tianxing1

（ 1.Guangzhou Marine Engineering Corporation，? Guangzhou 510250;? 2. Guangzhou Public Transportation Co.， Ltd.，? Guangzhou 510250 ）

Abstract： This paper introduces briefly the current general situation of the wind farm service vessel， analyzes the application requirements of scientific equipment on board， summarizes several forms of common installation and operation for scientific research equipments， analyzes the compatibility between the installation means and operation ways of scientific research equipments， sums up the factors of influencing the scientific research function， and puts forward some countermeasures， for reference of similar ship design.

Key words： wind farm service vessel;? scientific equipment;? fixed installation

1? ? ?前言

近年來，我國風電產業(yè)持續(xù)發(fā)展，風電運維成為海上風場正常運營至關重要環(huán)節(jié)，陸上風場與海上風場不同，前者可隨時快速派遣人員維護，易操作。而海上風場的維護大多需要船舶進行人員、物資輸送，風場風大、浪高，其復雜性和風險性大，要求其服務船舶需具有高海況適應性。此外，海上風電裝置基礎長期浸泡在海水里，受到海水腐蝕及海生物附著，需定期對風電裝置樁基及其周圍環(huán)境進行監(jiān)測，以保障風電裝置的安全運行。為此，部分用戶要求風電運維船具有一定的科考監(jiān)測能力。

2? ? 風電運維船現有概況

風電運維船基本功能：為風場運送風電裝置模塊、油水補給、維修工具、補給物資等，并負責風電裝置維修技術人員的運輸和撤離。隨著海上風電場的不斷發(fā)展，每年新增裝機容量達200萬千瓦以上，平均每30臺海上風電裝置需要1艘運維船進行保障。據統計，至2020年止，僅廣東省的運維船缺口就達30艘以上。同時，隨著近海風場被逐漸開發(fā)殆盡，海上風場的建設也逐漸從近海海岸向離岸深水區(qū)發(fā)展，風浪條件變得惡劣，人員、物資運輸航程加長，對風電運維船的性能要求越來越高。

縱觀前史，風電運維船發(fā)展大約經歷了三個階段：

第一階段：2005-2012年

由漁船和休閑船進行改造設計，運輸投送能力差，航速低，安全性差；

第二階段：2012-2015

開始出現專業(yè)風電運維船設計，人員舒適性較好，航速較高，抗風浪能力增強；

第三階段：2015-至今

為特定風場、特定運營商進行定制化設計，有效載荷大大提高，航速更快，抗風浪能力進一步增強[1]。

隨著風電運維船對人員舒適性、航速、甲板面積等要求的不斷提高，船型逐漸從單體船向雙體船發(fā)展，其材質也從鋼質向鋼鋁混合乃至全鋁合金發(fā)展?，F在的雙體鋁合金風電運維船航速可達20節(jié)以上，能夠在1～2 h內到達作業(yè)風場，具有良好的適航性，乘客暈船率降低，能夠在七級風下安全航行，甲板作業(yè)面積更大，較以往鋼質單體運維船具有更輕、更快、抗風浪能力更強，頂靠能力更好等特點。

3? ? 風電場科考探測需求

基于風能原因，陸上可建風場的處所有限，而海上風能源豐富，海上風場逐漸成為風電主流，其設備和技術的發(fā)展將處于不斷創(chuàng)新階段。但海上風電場不僅建造的成本高，而且運維管理的成本也很高。海上風電場的樁基、海纜等主要組成部件均長期浸泡在海水中，易因海浪沖刷、海水腐蝕等因素導致缺損，不僅影響發(fā)電效能，而且存在很大的安全隱患。如缺損嚴重，將導致風電場組部損壞，修復難度大，引重大經濟損失[2]。為此，為保障海上風電裝置的安全穩(wěn)定運行，除對風電裝置水上部分進行長期穩(wěn)定的維護外，還需對水下部分及其周圍海洋環(huán)境進行定期監(jiān)測，及時掌握風電裝置塔水下設施情況，保障其安全可靠運行。基于此，往往需要風電運維船具有科考監(jiān)測功能，對風場內的海底地質結構、地形地貌、地理磁場、水深、流速、水質等數據進行監(jiān)測。為此，船上需安裝專業(yè)的水下科考測量設備，收集相關數據，以采取應對措施。風電場常用科考探測設備大致如表1所示。

