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3500 t自航自升式海上风电安装平台总体布置设计

2025-03-01 73 上传者：管理员

摘要：针对3 500 t自航自升式海上风电安装平台的总体布置设计进行探讨。根据平台主要参数，选取起重机、升降系统和推进器等关键设备进行创新布置设计，并围绕最新生效的规则规范在消防、逃生和防撞舱壁等方面进行有针对性的安全防护布置设计，为同类型海上风电安装平台的总体布置设计提供借鉴。

关键词：
升降系统
总体布置设计
推进器
自航自升式海上风电安装平台
起重机
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目前,海上风电出现两方面的发展趋势:①深水化,海上风电场水深达50.0m以上;②大型化,海上风机单台发电量普遍达10MW以上｡海上风电安装平台在数十年内经历不断更迭,在技术创新与发展中不断突破限制[1]｡海上风机导管架基础重量日益增大,研发具有更大吊重和更高起升高度的海上风电安装平台势在必行｡

上海振华重工(集团)股份有限公司设计在建的3500t自航自升式海上风电安装平台在全球迄今同类型船舶中吊重能力最大,可满足20MW及以上海上风机设备运输､打桩和吊装的深远海一体化施工需求,针对该平台的总体布置设计进行探讨｡

1、平台概况

该平台由主船体､主辅起重机､4个桁架式桩腿和4套齿轮齿条式升降系统等组成｡采用流线型艏部､方型艉部和全焊接钢质船体｡艏部设置生活楼,配备直升机平台;舯部为双层底,设置夹层通畅作业甲板;艉部右舷设置3500t双主钩绕桩式回转主起重机,艏部右舷桩腿附近设置350t辅起重机;艉部设置3台3500kW全回转推进器,艏部设置2台3000kW侧推进器和1台3000kW伸缩推进器,具有2级动力定位(DynamicPositioning,DP)(DP-2)能力,配备300t大推力抱桩器｡

该平台的主要参数如表1所示,三维模型如图1所示｡

表1平台主要参数

图1三维模型

2、平台关键设备布置设计

2.1主起重机布置

主辅起重机可联合完成海上风机设备安装,辅起重机可协助进行海上风机设备的溜尾和翻身竖直作业｡主起重机布置涉及如下因素:

(1)吊重能力因素

全球迄今交付的具有最大吊重能力的海上风电安装平台为Voltaire号,吊重能力达3200t[2]｡考虑未来20MW海上风机单桩基础重量将超过3000t,并存在导管架基础跨度尺寸超过40.0m的可能,该平台主起重机吊重能力定为3500t,作业幅度定为33.0m,在吊重为3000t时作业幅度可达40.0m,结合主起重机绕桩式的设计形式,可比甲板起重机获得更大的舷外有效跨距｡

(2)双主钩因素

为实现单桩基础自行翻身竖直,创新采用双主钩设计型式,1号主钩吊重能力为3500t,2号主钩吊重能力为1200t｡根据起重机吊载曲线,双钩联合作业的最大吊重能力约3200t,即通过1号主钩上升､2号主钩下降的双主钩协作方式,可完成3200t单桩基础自行翻身竖直,无须借助专用的翻桩器和翻桩辅助小车等其他设备｡在完成单桩基础翻身竖直后,通过起重机回转放入抱桩器,后续通过打桩锤等设备开始打桩作业,可大幅提高施工效率｡双主钩自行翻身竖直如图2所示｡

图2采用双主钩完成的单桩基础自行翻身竖直

(3)辅钩因素

考虑辅钩起升速度通常为主钩速度的2倍及以上,将辅钩吊重能力定为1200t,而未来20MW海上风机的机舱重量若在1000t内,则仅以辅钩即可轻松吊装机舱｡辅钩的起升速度优势可使该平台在海况复杂多变的海上风电场内明显缩短作业窗口期,提高作业效率｡

