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摘要：文章结合国内、国际两个方面，对海上风电安装平台的发展背景进行了阐述；从结构、安装、类型三个角度入手，分析了海上风电安装平台的设计思路，并尝试提出了需考量的设计要点。
关键词：海上风电安装平台；起重船；分段安装
引言
近几十年来，以煤炭、石油、天然气等不可再生资源为核心的能源危机问题日益严峻，使得世界各国纷纷投入到了可再生新能源的开发利用与探索研究当中。在此背景下，风能资源以资源储量大、再生能力强、环保无污染等优点“脱颖而出”，持续受到世界各国的关注和重视。据有关调查指出，风能资源具有极大的能量潜力，其在数秒内便可产出一千万马力的作用力，换算为功率高达750万千瓦。地球上每年可供风力发电使用的风能资源在100亿千瓦左右，约为水力发电量的十倍。由此可见，通过在海上建造风电场的方式科学开展风力发电建设，具有可观的市场前景与实践价值。
一、海上风电安装平台的发展背景
世界上第一座海上风电场建于1991年的丹麦，这在很大程度上决定了未来几十年内欧洲国家在技术与规模上的世界领先地位。据2019年2月的权威报告显示，欧洲地区共有海上风电场105座，总装机量高达1850万千瓦，占欧洲整体风电装机的10％。
2015年以前，我国已投用的海上风电场仅有5座，在世界范围内处于较低水平。其后，受惠于“十三五计划”的政策支持，我国风电行业呈现出了突飞猛进的发展状态，海上风电场无论是从质量还是数量均有了极大提升。截止至2019年5月，我国投入建设的海上风电项目已达23个，大多分布于广东、福建等沿海地区，预计发电量可达650万千万。有从业者指出，发展至2020年底，我国海上风电场的投用数量保守估计超过30座。此外，从近年来风力发电行业的实践成果来看，我国已逐渐具备了海上风电场的自主建造能力，从侧面上反映出了我国在国际风电领域技术地位与竞争实力的提升[1]。
二、海上风电安装平台的设计分析
（一）海上风电安装平台的结构设计
通常情况下，海上风电安装平台由百个左右的风电机网格组成，每个网格上风电机的功率约在2兆瓦至5兆瓦之间。可以预见的是，随着风电行业的不断发展，单一风电机的功率可进一步提升至10兆瓦左右。在平台结构中，每个风电机与中央高压直流变压器、岸电之间，均保有一条独立的电缆作为连接媒介，此类电缆在设计中需要应用专门设备进行铺设。
风力发电机的系统结构包含有基座、塔架、过渡段、机舱、桨叶、转子等多个部分，总重量约在200吨至450吨之间，桨叶的旋转直径约在80米至125米之间。基座是风力发电机的基础部位，其承担着稳固电机位置、负载电机自重的重要任务。在此结构环节的设计过程中，相关人员应根据水域深度、土壤质量、风机力矩等多方面因素，进行基座类型的科学选择，如混凝土管桩基座、抽吸式圆桶基座、脚架基座、半潜式基座、柱形浮筒基座等。
（二）海上风电安装平台的安装设计
海上风电安装平台的安装主要分为基座安装与风电机安装两个部分。在基座的安装设计中，相关人员必须要充分做好环境条件的精细化、全面化勘察，以此选择出最佳的布置点位与安装深度，从最大程度上降低基座的垂直误差。在此基础上，做好过渡段的参数设计，可有效实现基座误差的进一步调整。在风电机组件的安装设计中，主要可采取整体安装与分段安装两种方式。其中，整体安装即风电机各部位的装配活动均在陆上完成。在确认风电机主体的安装工程全面完工后，再将其装接到海上基座上。但由于风机主体的自重较重、体积较大，整体安装施工一般需要借助大型海上运输设备和起吊设备的支持，投入成本比较高；分段式安装则是依次进行塔架、桨叶等部件的组装，后逐步在基座上完成风电机的系统装配。
现阶段，海上风电安装平台设计与施工中常用的分段式安装顺序主要有四种，其分别为“塔架—机舱—转子—桨叶”、“塔架—机舱—桨叶+转子”、“塔架—机舱+转子—桨叶”以及“塔架—机舱+转子+两片桨叶—第三片桨叶”。