4? ? 科考型風電運維船需求分析

目前海上風場的水深大多在30～40 m，場內風電裝置林立。專業(yè)的科考船由于船型大、吃水深、租借費用高等原因，很難長期穩(wěn)定的執(zhí)行場內進行數據監(jiān)測工作。當前風電場內科考探測工作使用的船舶大多為臨時租賃的漁船或小型工作船，航速較低，甲板面積狹小，科考設備的搭載作業(yè)形式基本采用拖曳或探桿頂部固定安裝探頭舷側下放測量等方式進行，設備的收放需加裝配套設備或利用人力拖拽實現，收放流程困難且具有一定的操作安全性。

基于上述問題，專業(yè)的風電運維船尤其是雙體高速運維船往往作為科考探測設備的搭載平臺。因其具有以下優(yōu)勢：

1）航速高

專業(yè)風電運維船通常設計航速可達25節(jié)以上，能夠在1～2 h到達較遠的風場，節(jié)省了大量的航行時間，能夠充分的利用海上窗口期進行海上實驗探測工作。

2）抗風浪能力好

專為風場設計的運維船型，尤其是雙體船，風浪影響小，船舶穩(wěn)性好，噪聲和振動小，作為科考設備的工作平臺較為穩(wěn)定，有利于提高探測設備的作業(yè)精度和準確性。

3）甲板載運面積大

雙體船可利用甲板面積較大，通常其艏部區(qū)域可布置1個20尺可移動式集裝箱，可存儲風電裝置零部件，同時還可配置有向風電裝置平臺吊運雜件的折臂吊，艉部一般也有一定面積的甲板用來堆放物品。因此，專業(yè)的雙體運維船有較大的甲板面積用來搭載探測器、ROV等科考設備。搭載集裝箱時，可用于搭載小型無人艇等科考設備，提高了單次出航的科考能力。同時可利用船舶自身吊機對試驗設備進行吊放作業(yè)，避免租用專用吊機作業(yè)，節(jié)省運營成本。

4）可兼用的作業(yè)工況

風電運維船將維修人員運送到風電裝置塔完成登乘作業(yè)后，待維修人員完成作業(yè)后返航，期間有數小時的空余時間。因此，出勤時，可搭乘相關科考人員及設備，利用等待的空余時間進行風場的科考探測工作，充分利用寶貴的海上作業(yè)窗口期一次完成多項任務。

5? ? 科考設備安裝作業(yè)方式

科考設備根據自身特性和測量方式的不同，在船舶上有船底固定安裝作業(yè)、舷側安裝作業(yè)和拖曳作業(yè)等三種常用形式可選用。不同安裝作業(yè)方式的優(yōu)缺點大致如下：

1）船底固定安裝作業(yè)

優(yōu)點：（1） 設備均安裝在船上，隨時可用；

（2） 單次出航可執(zhí)行任務多；

（3） 設備安裝基礎穩(wěn)定，無需額外加強

缺點：（1） 設備在船底會造成一定阻力；

（2） 設備損壞風險增加；

（3） 測量環(huán)境受船體振動噪聲影響大。

2）舷側安裝作業(yè)

優(yōu)點：（1） 船體無需做過多改動；

（2） 探頭可隨時收回，便于清理保存。

缺點：（1） 單次出航可執(zhí)行任務單一；

（2） 需根據探測作業(yè)任務提前安裝探桿的探測設備；

（3） 需人員和設備配合進行探測器的收放作業(yè)。

3）拖曳作業(yè)

優(yōu)點：（1）可工作水深大；

（2）受船舶狀態(tài)影響最小。

缺點：（1）需配套安裝拖曳設備；

（2）回收、下放操作較復雜。

根據風電場內科考作業(yè)常用設備的特性，其在船舶上的常用工作方式如表2所示。

對于船底固定安裝形式，需保證測量設備探測面在船體基線以下，并盡量靠近船中，以避免發(fā)出的探測波及回波被船體結構和航行時產生的空泡所阻擋，無法正確的進行探測信號收發(fā)。

對于舷側安裝或拖曳方式，宜將科考工作設備布置在吊機附近，以便充分利用船舶上的吊機。在科考工作區(qū)舷側范圍內設活動舷墻，運維船日常作業(yè)時，舷墻固定起到安全保護作用。當科考設備作業(yè)時，可將活動舷墻部分移開，降低船舷高度，滿足科考設備的舷側吊放需要。

