近海風(fēng)電專(zhuān)用安裝船若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、在全球能源緊缺、環(huán)境污染等問(wèn)題日趨嚴(yán)重的形勢(shì)下，風(fēng)能以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到了世界各國(guó)的普遍重視，成為近年來(lái)發(fā)展最快的無(wú)污染可再生新能源，并逐漸由陸地走向了近海。
　　 與陸上風(fēng)電相比，近海風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境更復(fù)雜，技術(shù)要求更高，施工難度更大。由于各類(lèi)非專(zhuān)用船只在近海風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)與維護(hù)施工中存在很多弊端，嚴(yán)重制約了近海風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此人們對(duì)研制專(zhuān)用安裝船的愿望變得十分迫切。歐洲少數(shù)幾個(gè)國(guó)家研制了第一代近海風(fēng)電專(zhuān)用安裝船并開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)第

2、二代船型，掌握著這個(gè)新興領(lǐng)域的前沿技術(shù)。2006年底，我國(guó)啟動(dòng)“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“大功率風(fēng)電機(jī)組研制與示范”--“近海風(fēng)電機(jī)組安裝及維護(hù)多功能作業(yè)船的研制”課題，開(kāi)始了我國(guó)首艘專(zhuān)用安裝船的研制。本文以該課題為依托，對(duì)其中的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了一系列研究，主要包括以下幾個(gè)方面：
　　 1.收集、整理了目前世界上現(xiàn)役和正在設(shè)計(jì)建造的近海風(fēng)電專(zhuān)用安裝船的資料，了解了專(zhuān)用安裝船的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、技術(shù)特點(diǎn)以及發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前世界上的

3、專(zhuān)用安裝船分為自航自升式與自航樁定位式兩類(lèi)，通過(guò)對(duì)比分析，認(rèn)為前者具有更好的作業(yè)穩(wěn)定性，而后者在保證相當(dāng)程度的作業(yè)穩(wěn)定性的前提下，具有更低的造價(jià)和更優(yōu)的軟地基適應(yīng)能力。綜述了國(guó)內(nèi)外在若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題上的研究現(xiàn)狀，并進(jìn)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(zhuān)用安裝船在作業(yè)時(shí)，船體浮于水面受到風(fēng)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(tái)領(lǐng)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(guó)“十一五”科技支撐計(jì)劃研發(fā)的首艘自航樁定位式專(zhuān)用安裝船為例進(jìn)行船模試驗(yàn)，研究了該類(lèi)船型在多種典型工況下，定位樁腿與船體開(kāi)口處的相互作用力特性以及船舶在受樁腿約束下的運(yùn)動(dòng)特性。結(jié)果表明：風(fēng)載荷對(duì)樁腿受力的影響作用很小可以忽略不計(jì)；單根樁腿沿船長(zhǎng)方向上的受力在浪向角為60、120度時(shí)達(dá)到極大值，90度時(shí)達(dá)到極小值，而沿船寬方向上的受力在90度時(shí)達(dá)到極大值，總的來(lái)說(shuō)在0度和

5、180度時(shí)的合力較小，作業(yè)時(shí)應(yīng)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(yùn)動(dòng)，其余運(yùn)動(dòng)不明顯，說(shuō)明該類(lèi)船型能夠提供相當(dāng)程度的作業(yè)穩(wěn)定性；在同一水平面內(nèi)的各個(gè)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(yàn)研究在國(guó)內(nèi)尚屬首次，為國(guó)內(nèi)該類(lèi)船型的研究、

6、設(shè)計(jì)與作業(yè)時(shí)的操縱提供了重要可靠的參考依據(jù)。
　　 3.通過(guò)對(duì)比各類(lèi)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(diǎn)，根據(jù)上述試驗(yàn)研究結(jié)果，本文對(duì)我國(guó)首艘自航樁定位式專(zhuān)用安裝船的樁腿結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)。應(yīng)用有限元方法對(duì)各典型工況下樁腿的屈服強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)變形、支反力進(jìn)行了計(jì)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(yīng)力水平較高；位移和應(yīng)力均隨水深增大而增大；危險(xiǎn)工況為90度浪向角、20m水深時(shí)的

