（中鐵福船海洋工程有限責任公司，福建 福州 350015）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力建設的規(guī)模也越來越大，其中風力電力開發(fā)逐步從陸地轉向海洋，國內開始在沿海、近海水域上建設風電場，而海上風電風力發(fā)電機的安裝離不開專業(yè)的風電安裝平臺。海上風電安裝平臺是近10年來我國科技高速發(fā)展的產(chǎn)物。目前，我國海上風電安裝平臺目標作業(yè)海域主要在廣東、福建和江蘇等沿海海域，也可以兼顧我國其他沿海海域、歐洲以及東南亞沿海海域。輪機是海上風電安裝平臺的核心設備，做好對輪機的日常維護工作至關重要，其關系到平臺是否能夠正常運作。良好的輪機日常管理和正確的操作方式能夠降低維護的頻率及難度，進而減少平臺發(fā)生事故的次數(shù)，提高平臺的使用壽命。

1 典型海上風電安裝平臺輪機的主要構成

海上風電安裝平臺作為海上風電風機安裝施工的專業(yè)船舶，與傳統(tǒng)的航行貨船的輪機組成存在較大的差異性，主要原因是船舶的功能不同。典型海上風電安裝平臺輪機構成如下。

艉部設2臺1 800 kW全回轉主推進裝置，艏部設2套全回轉輔推進裝置，均由變頻電機驅動，滿足海上風電場內的短距離移位及機位的動力定位需求。配置4臺1 600 kW柴油發(fā)電機機組、1臺500 kW停泊發(fā)電機組、1臺應急發(fā)電機組及相應配電系統(tǒng)，為起重機、升樁機構以及甲板機械等提供其所需電力。配置單樁最大支持力6 000 t的液壓插銷式升降裝置，滿足平臺就位后的提升、下降及起重作業(yè)時承載力要求，同時滿足17級臺風情況下平臺在海上的自存。配置1臺1 000 t級電動全回轉繞樁式主起重機、1臺200 t級全回轉起重機，滿足海上風機各個設備部件的吊裝要求。配置2臺電動齒輪齒條式、1臺卷盤式海水提升裝置，用于平臺升離水面后海水系統(tǒng)的供應。并且配備錨泊、空調、通風、冷藏、燃油、滑油、冷卻水、壓縮空氣、壓載、樁靴噴沖、消防和生活等必備系統(tǒng)裝置。

2 海上風電安裝平臺輪機運行故障與分析

2.1 海上風電安裝平臺輪機運行故障頻發(fā)及原因分析

根據(jù)統(tǒng)計，典型海上風電平臺2019年期間，輪機設備故障共發(fā)生98起，平均每月高達8.2起，故障涵蓋了動力系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、推進裝置、起重機械、消防救生設施、甲板機械、生活設施等諸多系統(tǒng)和設施。海上風電安裝平臺運行過程中設備故障頻發(fā)，已嚴重影響到正常作業(yè)生產(chǎn)。相關統(tǒng)計情況如圖1所示。

造成平臺故障頻發(fā)的原因有以下6點：1）隨著海上風電安裝平臺向著智能化、自動化、系統(tǒng)化方向發(fā)展，大量有別于傳統(tǒng)船舶的先進設備得以應用，海上風電安裝平臺設施不斷更新?lián)Q代。而國內針對該類平臺的輪機運行研究卻停滯不前[1]。2）我國的海上風電安裝平臺出現(xiàn)較晚，輪機操作者多為此前近岸、碼頭工程的非自航船舶人員轉入，專業(yè)技術知識水平還有待提高，創(chuàng)新意識略顯不足，在實施離岸風電工程時工作經(jīng)驗相對欠缺。3）海上風電安裝平臺的航行、動力定位、起重作業(yè)、升降作業(yè)等均依托于主發(fā)電機產(chǎn)生的電力供應，造成動力系統(tǒng)的頻繁報警與故障。4）長期駐在海上風電安裝平臺的人員數(shù)量偏多，高峰期時可達150人以上，是普通船舶的5倍以上，給平臺空調、冷藏、生活水等系統(tǒng)造成很大壓力，壓縮機、熱水柜等設備經(jīng)常性維修甚至換新。5）隨著國內海上風電行業(yè)“搶裝潮”的出現(xiàn)，起重機長期處于超負荷運轉，甚至無法保證正常的維護保養(yǎng)時間。6）由于平臺的頻繁升降，造成海水系統(tǒng)中海水泵及部分機構頻繁地與海水、空氣交替接觸，因此極易造成海水泵及管系等的損壞。