(4)吊钩起升高度因素

由于单桩基础､导管架基础或负压吸力筒基础重量虽大但高度有限,且在单桩基础翻身竖直过程中可借助水深弥补水面以上的高度不足,因此主钩起升高度定为主甲板以上160.0m､水面以上至少180.0m｡有关数据显示,20MW海上风机的轮毂中心至海平面的高度约170.0m,考虑一定的吊装锁具空间和有时叶片需要斜插入轮毂,辅钩起升高度定为主甲板以上180.0m､水面以上至少200.0m｡海上风机轮毂中心高度发展趋势如图3所示｡

图3海上风机轮毂中心高度发展趋势

2.2升降系统布置

一般来讲,自升式平台各条桩腿配备的升降系统数量和能力均相同,该布置设计尤其适用于以往石油钻井平台､生活住宿平台和吊重能力较小的海上风电安装平台｡随着作业水深和桩腿长度的增加,起重机吊重能力逐渐增大｡业内普遍认为:在水深超过60.0m后,桁架式桩腿比圆柱形桩腿优势明显,原因在于桁架式桩腿在深水条件下具有更佳的水动力响应性能,在同等情况下可明显减轻桩腿重量;而齿轮齿条式升降系统对于桁架式桩腿具有更好的适配性,且通过增加升降系统层数等措施可在高承载能力方面表现优异｡最终选择齿轮齿条式升降系统和三角桁架式桩腿的组合方式｡

该平台在升降系统布置方面创新采用差异化的设计理念｡主起重机的自重和弯矩较大,在吊装货物回转过程中,其所绕桩的桩腿和对角桩的桩腿在极端情况下会比另外两条桩腿多数千吨载荷｡根据该类大吊重､大弯矩的绕桩式回转起重机的作业特点,遵循创新优化提升的理念,对该平台升降系统层数进行差异化调整,即主起重机绕桩桩腿和对角桩桩腿的升降系统比另外两条桩腿多一层｡

2.3推进器布置

海上风机机位要求非常精确,海上风电安装平台在到达海上风电场后必须到达指定位置,通过DP系统控制平台上的推进器使平台保持在一定范围内｡随着海上风电向深远海发展,DP-2级系统得到普遍应用｡海上风电安装平台传统的推进器布置是在艏部配备3台管隧式侧向推进器,而该平台选择在艏部配备2台3000kW侧推进器和1台3000kW可伸缩推进器,可更好地发挥其定位能力,更加适应深远海恶劣海况要求｡

3、平台安全防护布置设计

3.1消防布置

该平台的消防布置应符合文献[3]关于特殊用途船舶的最新要求,即载运60~240名乘客的特殊用途船舶应符合《国际海上人命安全公约》(SOLAS)关于载运不超过36名乘客的客船要求,而在最新要求生效前该平台的主竖区原本仅需要符合相关货船的要求｡

(1)主竖区划分

主竖区划分应特别注意SOLAS的相关要求,即主竖区的长度和宽度最大可延伸至48.0m,但在任一层甲板上主竖区的总面积应≤1600m2,主竖区的长度或宽度范围为主竖区限界面舱壁的最远点之间的最大距离｡由于艏楼宽度使该平台的型宽超限,因此将艏楼划分为2个主竖区,且保证单个主竖区的面积≤1600m2,如图4所示｡

图4艏楼主竖区划分

(2)防火分隔划分

防火分隔划分注意事项如下:①根据SOLAS关于载运不超过36名乘客的客船舱壁和甲板的耐火完整性要求,参考SOLAS中的相关表格进行划分;②根据SOLAS关于艏楼甲板通往救生艇的逃生通道限界面对应的隔热等级要求进行设置,艏楼内部走廊环围设置为钢质围蔽,防火分隔等级最低达A-0级;③根据SOLAS关于面向救生艇筏､撤离滑道与登乘区的窗和位于该类区域以下的窗对应的耐火完整性要求进行设置,防火分隔等级最低达A-0级｡

3.2逃生布置

(1)甲板逃生通道布置

根据文献[3]的最新要求,甲板逃生通道布置关于逃生通道的宽度､数量和连续性应符合《消防安全系统规则》的要求[4]｡

按相关规则规定,客船甲板逃生通道的梯道净宽度应不小于900mm,且在梯道撤离乘客人数超过90名时梯道的最小净宽度应每增加1名乘客而增加10mm｡在此基础上,为保证在各种情况下撤离乘客均可及时从上下邻近甲板撤离至集合站,该平台甲板逃生通道的梯道宽度公式如下:

