第一情报 ---能源与环境

海上风电安装船和起重作业设备的设计及效率提高

供稿人:罗天雨  供稿时间:2018-11-30   关键字:风力发电  海上风电安装船  起重作业设备  LEANWIND  

LEANWIND项目的任务是以提供经济和新颖的安装船设计解决方案,结合技术创新和量身定制的来面对行业挑战。除了船舶设计,还研究了海上风电场开发安装阶段涉及的起重作业设备。主要关注点是提高效率和减少项目等待时间,最终提现成本和时间节约。

船舶概念已通过建模和模拟活动进行测试,并实施以确定哪些地方可以通过使用有效的战略和技术来节约成本。

下面列出了获得最终驳船设计解决方案的步骤。本文讨论的基础由这些步骤构成:

1、定义安装作业环节可能对风电模块的行业挑战

2、概述新型船舶设计的技术要求

3、完成船舶和起重及检修设备的设计。

一、行业挑战——风电安装船

风电项目的安装工作是已证将受益于技术创新的领域。潜在的成本削减与减少各项作业所需的时间和延长作业可行的最佳天气密切相关。LEANWIND进行了一项工业调查,以寻找在哪些方面可以最有效地削减成本。本调查得出的结论如下:

1、通过增加陆上预装构建数量或增加被提升部件的装载能力,减少海上升降机的使用;

2、减少因气象条件造成的作业约束;

3、改进船舶设计,减少受天气的限制;

4、增加了可以进行顶升作业的最大海况;

5、提升起重机最大运行风速;

6、改进天气预测

7、改进天气监测和决策支持系统;

8、减少转运时间

9、增加单次可运输涡轮数量

10、增加甲板载荷;

11、增加可使用甲板区域

12、增加运输速度

13、减少海上作业时间

14、增加顶升作业速度;

15、减少腿部预压持续时间 (通过使用4或6条腿的安装船)。

安装船的起重操作和起重能力是一个讨论方面。在这方面,主要受限是起重能力,它需要根据可能要起重的最重零件,以及起重机的几何形状,即最小的间隙,以避免一次和二次起重机之间的冲突。相关船舶技术限制主要是船舶的主要尺寸和稳定性,重型货物的定位影响船舶的静态稳定性。其他重要的限制与自升式钻井船(JUP)的顶起能力有关,即自升式钻井船的最大重量、甲板强度、组件尺寸、海上紧固尺寸、安装跳板位置、船员舱室限制、推进装置和安全考虑。

二、船舶概念-设计和评估

目前有几种类型的涡轮和基础设施安装船在海上风电市场上运行。包括升降船、自升式驳船、自行安装船(spiv)和重型升降船(HLVs)。由于升降船、自升式驳船和spiv的特点是将整个船体提高到水线以上,因此统称为自升式船舶。spiv也被称为涡轮安装船(TIVs),因为它们几乎完全用于这些场合。

涡轮安装船的主要特征一般包括:

1、主要尺寸

2、吊机的作业空间

3、住宿能力及设施

4、吊臂长度及起吊速度

5、起重机的起重能力和操作极限

6、动态定位(DP)系统

7、堆存区域(主甲板大小及承重能力)

在LEANWIND项目期间,凭借一套标准/设计目标,对上述各种类型的安装船进行了评估。目的是了解每种理念可以如何实现改进及有效的船舶设计的目标是什么。在详细考虑设计目标后,选择了三种安装船的概念。选择是通过一种基于不同的船服务的对象不同所设置的挑战也不同,并针对一些船舶理念对这些目标进行评估。船舶的运行特点和要求,并根据时间和成本对每个概念进行评估。在评价过程中,对被认为具有更大重要性的业务特点给予了更大的权重。

下面列出的设计目标是在工作期间与海上风电安装专家协商时得到的。在对这三种设计概念进行排序和选择时,将其作为主要的设计目标。

主要的设计目标以及权重细节如下所述:

1、可亲近性/陆地运营比海上比重大 [30%]

2、集装载、运输、安装未来体积更大的涡轮及零部件三位一体 [20%]

3、能够装载、运输、安装体积更大的底座 [30%]

4、深水区作业能力 [5%]

5、设计中对通用驳船零件有较大的接纳性 [10%]

6、使用先进起重设备 [5%]

然后评估符合这些设计目标的三个初步安装驳船的概念,确定一个最终的设计概念,最大限度地提高成本效益和效率。

FTIV(基础运输安装船)为浮式安装船,为风电场的安装提供了更大的水深选择。与自升式平台相比,由于重心较低,船舶在运输过程中对稳定性的限制较少。然而,船舶有非常大的晃动,特别是在钩载点。对于海上升降机保持高可达性的可行性,也存在一些担忧。这些升降机重达数百吨,这对一个浮动平台来说可能是个问题。

此外,目前的行业对深水域里安装风力发电场缺乏了解和关注,这也表明这个概念并不可取。此外,浮式风电设计也被认为是深水风电场开发的未来方向。

FTIJ (自升式风电基座安装船) 和 WTIJ (自升式涡轮安装船) 都是塔吊式安装组件。他们是这种类型的安装,基于风电场安装作业大都在近海环境,特别是起重作业。