圖1 典型海上風電安裝平臺故障統(tǒng)計

2.2 運行故障的產(chǎn)生與施工作業(yè)高度相關

海上風電安裝平臺的施工作業(yè)受限于海域的風、浪、涌等海況條件。受國內沿海季風、臺風等的影響，每年的3月～9月為施工窗口期，其中7月～9月為臺風多發(fā)期；10月～第2年2月受冷空氣影響，為非窗口期。另外，受春節(jié)放假影響，施工暫停；而每年第4季度，施工工期相對緊張。非作業(yè)窗口期內，平臺只有維持人員生活的相關系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，而當海況處于作業(yè)窗口期時，平臺施工連班作業(yè)，這樣必然造成平臺輪機設備負荷不均，進而造成設備故障，給運行管理和維護帶來極大的挑戰(zhàn)。受以上因素影響，每年的1月～2月，平臺施工時間較少，輪機設備故障最少；3月～6月為平臺作業(yè)高峰期，同時也故障多發(fā)期，特別是3月～4月為春節(jié)復工后的生產(chǎn)高峰，故障最多；7月～9月為防抗臺時間，平臺作業(yè)較高峰期少；10月～12月為趕工周期，平臺必須合理利用一切可用窗口期，受惡劣海況影響，故障較多。平臺必須合理利用一切可用窗口期來進行施工作業(yè)。單月故障統(tǒng)計相關情況如圖2所示。

2.3 導致重大停機事件的故障相對集中

如圖1所示，海上風電安裝平臺發(fā)生故障次數(shù)最多的設備為升降系統(tǒng)，同時平臺故障次數(shù)多也是導致平臺停工的主要原因。例如，因3號樁腿36 m處插銷孔變形嚴重，銷孔下側塌陷130 mm，平臺不能正常升降，造成停工時間168 h；因1#樁靴高壓沖水孔堵塞，無法進行降船作業(yè)，停工3 d。造成這種情況主要原因有以下3點：1）升降系統(tǒng)的使用率非常高，平均每年超過100次，如此頻繁的升降作業(yè)給升降機構及系統(tǒng)造成極大壓力。2）該類設備的運行操作與維護在國內無成熟的管理方法和操作流程可以借鑒，主要靠輪機人員不斷的摸索和總結。3）不同海域的海底地質條件，造成升降系統(tǒng)在升降過程中無法保證受力平衡。如果在海床平緩的砂質地質條件下，淺表層足以提供平臺舉升的承載力，此時樁腿插入太淺，隨著海流和潮水的沖刷，容易將樁靴底部掏空，造成樁靴滑移；在海床平緩的淤泥質地質條件下，為提供足夠的承載力，樁靴需要插入較深土層，隨著樁腿周圍土壤的回填，給安裝完成后的拔樁造成極大的困難；在海床起伏過大的地質情況下，4個樁腿的入泥深度各異，在單個或單側樁腿插入過深時，容易造成單個樁腿偏向，有時2個樁腿成“外八”或“內八”字形狀，造成樁腿局面應力集中或偏磨等。

圖2 單月故障統(tǒng)計

3 海上風電安裝平臺輪機運行與維護策略

3.1 優(yōu)化平臺營運工作

為了有效提高我國海上風電安裝平臺的使用效率，必須對我國海上風電安裝平臺的營運工作進行優(yōu)化，使之更具合理性及科學性。具體可從2個方面進行優(yōu)化：1）結合海況條件，對風電安裝平臺的作業(yè)計劃進行合理安排，對作業(yè)進度進行適當調整，選擇最優(yōu)的營運方式，事前分析影響平臺作業(yè)流程、設備狀況的因素，合理配置平臺上的各種資源，制定詳細的策略，以防發(fā)生意外狀況。2）制定科學合理的施工方案，避免吊裝作業(yè)過程中因海浪、風載造成的瞬時過載，避免制定吊裝方案時過多使用極限狀態(tài)。

3.2 提高海上風電安裝平臺輪機管理人員的綜合素質

平臺輪機日常維護及管理對維護及管理人員的技術水平有著較高的要求，這就需要平臺人員加強培養(yǎng)和提高輪機管理的綜合素質，特別是對先進設備、特種設備運行管理技術的學習和鉆研，同時要有較強的團隊合作意識。專業(yè)水平素養(yǎng)高的管理人員應幫助其他管理人員改善管理方式，好的設備維護方法及管理模式應得到大力推廣，實時共享。例如，開展技能培訓時做好交流，最好是能做現(xiàn)場講解，以提高平時檢查工作中的判斷力及準確性，以及增強處理問題的業(yè)務能力。

