漂浮式海上风电接入策略与考量

研究背景与目标

浮动海上风电 (FOW) 开发商预计未来十年 FOW 部署将显著增加，首个商业化规模的 FOW 项目将于 2029 年开始建设，英国目标是在 2030 年实现 5 GW 的 FOW。大型风力涡轮机的涌入增加了对海上建设和维护活动的需求。确保可靠维护的关键方面是技术人员从海岸安全有效地转移到风力涡轮机。然而，存在关于转移安全、最佳转移方法和缺乏标准化的担忧。

本项目旨在更好地理解不同的访问方法，重点关注：

• 船员转移船 (CTV)
• 带有子船 (DC) 的服务操作船 (SOV)
• 带有行走至工作 (W2W) 通道的 SOV
• 直升机

项目首先使用现有文献和利益相关者参与来审查每种方法。接下来，使用 OrcaFlex 建模软件评估不同的访问方法。最后，逻辑建模测量了各种访问限制对关键绩效指标 (KPI) 的影响。

当前访问方法综述

小型船舶访问 (CTV 和 DC)

CTV 和 DC 是比 SOV 访问速度更快的较小船舶。

• 方法描述：这些船舶通常在船首有一个橡胶化防冲垫，通过“推”的方式与基础建立稳定连接，即驱动船舶进入由两个垂直钢管组成的着陆区。
• 可访问性考虑：预计 CTV 和 DC 的使用因风电场位置而异。预计靠近海岸的风电场可能仍然使用 CTV，而远离海岸的涡轮机将由于所需的较大通行距离而减少其使用。DC 能够在比 CTV 更平静的海况下工作，但预计将面临更严格的天气限制。CTV 通常比 DC 更大，能够转移更多人员，但安全相关的限制将其支持的小队数量限制在每艘船 2-3 个。
• 法规：当前的固定式风电法规是形成围绕浮动风电访问的法规的基准。G+ 全球海上风电健康与安全组织提供了最佳实践指南，概述了海上人员的责任、安全问题和所需的培训。

服务操作船 (SOV) 带有行走至工作 (W2W) 系统

SOV 专为长期海上使用而设计，可容纳 50-100 人，广泛用于为海上风电和海上石油和天然气 (O&G) 行业提供海上基地。

• 方法描述：W2W 系统，配备运动补偿装置以保持连接，为技术人员提供从船舶到风力涡轮机子结构的安全通道。船舶应定位在风力涡轮机旁边的漂流位置，并面向波浪方向，以实现最佳控制和稳定性。
• 可访问性考虑：访问 W2W 不可能，如果无法连接通道，或者船舶和着陆区之间的相对运动太大而无法补偿，将导致自动通道断开。预计 W2W 将是 FOW 最有可能的访问方法，尽管成本很高，因为其设计具有最高的可访问性限制，并且允许轮换班次以实现更长的工作时间。
• 法规：一个主要问题是缺乏针对 FOW 实践方法的法规和标准化。随着大型风电场的建设，标准访问设计将简化转移并为技术人员提供更多一致性。

直升机访问

与四种考虑的访问方法相比，直升机访问的使用预期差异最大。

• 方法描述：当前的固定式风电直升机转移方法是将技术人员从直升机下放到风力涡轮机顶部的着陆区。由于与移动式子结构相比成本高昂，因此它没有被用作主要转移形式。使用相同的卷扬方法将技术人员转移到浮动式风力涡轮机存在担忧。
• 可访问性考虑：直升机预计仅用于标准转移，当其他转移方法（通常是 W2W 通道）也能够执行转移以防止技术人员被困时。它们主要用于将人员转移到 SOV 船舶和紧急救援。
• 法规：法规在直升机使用中起着重要作用，从着陆（无论是在船舶上还是在风力涡轮机平台上）到所需的安全程序和计划。由于缺乏针对 FOW 的经验，因此预计直升机不太可能成为常规转移方法。

安全和人员因素

技术人员的安全是访问规划的首要任务。常见担忧包括：

• 涡轮机和转移船舶之间的相对运动，使转移复杂化；
• 缺乏针对浮动风电实践方法的当前法规和标准化；
• 子结构设计对访问方法和挑战具有重大且直接的影响；
• 更恶劣的海况条件和更远离海岸的风电场位置影响了可工作时间；以及
• 不一致的技工培训和知识差距。