在连接2层甲板时,

在连接5层及以上的甲板时,通过对相邻甲板运用式(1)~式(3)确定该平台甲板逃生通道的梯道宽度｡

该平台作业人员分布根据《消防安全系统规则》相关要求确定,结合式(1)~式(3),分日间和夜间两种情况分别计算甲板逃生通道出口舱门的宽度值,两个数值取大者为01甲板内部梯道通往走廊的舱门和走廊通往两侧救生艇登乘区域的舱门宽度｡

(2)二氧化碳间逃生通道布置

二氧化碳间逃生通道应特别注意文献[3]的相关要求,即储存室若位于甲板以下,则该处所的位置不得低于开敞甲板下一层,并可由梯道或梯子从开敞甲板直接进出｡该平台型深较大,为提高整体强度设置双底双顶的结构形式,即除双层底外,在距基线高度11.0m处设置一道夹层甲板,纵向贯穿范围为艏艉桩腿围井之间,横向则延伸至型宽｡受限于应尽可能预留足够大的甲板面积用于装载海上风机设备这一主要施工功能,二氧化碳间布置于主甲板以下｡

二氧化碳间逃生路线注意事项如下:①在夹层甲板内主要设置空舱,并在二氧化碳间处进行断开处理,即二氧化碳间上方不设置空舱,其顶部直达主甲板;②二氧化碳间的内部开门不作为逃生通道,且为气密门,在通常情况下该舱内门处于紧闭状态,在特殊情况下如二氧化碳瓶组称重时才允许打开;③在二氧化碳间内设置一条直接通往主甲板的直梯｡

3.3防撞舱壁布置

该平台的防撞舱壁布置应符合文献[5]的最新要求,即自航自升式平台的水密舱壁一般应设置防撞舱壁,在防撞舱壁上不得安装闸阀､旋塞､人孔和水密门等设施｡

在计算该平台防撞舱壁的位置时,船长应为满载水线长,船长的艏端点为艏垂线[6]｡主甲板以下的防撞舱壁为水密｡主甲板层延伸至艏楼甲板层的防撞舱壁为风雨密且为阶梯状,位于规范所要求的区间范围内,在舱壁上仅保留必要的风雨密门｡为减少开孔,主甲板上的防撞舱壁前方不设置机械舱室,仅设置杂物间等辅助功能舱室,而空调机间､洗衣间､餐厅､厨房和会议室等均位于防撞舱壁后面｡

4、结语

3500t自航自升式海上风电安装平台的总体布置设计围绕海上风电安装平台施工需求开展｡随着新规则和新规范的生效,在海上风电安装平台总体布置设计时应避免惯性思维,及时核查最新规则和规范的要求,以避免在生产阶段发生返工,特别是关于主竖区划分､防火分隔划分､甲板逃生通道布置､二氧化碳间逃生通道布置和防撞舱壁布置等方面的要求对其他专业具有较大影响｡

参考文献:

[1]赵姗,周日超.海上风电安装平台发展如火如荼[N].中国水运报,2023-09-13(006).

[2]麦志辉,李光远,吴韩,等.海上风电安装船及关键装备技术[J].中国海洋平台,2021,36(6):54-58.

[3]中华人民共和国海事局.海上移动式平台技术规则(2023):MSA2023年第4号公告[S].2023.

[4]徐蓉.客船的脱险通道设计[J].船舶与海洋工程,2018,34(4):36-41.

[5]中国船级社.海上移动平台入级规范(2023)[S].2023.[6]张明霞,郭雷.防撞舱壁位置的规范应用浅析[J].造船技术,2011(6):7-9.

基金资助:中国交通建设集团有限公司重大科研课题“3500 t吊重深水大型海上风电安装平台设计关键技术研究”(编号:2022-ZJKJ-06);

文章来源:晁世方,董美余,陈卫华,等.3500 t自航自升式海上风电安装平台总体布置设计[J].造船技术,2025,53(01):12-15.