3.3 完善海上風電安裝平臺輪機維護保養(yǎng)方案

國內在海上風電安裝平臺輪機維護保養(yǎng)方面存在以下3點不足：1）設備維護僅停留在預防階段，對于突發(fā)事件往往會手足無措，并且缺乏一定的科學理論指導。2）國內海上風電安裝平臺輪機起步較晚，相應的輪機管理制度還不完善，管理人員經(jīng)驗還有所欠缺。3）輪機維護保養(yǎng)時間沒有形成一定間隔，不能保證輪機維護的質量?？偟膩碚f，當前的維護保養(yǎng)方案無法達到應有的輪機維護保養(yǎng)質量，急需對海上風電安裝平臺輪機維護保養(yǎng)方案進行補充完善，優(yōu)化后的維護保養(yǎng)方案應能夠適應平臺輪機智能化、自動化、系統(tǒng)化運行的需要，行之有效的維護保養(yǎng)方案能夠保證海上風電安裝平臺輪機的正常運行，降低輪機故障率，從而提升平臺輪機的使用壽命，保證平臺穩(wěn)定可靠運行。表1為某平臺輪機的檢修維護計劃表，通過嚴格執(zhí)行既定的維護保養(yǎng)計劃，輪機的故障率大幅降低。

3.4 升降系統(tǒng)優(yōu)化方案及運行對策

3.4.1 升降系統(tǒng)高壓沖水優(yōu)化方案

升降系統(tǒng)為海上風電平臺的升降機構，其主體設計的原理及總體構件的研究相對成熟，隨著國內海上風電建設的區(qū)域不斷擴大，涉及的地質海況多樣，對升降系統(tǒng)的適應性有了更高的要求，主要體現(xiàn)在細節(jié)方面的設計上。根據(jù)典型海上風電平臺故障統(tǒng)計可看出，升降系統(tǒng)的高壓沖樁系統(tǒng)是平臺正常升降的必要保障，而其關鍵點便在于樁靴上、下表面沖樁孔的合理布置和設計。優(yōu)化后樁靴沖樁系統(tǒng)在考慮常規(guī)流量因素的基礎上，針對淤泥質及黏土地質情況，具有更好的切削破土能力及防止土壤因擠壓進入沖樁管線內造成孔堵塞的功能，新型沖樁孔的布置及結構形式如圖3所示。

表1 輪機年度維護計劃表

3.4.2 升降系統(tǒng)工作過程中平衡受力的保證措施

升降系統(tǒng)在工作過程中保證每個樁腿的4個方向平衡受力是平穩(wěn)升降的的前提，而受地質情況復雜的影響，在升降作業(yè)過程中保證其平衡受力是操作動作的難點，極易造成樁腿插銷機構的損傷，針對此問題結合不同的地質情況，相應措施包括以下4點：1）平臺在砂質地質提升到位后，專人對各個樁腿的沉降情況進行關注，每2 h進行1次平臺預壓，保證樁靴底與海床的緊密結合。有條件的情況下，在樁靴底加裝防滑移檔板等。2）復雜地質條件下的提升操作時，密切關注各個樁腿的入泥深度，盡量做到4個樁腿諧調動作。認真監(jiān)測動、靜環(huán)梁是否出現(xiàn)錯位或上下扭曲現(xiàn)象，如果不可避免出現(xiàn)樁腿姿態(tài)偏差，則通過對地質情況的詳細分析，對情況的發(fā)展做出正確的預判，然后采用手動模式邊點動邊監(jiān)測，始終保持偏差控制在允許范圍內，避免造成個別樁腿應力集中，直至平臺提升到位。3）平臺進行拔樁作業(yè)前，首先要特別關注所處海域潮水漲落情況，潮差不大的情況下，一般在高平潮前后2 h內開始拔樁操作，同時一定要確認高壓沖樁泵能正常運轉并提前大流量進行沖樁，直到樁靴底真空負壓消除。4）在拔樁過程中，應根據(jù)土層構成及起樁情況，隨時調整沖樁策略，如果遇單個或單側樁腿插入過深難以拔出時，則首先應保證平臺吃水不超過最大允許吃水，其次平臺在該情況下必然會發(fā)生一定程度的傾斜，對傾角的控制需要結合土層和平臺姿態(tài)進行綜合分析，輪機操作人員根據(jù)經(jīng)驗謹慎操作，過程中加強監(jiān)測并調整系統(tǒng)相關參數(shù)避免超限報警甚至停機。

圖3 新型沖樁孔圖

4 結論

總的來說，對于近十年內我國剛興起的海上風電安裝平臺來說，輪機的日常維護及運行管理工作至關重要，為了保證平臺輪機的正常運行，仍然需要不斷處理解決某些方面存在的不足，相關管理機制仍然需要不斷完善，加強管理人員技能培訓、學習專業(yè)技術知識、總結教訓以及積累經(jīng)驗，以求進一步完善海上風電安裝平臺輪機的運行管理和維護工作。