對于尾部安裝或拖曳方式，可在尾部增加簡易起吊桿等裝置，進行設備吊放作業(yè)。

目前高速運維船的尺度大都在30 m左右。無論是舷側測量還是拖曳方式，受可利用作業(yè)區(qū)域面積影響，一次性只能滿足1～2臺設備同時工作的需求。這主要是由于科考設備在使用前需對其狀態(tài)和安裝進行預先調試固定，而此項工作很難在海上完成。在此情況下，如測量任務單一，采用舷側或拖曳形式即可；如需長期執(zhí)行多探測任務或需對多項科考數據進行實時對比分析，將可固定安裝的設備固定安裝在運維船底部，并配合部分拖曳及舷側設備一同工作，將更有利于完成任務。

6? ? 影響因素及其應對措施

當科考設備在船底固定安裝時，由于其對工作環(huán)境有一定的要求，則需對運維船進行相應的設計。其主要涉及以下幾方面：

1）船體阻力優(yōu)化設計

測深儀、淺剖儀、剖面儀等測量設備均可在船體底部固定安裝，其工作方式是向四周發(fā)射一定角度的探測波，所以其探頭的安裝要求不應被船體結構所遮擋。由于高速運維船大多采用V字形底部設計，與大型船舶具有底面平緩區(qū)域的結構不同，其探頭往往會露出船體，造成探測器突出部分對船舶航行產生額外的阻力，而且高速狀態(tài)下水流的急速沖擊也會造成探測器的損壞。所以需根據布設探測器的種類和數量對其在船內的布置進行分析，在保證探測器工作互不干擾的同時，宜盡量靠近集中布設。同時通過在船體外增加設計導流罩的方式對突出船體部分的探測器進行保護，導流罩底部不封閉，可以保護探測器免受水流沖擊，且可減小突出船體所增加的阻力，其形式如下圖1所示。

2）配電系統設計

探測設備采用固定式安裝，可實現船上多種科考設備同時工作。另外，試驗設備工作電源的可靠性設計也是需考慮的重要因素。為此，配電系統的設計宜按照雙電站模式進行。例如，某雙體專業(yè)運維船，全船配有兩臺發(fā)電機組分別布置在兩片體內，其中任一臺均可滿足航行和科考狀態(tài)下的用電需求。因此，在左右片體內各設置一座配電板與對應的發(fā)電機組組成配電系統，左右片體電站互相連接，任何一側電站出現故障時，另一側的電站均可繼續(xù)向船上重要系統和試驗設備進行供電，同時試驗設備機柜配置UPS電源，保障不會因船舶的斷電故障而造成科考設備的損壞或試驗數據的丟失。

3）減振降噪設計

科考設備工作時極易受到振動及噪音的影響，所以試驗設備的布置位置宜與主機、發(fā)電機、泵組等大型機械設備盡量遠離，不宜與其布置在同一艙室或相鄰艙室，以減少設備振動噪聲對測量工作的影響。如受艙室空間布置限制而無法滿足的，應考慮采用增加艙室阻尼材料、增加基座尺寸及剛性、采用彈性支撐和彈性連接等方式，以盡量減少振動噪聲所帶來的影響。

4）防腐防海生物設計

固定式安裝的試驗設備探頭安裝在船底，長期浸泡在海水中極易受到海水腐蝕和海生物附著，對設備的使用產生不利影響。傳統船舶的防腐防海生物設計大多采用犧牲陽極及涂刷防腐漆等型式。然而試驗設備的探測器由于其工作需要，不能對其進行油漆涂刷，因此探頭表面的防海生物措施可考慮采用超聲波防海生物技術，利用超聲波氣泡沖刷船體的原理對船舶海生物進行清除和防護。

7? ? ?結束語

風電運維船是海上風場后期維護的重要設備，對風電場海底環(huán)境和樁基有效監(jiān)測是風電場安全運行的重要保障。風電運維船將風電場科考功能結合，在保證運維功能的前提下兼顧科考作業(yè)，既提升了運維船的使用效率，也對影響風場運行安全的數據進行收集，具有相當的市場前景。隨著信息化技術、智能化技術的不斷發(fā)展，通過云網絡、船岸一體化系統等方式將采集的圖像、數據實時傳送給岸端進行分析處理，也將是未來運維船多功能化發(fā)展的方向。

參考文獻

[1] 楊程.淺析海上風電運維船的發(fā)展[J].海峽科學，2016（12）．

[2] 葛為結.海上風電運維船的應用及分析[J].科學與信息化，2019（02）．

作者簡介：程? 偉（1984- ），男，高級工程師。主要從事船舶與海工項目設計、工程管理工作。

何健威（1993- ），男，助理工程師。主要從事船舶技術、維修與管理工作。

收稿日期：2022-12-05