风电基座安装船用于基座的安装。对于LEANWIND 8兆瓦涡轮,无论是重量(超过1500吨)还是最大的其中平台的尺寸,重量受限每次只能装3-4根。这一限制还受到目前市场上可用的起重机能力的进一步限制:为了考虑到海上升力过程中的动态因素,需要2000吨以上的起重机升力。船舶设计团队发现自升式风电安装船概念的设计是不具有成本效益的,也不会为当前和近期风电场的运营增加价值。

WTIJ自升式涡轮安装船被认为是最有潜力的概念,因为该设计寻求的是在每个运输过程中尽可能多装几个涡轮机。WTIJ设计为未来风电场安装船舶提供了一种具有成本效益潜力的新型解决方案,并将其带到详细设计阶段表(FTIV、FTIJ、WTIJ)进行最终设计的选择。

 

图1  每天每个风电机组所产生的所有成本

 

WTIJ(概念3)与使用船舶经济学电子表格的样本船舶相比,每个涡轮的安装成本优化。

每台涡轮机的有效安装成本是通过估算100瓦风电场样本的安装成本,并与行业内现有船舶的安装成本进行比较得出的。安装费用总额包括安装船舶在整个安装过程中的包租费用,包租费用与建造成本和船舶的预期收益挂钩。

总安装成本已经过调整,并显示了有效安装成本。这考虑了样本风电场的完成和启动时间的差异,基于每个传输过程中携带的涡轮机数量。安装所需的时间是根据实际的运输和安装时间,以及考虑到天气限制(如天气转弱时间)的适当因素来估计的。

WTIJ概念船,8个涡轮作为货物,主要与该单元的建造成本有关,该单元是该船轻型的一个功能。该单元的轻量化评估通常针对实际的LEANWIND设计/概念WTIJ进行优化。重要的是,在最终的结构设计过程中,通过优化过程将单元的轻量保持在初始估计的范围内。

与其他两个概念相比,WTIJ涡轮安装船有许多优点。具体来说,WTIJ概念可以被完美地优化,以携带更多的风电涡轮,即8兆瓦和10兆瓦是未来涡轮的预期尺寸。WTIJ还可以在一次运输中携带数量可观的涡轮机,8×8兆瓦,这将大大降低成本。此外,该船可以在行业确定的大多数风电场场址运行,用于未来的扩建,不受环境参数的显著限制。

三、安装船——最终设计

根据定性评估中确定的技术和经济要求,采用选择过程来确定安装船的任务要求。为了完成最终的设计,使用了图2所示的圆圈。

 

图2 迭代设计过程实现最终设计

以下是该船的主要特点:

1、使用LNG船推进系统

2、能够在所有欧洲及中亚地区作业

3、可承载和安装8台8兆瓦(或7台10兆瓦)风力发电机

4、能够无需加油四次出海安装32台风电涡轮

5、具备1500吨主起重机安装风力发电机的能力,或2000吨主起重机同时安装风力发电机和单桩底座的能力;

6、能够通过安装悬浮重物的大风臂锁系统在较高风速条件下作业;

7、ERN编号=(99,99,98,98,84)用于现有推进和推进器系统的动态定位操作;

8、6000平方米自由主甲板面积,优化快速安装;

9、、荷载70名乘客(船员加技术专家)

该设计是基于劳氏船级社规则和海事组织规则,MODU代码2009。

最终安装船设计的三维模型以及8×8兆瓦涡轮机运输所需的货物配置,并说明了用于模拟活动的详细设计水平。

图3  8MW汽轮机WTU最终设计的三维模型

四、起重操作设备

本节描述的工作重点是能实现风电安装过程中的起重活动相关的目标的设计方案:

1、设备优化,提高船舶可操作性;

2、船舶设计的成本效益资本支出和运营成本

为寻找达到上述目标的解决办法,研究了下列要素:

1、升降机类型

2、起重机类型

3、缆具装置

4、装载

升降机分为浮动升降机和固定升降机,以检讨上述突出的元素,并找出适当的解决方案,以达到最优化和成本效益。此外,还审查了主要用于海上活动的下列起重机类型:

1、基座安装起重机;

2、桅杆起重机;

3、肘杆起重机(因容量有限,不适用于重型起重);

4、伸缩起重机

5、a型架/单腿起重机(不被视为起重机,但通常用于海上升降机)。

通过对上述要素的审查,确定了以下优化起重作业的解决办法:

1、吊杆锁紧系统(大风);

2、液压起重工具;

3、全电动起重机

4、环绕臂式起重机

在LEANWIND项目的船舶设计中,采用了臂锁系统和环绕臂式起重机等解决方案。

五、安装模拟活动

采用模拟训练的方法,探讨了新型安装容器概念的可行性。这些模拟包括重型起重设备的操作。特别是,下列业务已纳入模拟训练课程:

1、甲板积载图和优化;

2、起重机提升(教练控制);

3、将DP和特殊功能与上述两种操作结合使用。

在模拟器中的培训支持健康和安全(H&S)改进,因为人员将能够在庇护环境中获得新技术、设备和程序的经验,而不会有受伤和损坏的风险。

图4 模拟训练展示

 

参考资料

1、https:// www.leanwind.eu

2、https://www.offshorewind.biz/2014/02/10/new-offshore-wind-cost-reduction-project-launched/

 


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