7、極限工況。
　　 4.近海風(fēng)電專(zhuān)用安裝船在其航行與作業(yè)等過(guò)程中涉及入水砰擊問(wèn)題。本文基于CFD軟件Fluent進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，對(duì)專(zhuān)用安裝船船體入水砰擊問(wèn)題展開(kāi)數(shù)值模擬研究。首先從簡(jiǎn)單幾何體出發(fā)，對(duì)靜水中三維平板與圓錐體的入水進(jìn)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?。浑S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(yàn)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(guò)對(duì)比水池試驗(yàn)的波浪數(shù)據(jù)，認(rèn)為推板造波法產(chǎn)生的波形穩(wěn)定、計(jì)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(duì)三維甲板以及具有復(fù)雜幾何形狀的專(zhuān)用安裝船船艏在波浪中的入水，分別進(jìn)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(shí)，各點(diǎn)的入水速度與結(jié)構(gòu)物、波浪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)；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(jí)上。本文提出的方法為波浪中入水問(wèn)題的數(shù)值模擬研究提供了一個(gè)新思路，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。同時(shí)，入水砰擊是海洋工程領(lǐng)域中一個(gè)重要的共性問(wèn)題，因而本文的研究也具有了更廣泛的意義。
　　 5.近海風(fēng)電專(zhuān)用安裝船作業(yè)于多個(gè)海域，具有明顯的“移動(dòng)性”特點(diǎn)，普通的設(shè)計(jì)方法較為粗略，選取的環(huán)境載荷設(shè)計(jì)值往往不盡合理。前人對(duì)于如何給海洋結(jié)構(gòu)物選取合適的設(shè)計(jì)載荷值，提出了一些改良方法，但仍沒(méi)有充分考慮到移動(dòng)

10、式結(jié)構(gòu)物的特點(diǎn)。本文提出了一個(gè)新計(jì)算式，將危險(xiǎn)率、設(shè)計(jì)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(shí)間這些因素參數(shù)化，較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。隨后，以某專(zhuān)用安裝船設(shè)計(jì)波高的選取為例，應(yīng)用新計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算分析，并與普通設(shè)計(jì)方法作比較。結(jié)果表明：當(dāng)危險(xiǎn)率不變時(shí)，設(shè)計(jì)波高隨專(zhuān)用安裝船設(shè)計(jì)生命期的增加而增大；同一個(gè)重現(xiàn)期在不同海域?qū)?yīng)于不同的波高，普通方法難以選擇適當(dāng)?shù)暮Ｓ騺?lái)計(jì)算設(shè)計(jì)波高；各片作業(yè)海域的波浪分布及作業(yè)時(shí)間均對(duì)設(shè)計(jì)波高值產(chǎn)生

11、影響，這種影響有時(shí)是顯著的；當(dāng)某片海域的波浪遠(yuǎn)大于其它海域時(shí)，可只計(jì)算專(zhuān)用安裝船在該海域作業(yè)的那一部分來(lái)近似得到設(shè)計(jì)波高。此外，該式還可以廣泛用于其它各類(lèi)移動(dòng)式海工結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)環(huán)境載荷計(jì)算和已服役結(jié)構(gòu)物的安全評(píng)估，具有普遍意義。
　　 6.近海風(fēng)電專(zhuān)用安裝船對(duì)海上風(fēng)機(jī)水下部分的小型維護(hù)施工支持有限，潛水員只能在沒(méi)有遮擋的情況下直接進(jìn)行水下作業(yè)，各種海洋環(huán)境(波浪、海流、潮汐)均會(huì)對(duì)施工過(guò)程造成較大困難。通過(guò)借鑒沉井/圍堰結(jié)構(gòu)和移