DNV海上風電聯合工業開發項目為自升式風電安裝平臺奠定行業標準

DNV與業界伙伴一起在更嚴酷的環境中實現海上風電安裝安全作業開發了新的理論框架。這項工作是關于底部沖擊和部分淹沒條件的聯合工業開發項目（JIP）第一階段的成果。第二階段將邀請更多新的合作伙伴加入，并將專注于模型驗證并建立通用且實用的推薦指南

由于風電安裝平臺（WTIV）的支腿與海底存在嚴重沖擊風險，導致船體或貨物的結構損壞，因此當前海上風機的安裝只能在極佳的天氣條件下開展。

如果天氣變糟，安裝船必須等到天氣好轉后才能復工。“然而，高昂的日租金導致延誤成本非常高，而且隨著行業逐步走向天氣更惡劣、海床（土壤）條件更嚴苛的新領域，擴大作業窗口以便更有效地開展作業的壓力也隨之加大”，JIP專業委員會主席、來自GustoMSC的Andries Hofman表示。

此外，有地震風險的地區也需要新的操作理念，例如在半起升工況下通過WTIV操作起重機。

JIP開啟了WTIV安全與高效作業的通用路徑

由于缺少船級社指南和合適的模型來充分了解和評估安裝平臺在半起升工況下的底部沖擊力及操作情況，這項JIP于2020年11月誕生。“目的是研究WTIV的操作極限以及潛在的新操作理念。

在推動能源安全的過程中，降低安裝成本對于減少海上風能平準化成本來說至關重要。但在這個‘時間就是金錢’的過程驅動型行業里，突破建立在正確知識基礎上的邊界極為關鍵。如果僅靠有限的數據就想這么做是相當冒險的”，Hofman說。

第一階段開展的工作

在JIP所有參與方的共同輸入下，DNV開發了一個精準預測底部沖擊力的數值模型。操作者能評估各種情形下的極限海況，安全下放自升式支腿，并且沒有船舶、貨物或環境受破壞的風險，也不會危及船員。它適用于現有和新建的WTIV，從設計階段開始就能保障船舶在合理的工況范圍內運作。

“這款強大的數值模型綜合了船舶航向、天氣和土壤條件以及WTIV的強度，可以拓展WTIV安全安裝作業的天氣窗口”，DNV技術顧問、業務主管兼JIP項目經理Antonio Goncalves介紹，“硬土比軟土的沖擊力更大，強風巨浪則會加劇沖擊事件。船舶在深水中的運動特征也不同于淺水。巖土、水動力和環境條件必須與特定WTIV的結構能力相匹配。”

半起升工況下的操作是否可行？

該JIP還考慮了WTIV在半起升條件下的載荷與運動情況，即支撐在海底的支腿以及部分淹沒工況下的船體。這尤其適用于容易發生地震的區域，此時作業者更希望WTIV船體盡可能接近水面。

“目前在吊裝風機和安裝葉片時，還存在涉及（土壤）液化和慣性/位移的一系列挑戰。我們需要考慮塔體、風機以及船舶的運動。如果無法在運動和基礎投入之間找到平衡，半起升作業可能面臨安全性挑戰。這個問題有待進一步的工程計算，我們希望未來DNV能給予適當指導”，RWE Renewables公司的海洋專家Benjamin Haak說。

全尺寸儀器測量可驗證模型的輸出結果

然而，預測性模擬僅是獲得最終解決方案的維度之一。另一維度是運用全尺寸儀器（傳感器）測量來驗證實際工況的模型輸出結果。“預測的受力情況還沒有與實際操作中測得的受力掛鉤。這是大幅提升WTIV操作性的關鍵領域”，Goncalves指出。

第三個維度是編制影響結構失效可能性的安全系數。JIP的結論是，在某些工況下結構失效的概率相對更高。“我們已經了解到關于模擬和不同參數效應的相互關系，但仍然需要更深入理解保障安全操作所需的適當安全系數。通過洞悉理論模型的驗證以及適當的安全因素，我們就可以從更高的操作效率、新的操作理念和設計等方面獲得巨大效益”，Goncalves說。

第二階段工作將提供更多價值

目前，DNV正提議開展JIP第二階段工作。暫定范圍包括了底部沖擊和部分淹沒模型的校準、安全系數的校準、改善土壤模型、進一步評估部分淹沒工況下的吊臂/吊鉤運動、在位中使用的運動標準以及制訂相關導則。

