海上风电项目的施工风险研究

发表时间:2016/1/27   来源:《工程建设标准化》2015年11月供稿   作者:陈亮1 陈永淑2
[导读] 1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司,广州2.广州供电局有限公司,广州 得出同时使用2只施工船时的成本风险最低。对施工工期确定中隐含的风险,提出应全面考虑“天气窗口”、船舶可用性的风险。

陈  亮1  陈永淑2
  (1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司,广州,510663)
  (2.广州供电局有限公司,广州,510620)
  【摘  要】介绍了海上风机的安装方法,建议风机应在海上整体安装。介绍了四种典型的海上风机基础,证实目前国内大型海上施工船舶的施工能力可满足需要,并且2台同型号船舶同时使用的成本风险较小。建议制订工期时,需要重点考虑“天气窗口”和施工船舶能力与可利用性的风险。
  【关键词】海上风电;施工;风险;风力发电
  能源是推动社会与人类文明向前发展的动力,但化石能源因不断开采而面临不可避免的枯竭境地,且化石能源容易因为不完全燃烧而排放有害气体,造成环境污染[1]。
  风力发电作为清洁的可再生能源基本不会产生二氧化碳等温室气体,在各国获得了稳定的政策支持与发展,但由于过度竞争使陆上风机设备制造出现了产能过剩,同时电网瓶颈、建设用地和环保等因素[2]导致近年来陆上风电发展速度放缓。海上风电因其距离电力负荷中心较近,海上风能资源又与陆上风能资源相当,同时海上风能发电产能大,且不占用日益珍贵的土地资源,对环境影响较小。因此,海上风能将是最有可能大规模开发的能源资源之一。
  在海上风电项目开发规划的初期,需要对未来项目设计、施工和运行过程中可能存在的风险进行充分的研究和评价,以避免后期执行中的重大损失。其中,海上风电的施工风险是海上风电项目开发风险的重要一环,海上风电的施工风险控制对成本控制的重要性尤其明显。
  论文正是开展了海上风电项目施工风险的研究,介绍了常用的风险较低的海上风机安装方式,评估了国内施工船舶的打桩能力和起重能力,研究了海上施工船舶在我国海上风电场的可利用性,识别确定了施工工期所需重点考虑的风险因素如天气窗口、施工船舶可用程度等。
  一、海上风机安装
  风机安装方式主要有海上整体吊装和海上拼装两种。整体吊装即将在岸上组装好的风机塔架和上层设施作为一个整体通过起重船在海上安装在风机基础上;相反,海上拼装的组装地点在起重船上。海上整体吊装在国内更容易实现,分析如下:
  首先,由于我国海上交通和石油行业的发展,大型起重船只的数量已经不少,起吊重量和起吊高度也基本达到国外发达国家水平。其次,海上风电整体吊装时,不需要对大型起重船进行改造,可节省改造费用,加快工程施工进度。
  采用海上整体吊装前,必须在海域附近的岸上找到具备足够承载力和作业面积的码头作为陆上拼装场地。国内第一个海上风电场项目——东海大桥项目[3]中所采用的华锐3MW风机,整机吊装的最大重量为400t。因此建议陆上拼装场地承载力至少应能承受400t重量的风机整机。目前新型5MW风机的风轮直径已超过120m,整体最大长度已达接近200m,考虑装卸和组装空间,建议组装场地不小于300×300m大小。
  二、施工船舶
  施工船舶主要用于海底基础施工和海上风机安装,海上风机的安装在上一节已有涉及,以下是基础施工的介绍,海上风机基础一般分为四类[4-5]:
  第一类是重力式基础,主要依靠自身重量使风机矗立在海面上。其结构简单,造价低且不受海床影响,稳定性好。但需要进行海底准备,水下工作量大,结构整体性和抗震性差,仅适用于浅水区域。
  第二类是单桩基础,自重轻、构造简单、受力明确。单桩基础由一个直径在3~4.5m之间的钢桩构成。使用单桩基础无需整理海床。但需防止海流对海床的冲刷,受潮汐、浪涌冲击的影响较大。应用范围水深小于25m,且不适用于海床内有巨石的位置。
  第三类是三角架式基础,由圆柱钢管构成,三角架的中心钢管提供风机塔架的基本支撑,其基础自重较轻,整个结构稳定性较好。但基础的水平度控制需配有浮坞等海上固定平台完成。适用于水深15-30m,不适用于海床存在大面积岩石的情况。
  第四类是导管架式基础,是深海风电场未来发展的趋势之一,导管架的负荷由打入地基的桩承担。导管架式基础强度高,安装噪音较小,重量轻,适用于大型风机,深海领域,可避免海上浇筑混凝土。但需要大量的钢材,受海浪影响,容易受腐蚀失效,也不适用于在海床存在大面积岩石的情况。
  海上风电场应综合考虑海水深度、海底层地址结构、海浪、潮汐及海流、施工能力及成本,选择适合实际情况的风机基础结构。目前,世界上的海上风机多数采用重力式基础或单桩钢结构基础设计方案。其中,应用最为广泛的单桩钢结构通过钻孔将直径3m-5m的钢管植入海床下15m-30m深的位置[6]。
  1、打桩能力
  东海大桥项目中,采用国产D220型打桩锤,最大打击能量达733kNm,每分钟锤击数为36~45锤,适宜最大的桩规格为22吨。该项目的34台风机桩基打桩完成后,打桩锤未出现破损情况。因此,可认为现有的打桩锤能够满足当前容量风机单桩基础打桩的要求。
  起重能力
  海上风机起重船的技术要求高,是影响海上风电场施工安装进度的关键设备,在世界范围内都是高造价、高租价的装备。
  2011年初,我国南通中远船务设计建造了一艘自升式海上风机起重船,配备目前世界风车船中起重能力最大的1000吨液压重吊,完全能适应5MW至7MW风机的安装;每次航行可一次装载10套风车构件进行海上安装作业,为海上风电的开发提供了基础条件。
  目前在欧洲的海上风电场施工中还兴起一种新式的自升式海上施工平台。这种平台可以是自航式或拖曳式,可以从岸上将预组装好的风机整体吊放到平台上,然后该平台连同风机航行或被拖至基础上方,此时平台四角垂直向下伸出四个支腿直达海底,支撑稳固好平台后,将风机吊起安放至基础正上方,然后支腿回缩,使风机整体“坐”在基础上。这种方式可以避免在风大浪大的海上起吊大尺寸的风机整体,降低了其中的安全风险。
  1.2、可利用性
  施工船舶是海上风电施工中必不可少的关键装备,也是影响施工进度的关键节点。因此有必要研究施工船舶的可利用性。
  东海大桥海上风电场项目的风机安装工作从2009年3月20日开始,到2010年2月27日完成,采用2400t的“三航风范”号起重船,总共344天,每台平均10天时间。平均一个月吊装8台,4天完成吊装1台风机。考虑到东海大桥是第一个海上风电项目,后续项目可按吊装一台风机用时3天、安放1个重力型基础用时1天、打1个风机的桩用时5天考虑。
  一般来说,每条船一年中,需要约20天进行常规检修,20天的节假日休息。一年中的理论最大可用率为89%。基于上述条件,以安装100台风机为例,不同施工船舶数量下,风机吊装、重力基础安放和基础打桩所用天数的差别如图1所示。