提高可访问性

提高可访问性是确保一致和可靠转移计划的关键。

• 船舶特定方法：
  • 限制小型船舶：为了减少着陆平台和船舶之间的连接断开率，一些开发商引入了夹紧机构来在转移期间固定船舶。
  • 电气化：与传统的柴油发动机相比，电动马达具有更快的响应时间，这允许电动系统更快地响应力并在恶劣条件下保持接触。
  • 运动补偿和动态定位 (DP) 系统：最大的担忧是，如果通道在转移期间移动，技术人员可能会被“困住”。因此，DP 系统需要比当前海上使用具有更高的响应能力。
• 共享方法：
  • 子结构设计：子结构设计直接影响可访问性。具有较少运动的 designs 被所有方法优先考虑，特别是对于直升机卷扬方法。
  • 多个访问点：拥有多个着陆点被多个利益相关者强调，以提高可访问性并允许在不同海向上优化船舶定位。
  • 着陆位置和连接器形状：开发商和运营商指出，W2W 访问的最困难部分是初始连接。目前的标准做法是让船舶运营商将 SOV 定位在适当的位置，然后手动控制通道到“推”位置，或者让通道推到空间中的固定点。

使用 OrcaFlex 建模评估访问

使用 OrcaFlex 对三种不同的访问方法进行了数值建模。

• 方法：该方法使用 OrcaFlex 对上述不同的访问方法进行建模。OrcaFlex 是用于海上海洋系统动态分析的领先软件包。对于每种访问方法，在 OrcaFlex 中创建了关键结构的再现，并将由于不同的环境载荷条件而引起的结构运动与运动限制进行比较，以评估转移的可行性。
• 直升机访问：对于安全的转移，技术人员必须降落到机舱着陆区，同时直升机与涡轮机叶片保持安全距离。分析侧重于机舱运动，以确定技术人员是否可以安全地降落到机舱着陆区。
• CTV 访问：为了评估 CTV 访问，需要在 OrcaFlex 中复制 CTV 推撞过程与着陆缓冲器。这通过 OrcaFlex 中的不同对象和外部功能（在内部编写）来实现，该功能控制模拟船舶的推进和转向。
• SOV 和 W2W 访问：为了从 SOV 和 W2W 通道建模访问，需要捕获船舶对波浪的响应、船舶的 DP 系统的作用以及通道连接到船舶和涡轮机基础的运动。

FOW 场址条件和风电场运营 KPI 分析

使用内部综合运营和维护、人员、资产和系统模拟 (COMPASS) 工具对两种不同场址的不同天气限制的影响进行了建模。

• 方法：逻辑建模利用了 COMPASS 内部工具。COMPASS 使用蒙特卡洛方法来模拟风力涡轮机故障，并使用历史天气数据来确定何时可以进行维护。
• 案例研究：为每个场址进行了五个案例研究，以说明涡轮机设计和天气限制对访问的影响。每个农场由 100 个涡轮机组成，位于两个位置。
• 结果和讨论：
  • 等待天气：与没有天气限制的案例研究相比，使用 Tp 的三个案例研究（固定基础和 TLP）都有明显的增加。Celtic Sea 场址比 North Scotland 场址有更多的天气日。
  • 转移：案例研究 4（半潜式）在两个场址上都有最少的转移。North Scotland 场址的减少比 Celtic Sea 场址更大。
  • 基于时间的可用性：与没有天气限制的案例研究相比，案例研究 4（半潜式）在两个场址上都有最低的可用性。North Scotland 场址的减少比 Celtic Sea 场址更大。

结论

• 当前访问知识：SOV 带有 W2W 通道通常被认为是 FOW 最有可能和可行的选项。CTV 预计用于靠近海岸或单个维修，当 SOV 目前在海上不活跃时。直升机转移没有被考虑用于标准转移。
• 使用 OrcaFlex 建模访问：建模表明，对浮动风力涡轮机的访问可能因基础设计和选择的访问方法而异。特别是，如果使用直升机或 CTV，半潜式可能比当前的固定基础可访问性低得多。如果使用 SOV，半潜式的访问将与固定基础非常相似，除了在低 Tp 波状态下。
• 使用逻辑建模的访问影响：
  • 波周期：与仅考虑显著波高 (Hs) 相比，当考虑 Tp 时，访问会受到明显影响。建模发现，在具有高 Hs 和短 Tp 的条件下，访问受到最大影响。
  • 子结构设计：半潜式案例研究在两个场址上都有最高的转移和可用性减少。这表明，与 TLP 和固定基础相比，转移到半潜式浮动基础将受到更多限制。
  • 场址位置：Celtic Sea 场址比 North Scotland 场址有更多的天气日。这意味着对于每个案例研究，Celtic Sea 的天气日、转移和可用性都更高。