（三）海上风电安装平台的类型设计
结合行业经验来看，目前在海上风电安装平台设计中可选用的类型主要有以下几种：
第一，起重船。顾名思义，起重船即配备有起重设备的安装船，此类安装平台通常具备自航功能，且操纵起来较为灵活。但起重船对海上环境中海浪、暴雨等侵袭因素的抵御能力相对较弱，其在恶劣海况下将很难保持稳定运行，期间风电机安装施工的精度与进度也很难得到保证。现阶段，起重船在安装技术设计上以整体安装为主。放眼世界范围内的风电行业来看，比利时在Beatrice风电项目中投用了起重船Rambiz，以吊装形式完成了两台5兆瓦风电机组的安装；我国的奋进号、蓝疆号、风范号等海上风电安装平台均为起重船，且风电机安装的方式也以整体吊装为主[2]。
第二，自航式安装船。自航式安装船还可细化分为半自升式与自升式两种。前者多由普通船舶配备定位桩改造而成，其依靠浮力悬置于海面上，工作区域以近海、浅水为主。丹麦A2SEA公司在某风电项目中，就把ADYO号、HANNE号两台货运船舶改造成了自航半自升式安装船，可搭载约4套风电机构件。与半自升式相比，自航自升式安装船在很大程度上降低了风电安装平台对港口的需求性，其具备高水平的可操纵性与航行速度，且可支持多台风电机组的同时搭载。基于此，这种海上风电安装平台大多工作在环境恶劣、深度较深的海域。但需要注意的是，伴随自航自升式安装船优质性能而来的，还有很高的建设成本与较长的制造周期，相关人员在设计实践时，应根据平台工作需求、经济投入预期、目标制造期限等方面要求，进行平台类型的酌情选择。在世界上已建成的海上风电安装平台中，丹麦A2SEA公司的Sea installer号、Sea Challenger号，英国MPI公司的五月花号，英国Swire Pacific Offshore公司的Pacific Orca号等平台均为自航自升式风电安装船。
第三，自升式平台。自升式平台属于一种固定式的稳定平台，不具备自航能力。其通常配备有起重设备与升降支撑设备，且甲板表面开阔平坦，可在满足风电机组安装需求的基础上，显著提高安装活动的便利性。同时，自升式平台的结构相对简单，其造价投入水平也较低，具有很强的经济性设计特点。但应注意的是，由于自升式平台无法自航，其位移仅能借助拖轮实现，所以机动性比较差。此时，一旦遭遇恶劣天气，将会对风电机组的安装效率产生较大影响。现阶段，国际范围内的自升式平台主要有丹麦A2SEA公司的Sea Worker号、Sea Jack号以及我国的龙源振华号等[3]。
（四）海上风电安装平台的设计考量
在海上风电安装平台的设计实践中，为了保证设计成果的整体质量，相关人员还应对以下几点做出考量：
（1）要从结构、类型、安装方式等角度出发，全面分析海上风电场的安装环境，如海域深度、土壤条件、灾害天气发生几率等；（2）离岸距离与航行时间成正比，所以要对风电机组的安装效率要求作出明确，并据此实现安装平台航行能力、航行时间的合理控制；（3）甲板空间直接决定了安装平台的承载能力，所以需要对单航次的风电机组运载数量作出明确，并由此进行类型选择与甲板设计；（4）海上风电安装平台的桩腿数量对投资成本具有一定影响，还需从经济性设计的角度出发，在保证平台安装稳定的基础上，对桩腿数量进行合理控制。
结论
总而言之，做好海上风电安装平台的设计研究，对我国风力发电领域的持续发展具有重要意义。在设计实践中，相关人员应全面分析风电安装平台投用涉及的港口距离、工作环境、风机数量等因素，并据此进行安装方式、平台类型的合理选择，以便最大程度地发挥出海上风电安装平台的功能价值。
参考文献
[1]张静波.国产海上风电安装平台的研发之路[J].广东造船,2019, 38(05):11-12.
[2]丁果林.漂浮起吊海上风电安装平台的设计关注点[J].船舶工程, 2019,41(S2):74-77+119.
[3]于卫红,邱成国,魏良孟.1000 t海上风电安装平台设计及稳性研究[J].船舶工程,2018,40(03):73-77.