  图1施工船数量与施工天数的关系
  从图1中可见,用2台相同施工船舶所需的天数相当于用1台施工船的50%,所需天数总共为505天。如采用3台或者以上,则租船的费用会大幅上升,但节省工期的效果不明显,效费比不高。因此,为达到最大施工船舶使用效费比,建议同时采用两台同型施工船舶进行重力基础安放、基础打桩和风机吊装的工作。
  2、工期的确定
  施工工期的确定依赖以下几点因素:
  首先,需要确定合适施工能力的船舶。尽管施工能力越大,对施工安全、进度和质量的保证越好,但施工能力大的船舶的数量必然更少,租赁成本更高,也更难以保证到位的时间和可用的期间。因此,选择的施工船舶能满足最大施工要求,能及时到位即可,不必一味求大。
  其次,要与气象、海洋等部门协商,收集海况和气象资料,分别确定适于基础施工和风机吊装的“天气窗口”时间段。如有可能,可借鉴附近区域海上石油行业的施工期安排。
  在调查好施工船舶的可用期间和“天气窗口”之后,选择这二者能够满足的时间段,确定为海上施工期。随后,围绕已确定的海上施工期,协调其他影响进度计划的因素,如风机的供货期、运输进度、岸上组装进度等,这样才能最大化地保证工期进度和成本控制。
  结论
  介绍了常用的、风险度更低的海上风机整体安装方式。分析了我国施工船舶的施工能力,计算出安装100台风机时使用不同数量施工船舶所需的工日数,得出同时使用2只施工船时的成本风险最低。对施工工期确定中隐含的风险,提出应全面考虑“天气窗口”、船舶可用性的风险。
  参考文献:
  [1]林鹤云,郭玉敬,孙蓓蓓,等.海上风电的若干关键技术综述[J].东南大学学报(自然科学版),2011,41(4):882-888.
  [2]肖运启,贾淑娟.我国海上风电发展现状与技术分析[J].华东电力,2010,38(2):277- 280.
  [3]莫为泽,冯宾春,邓杰.海上风电机组安装概述[J].水利水电技术,2009,40(1):4-7.
  [4]VanWingerdeAM,VanDelftDRV,PackerJA,etal.Surveyofsupportstructuresforoffshorewindturbines[J].WeldingintheWorld,2006,50(SPEC):49-55.
  [5]ChenZhen-Zhe,Tarp-JohansenNJ,JensenJJ.Mechanicalcharacteristicsofsomedeepwaterfloaterdesignsforoffshorewindturbines[J].WindEngineering,2006,30(5):417-430.
  [6]刘悦,时志刚,胡颖,等.海上风电技术特性对比分析[J].船舶工程,2012,34(1):95-99.

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