DNV与业界伙伴一起在更严酷的环境中实现海上风电安装安全作业开发了新的理论框架。这项工作是关于底部冲击和部分淹没条件的联合工业开发项目（JIP）第一阶段的成果。第二阶段将邀请更多新的合作伙伴加入，并将专注于模型验证并建立通用且实用的推荐指南。
由于风电安装平台（WTIV）的支腿与海底存在严重冲击风险，导致船体或货物的结构损坏，因此当前海上风机的安装只能在极佳的天气条件下开展。
如果天气变糟，安装船必须等到天气好转后才能复工。“然而，高昂的日租金导致延误成本非常高，而且随着行业逐步走向天气更恶劣、海床（土壤）条件更严苛的新领域，扩大作业窗口以便更有效地开展作业的压力也随之加大”，JIP专业委员会主席、来自GustoMSC的Andries Hofman表示。
此外，有地震风险的地区也需要新的操作理念，例如在半起升工况下通过WTIV操作起重机。
JIP开启了WTIV安全与高效作业的通用路径
由于缺少船级社指南和合适的模型来充分了解和评估安装平台在半起升工况下的底部冲击力及操作情况，这项JIP于2020年11月诞生。“目的是研究WTIV的操作极限以及潜在的新操作理念。
在推动能源安全的过程中，降低安装成本对于减少海上风能平准化成本来说至关重要。但在这个‘时间就是金钱’的过程驱动型行业里，突破建立在正确知识基础上的边界极为关键。如果仅靠有限的数据就想这么做是相当冒险的”，Hofman说。
第一阶段开展的工作
在JIP所有参与方的共同输入下，DNV开发了一个精准预测底部冲击力的数值模型。操作者能评估各种情形下的极限海况，安全下放自升式支腿，并且没有船舶、货物或环境受破坏的风险，也不会危及船员。它适用于现有和新建的WTIV，从设计阶段开始就能保障船舶在合理的工况范围内运作。
“这款强大的数值模型综合了船舶航向、天气和土壤条件以及WTIV的强度，可以拓展WTIV安全安装作业的天气窗口”，DNV技术顾问、业务主管兼JIP项目经理Antonio Goncalves介绍，“硬土比软土的冲击力更大，强风巨浪则会加剧冲击事件。船舶在深水中的运动特征也不同于浅水。岩土、水动力和环境条件必须与特定WTIV的结构能力相匹配。”
半起升工况下的操作是否可行？
该JIP还考虑了WTIV在半起升条件下的载荷与运动情况，即支撑在海底的支腿以及部分淹没工况下的船体。这尤其适用于容易发生地震的区域，此时作业者更希望WTIV船体尽可能接近水面。
“目前在吊装风机和安装叶片时，还存在涉及（土壤）液化和惯性/位移的一系列挑战。我们需要考虑塔体、风机以及船舶的运动。如果无法在运动和基础投入之间找到平衡，半起升作业可能面临安全性挑战。这个问题有待进一步的工程计算，我们希望未来DNV能给予适当指导”，RWE Renewables公司的海洋专家Benjamin Haak说。
全尺寸仪器测量可验证模型的输出结果
然而，预测性模拟仅是获得最终解决方案的维度之一。另一维度是运用全尺寸仪器（传感器）测量来验证实际工况的模型输出结果。“预测的受力情况还没有与实际操作中测得的受力挂钩。这是大幅提升WTIV操作性的关键领域”，Goncalves指出。
第三个维度是编制影响结构失效可能性的安全系数。JIP的结论是，在某些工况下结构失效的概率相对更高。“我们已经了解到关于模拟和不同参数效应的相互关系，但仍然需要更深入理解保障安全操作所需的适当安全系数。通过洞悉理论模型的验证以及适当的安全因素，我们就可以从更高的操作效率、新的操作理念和设计等方面获得巨大效益”，Goncalves说。
第二阶段工作将提供更多价值
目前，DNV正提议开展JIP第二阶段工作。暂定范围包括了底部冲击和部分淹没模型的校准、安全系数的校准、改善土壤模型、进一步评估部分淹没工况下的吊臂/吊钩运动、在位中使用的运动标准以及制订相关导则。