“借助強大的團隊合作，我對于下一階段為各方提供更多價值充滿信心”，Goncalves說。“我們的目標是用真實數據對模型加以基準化，總結出完整的安全系數，成為用于公平競爭環境中最佳推薦指南”，Hofman說。

全尺寸測量可在提升操作效率方面帶來巨大好處。

保障數據共享和保密

為確保數值模型的可靠性，數據來自在良好天氣和惡劣天氣下工作的多個安裝平臺，包括現場土壤條件的開發商/承包商數據、甚至來自風機的整機廠商的數據。來自Fred. Olsen Windcarrier公司的Jan Sand Schanke-Jørgensen表示，全行業對于全面掌握相關情況有很大興趣，包括進入市場的玩家。“例如，如果一些平臺被證明尺寸過大，那么可以通過減少鋼材用量來降低成本，同時讓甲板上容納更多設備。減排也是確保整個安裝生態系統盡可能高效的關鍵因素之一。”

盡管在改善WTIV操作性和避免損壞方面有明確的數據提供商業案例，但人們對于私有數據共享后可能產生的后果仍有顧慮。Goncalves強調DNV會把所有數據視作保密數據，只分享由此開發出的推薦指南。

參與方對“創意舞臺”表現出熱情

各參與方對JIP進程表示了一致贊賞。積極的反饋意見有：“能坐下來討論重要的話題，而不受內部商業驅動，這樣很棒。把關注點放在對人員、資產和環境的關鍵安全問題是這個項目成功的原因所在”，Sand Schanke-Jørgensen指出。

Van Oord Offshore Wind公司的首席工程師Kevin van de Leur說：“我們之前嘗試過這種現場評估分析，但很難單獨完成。通過合作，我們可以開發出讓每個人都有信心的通用行業標準。”

主要利益相關方正聯手制訂通用的行業標準，以提高海上風機的安裝效率。

豪氏威馬設備（Huisman Equipment）公司的研發經理Eric Romeijn補充說：“我們認為模擬底部沖擊對于進一步優化豪氏威馬新一代的海上WTIV起升系統至關重要。我們期待第二階段的JIP能有更多成果，為安全可靠的自升式平臺作業做出貢獻。” 中集來福士研發中心總監及營銷中心總監傅強也表達了類似看法。“我們對參與這個JIP感到自豪，并期待繼續這項工作”，他說。

Ørsted公司總包運營部WTG安裝資深首席專家Eduard Lopkov補充說，作為價值鏈上重要的利益相關方，Ørsted公司一直對于參加JIP非常挑剔。“但這個項目可以顯著改善作業狀況，探索了之前尚未充分開發的領域。我們可以結合自身知識，創建嚴格的標準和可靠的預測模型，讓自升式平臺變得更安全，同時減少因天氣怠工的因素。”

“在公平競爭環境方面，統一的推薦指南讓采購流程變得更簡單。這適用于無論冬季還是夏季作業以及各種海底條件，我們已經看到項目作業環境包括從砂石底到更困難的重粘土和巖石土壤，乃至更深的海域。在數據共享方面，DNV在管理私人數據方面一直表現卓越。我們期待下一階段制訂的具體指南，能讓所有人獲益。”

知識共享是最好的形式

在未來很長一段時間里，JIP的工作對風電安裝行業都有很大的相關性，因為需要自升式平臺安裝的固定式風電場仍具有最高的性價比，并讓能源結構變得多元化。“市場的發展速度要快于規范的發展，想要取得重大進展，唯一的方法是知識共享”，Goncalves說，“我們的目標是開發出可靠的、容易獲取的推薦方案。通過更好地了解特定地點的受力情況，我們可以在更惡劣的海況中提升績效和安全性，實現更高效、更及時的渦輪機安裝，這對于整個行業來說是一個重大機遇。”

敞開大門，歡迎新合作方加入

Goncalves強調，JIP正向更多的合作伙伴敞開大門，可以是能源公司、安裝作業方、設計公司和船廠、起重機制造商或風機廠商。相信各方都會從中受益，包括減少項目延遲、事故和已安裝設備損壞的風險，降低交易成本，確保導則中考慮了特定的問題和目標，并有機會與各領域的領導者建立合作網絡。