“借助强大的团队合作，我对于下一阶段为各方提供更多价值充满信心”，Goncalves说。“我们的目标是用真实数据对模型加以基准化，总结出完整的安全系数，成为用于公平竞争环境中最佳推荐指南”，Hofman说。
全尺寸测量可在提升操作效率方面带来巨大好处。
保障数据共享和保密
为确保数值模型的可靠性，数据来自在良好天气和恶劣天气下工作的多个安装平台，包括现场土壤条件的开发商/承包商数据、甚至来自风机的整机厂商的数据。来自Fred.Olsen Windcarrier公司的Jan Sand Schanke-Jørgensen表示，全行业对于全面掌握相关情况有很大兴趣，包括进入市场的玩家。“例如，如果一些平台被证明尺寸过大，那么可以通过减少钢材用量来降低成本，同时让甲板上容纳更多设备。减排也是确保整个安装生态系统尽可能高效的关键因素之一。”
尽管在改善WTIV操作性和避免损坏方面有明确的数据提供商业案例，但人们对于私有数据共享后可能产生的后果仍有顾虑。Goncalves强调DNV会把所有数据视作保密数据，只分享由此开发出的推荐指南。
参与方对“创意舞台”表现出热情
各参与方对JIP进程表示了一致赞赏。积极的反馈意见有：“能坐下来讨论重要的话题，而不受内部商业驱动，这样很棒。把关注点放在对人员、资产和环境的关键安全问题是这个项目成功的原因所在”，Sand Schanke-Jørgensen指出。
Van Oord Offshore Wind公司的首席工程师Kevin van de Leur说：“我们之前尝试过这种现场评估分析，但很难单独完成。通过合作，我们可以开发出让每个人都有信心的通用行业标准。”
主要利益相关方正联手制订通用的行业标准，以提高海上风机的安装效率。
豪氏威马设备（Huisman Equipment）公司的研发经理Eric Romeijn补充说：“我们认为模拟底部冲击对于进一步优化豪氏威马新一代的海上WTIV起升系统至关重要。我们期待第二阶段的JIP能有更多成果，为安全可靠的自升式平台作业做出贡献。”中集来福士研发中心总监及营销中心总监傅强也表达了类似看法。“我们对参与这个JIP感到自豪，并期待继续这项工作”，他说。
Ørsted公司总包运营部WTG安装资深首席专家Eduard Lopkov补充说，作为价值链上重要的利益相关方，Ørsted公司一直对于参加JIP非常挑剔。“但这个项目可以显著改善作业状况，探索了之前尚未充分开发的领域。我们可以结合自身知识，创建严格的标准和可靠的预测模型，让自升式平台变得更安全，同时减少因天气怠工的因素。”
“在公平竞争环境方面，统一的推荐指南让采购流程变得更简单。这适用于无论冬季还是夏季作业以及各种海底条件，我们已经看到项目作业环境包括从砂石底到更困难的重粘土和岩石土壤，乃至更深的海域。在数据共享方面，DNV在管理私人数据方面一直表现卓越。我们期待下一阶段制订的具体指南，能让所有人获益。”
知识共享是最好的形式
在未来很长一段时间里，JIP的工作对风电安装行业都有很大的相关性，因为需要自升式平台安装的固定式风电场仍具有最高的性价比，并让能源结构变得多元化。“市场的发展速度要快于规范的发展，想要取得重大进展，唯一的方法是知识共享”，Goncalves说，“我们的目标是开发出可靠的、容易获取的推荐方案。通过更好地了解特定地点的受力情况，我们可以在更恶劣的海况中提升绩效和安全性，实现更高效、更及时的涡轮机安装，这对于整个行业来说是一个重大机遇。”
敞开大门，欢迎新合作方加入
Goncalves强调，JIP正向更多的合作伙伴敞开大门，可以是能源公司、安装作业方、设计公司和船厂、起重机制造商或风机厂商。相信各方都会从中受益，包括减少项目延迟、事故和已安装设备损坏的风险，降低交易成本，确保导则中考虑了特定的问题和目标，并有机会与各领域的领导者建立合作网络。
