关于SWATH船型作为中国东南沿海海上风电运维船的可操作性分析研究报告
本研究由Binbin Li（清华大学深圳国际研究生院）、Dongsheng Qiao（大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室）、Wenhua Zhao（西澳大利亚大学海洋研究生院）和Zhenzhong Hu、Sunwei Li（清华大学深圳国际研究生院）共同完成。研究成果以论文《Operability analysis of swath as a service vessel for offshore wind turbine in the southeastern coast of China》的形式，发表于2022年的国际期刊Ocean Engineering（第251卷，文章ID 111017）。
一、 学术背景与研究目标
本研究属于海洋工程与船舶设计交叉领域，具体聚焦于海上风电运维作业的船舶装备技术。海上风电场的运行与维护（O&M）成本高昂，约占全生命周期成本的30%，其中，将技术人员和物资安全、高效地运送到风机是核心挑战。目前，海上风电运维船（Service Operation Vessel, SOV）多由平台供应船（PSV）改造或新建单体船（Monohull）担任。然而，单体船在较高海况下的耐波性（Seakeeping performance）表现平平，直接影响其搭载的步桥（Gangway）动态响应，进而限制了“步行上班”（Walk-to-Work, W2W）作业的天气窗口和整体可操作性（Operability）。运维方通常追求高达95%的可操作性率，这对船舶运动性能提出了极高要求。
在此背景下，小水线面双体船（Small Waterplane Area Twin Hull, SWATH）因其优异的耐波性而成为一种有潜力的新型SOV候选船型。SWATH通过将大部分排水体积置于深水处的两个潜体，并采用细小的穿浪支柱连接上船体，显著减小了水线面积，从而降低了波浪激励力，并拥有较长的垂荡、纵摇和横摇固有周期，有利于避开常见波浪的共振频率，提供更平稳的工作平台。然而，SWATH船型也存在阻尼较低、在特定长波下可能产生较大运动、以及双体带来的定位系统（DP）功耗较高等潜在问题。
因此，本研究旨在深入探讨SWATH船型作为海上风电SOV的应用潜力。核心目标是：通过数值模拟方法，系统分析SWATH船在W2W作业中的可操作性，并将其与尺寸、排水量相似的单体船SOV进行对比。研究重点评估在中国东南沿海（广东、福建、浙江外海三个典型场址）的长期波浪条件下，两种船型在不同作业模式（横向与纵向转移）和不同浪向下的极限波高（Limiting wave height）和可操作性，并定性评估其燃料消耗。最终为SWATH船型在海上风电运维领域的应用提供科学依据和设计优化建议。
二、 研究方法与详细工作流程
本研究采用系统的数值模拟与统计分析相结合的工作流程，主要包含以下几个关键步骤：
1. 水动力与耐波性分析： * 研究对象与模型： 研究选取了一艘总长61米的典型SWATH SOV作为主要分析对象，并选择了一艘总长66米、排水量相近的典型单体船SOV作为对比基准。两船的主要参数（如主尺度、质量特性）均被详细定义。 * 理论方法与工具： 针对SOV现场作业（零航速）的工况，研究采用了基于三维势流理论的频域衍射与辐射计算方法，放弃了考虑航速效应的切片理论。该方法假设流体无粘、不可压缩、流动无旋，通过求解速度势的边界积分方程，计算船舶的附加质量、辐射阻尼和波浪激励力。为了抑制不规则频率的影响，采用了基于零场法的高效方法。所有水动力计算均通过自主开发的软件HYDRA完成。 * 粘性修正： 鉴于SWATH在垂荡和纵摇平面内阻尼较小，研究特别考虑了支柱和潜体周围流动分离产生的粘性阻尼影响。采用经典的莫里森方程，对支柱和潜体施加拖曳力项（拖曳系数Cd设为1.2），并通过随机线性化理论将其等效为线性阻尼，迭代求解运动方程。 * 运动响应计算： 基于线性频域运动方程，计算了船舶在重心处的运动响应幅值算子（Response Amplitude Operator, RAO）。计算中采用了JONSWAP波浪谱，并选取了广东场址98%累积概率对应的有义波高（Hs=2.75米）及其对应峰值周期（Tp=6.67秒）作为代表性海况，以考虑阻尼迭代计算对波浪条件的依赖性。
2. W2W可操作性分析方法建立： * 作业准则与限制： 研究采用了业界通用的W2W作业动态响应限制标准，共7项，包括：步桥底座与垂直面的夹角（γz）、步桥顶端在三个方向的位移（ΔX, ΔY, ΔZ）和速度（ΔVx, ΔVy, ΔVz）。这些限制直接关联船舶运动。 * 作业模式定义： 定义了两种主要的作业模式：横向转移（Transversal transfer，步桥垂直于船舶纵轴，通常位于舯部）和纵向转移（Longitudinal transfer，步桥平行于船舶纵轴，通常位于船尾）。对于纵向转移，进一步考虑了三种配置：LC1（步桥与船向平行）、LC2（步桥与船向成45度）、LC3（步桥与船向垂直，即船尾横向作业）。 * 响应传递与极限波高计算： 基于船舶重心处的运动RAO，通过刚体运动学公式，计算步桥顶端（位于特定 pedestal 位置）的动态响应RAO。结合给定的作业限制，通过短期（3小时）谱分析，采用瑞利分布计算各响应准则的最可能最大值（Most Probable Maximum, MPM）。通过迭代增加有义波高Hs，直至某一响应准则超过限制，从而确定在特定波浪峰值周期Tp和浪向下对应的极限波高H_lim。 * 可操作性预测： 将计算得到的极限波高矩阵（H_lim vs. Tp vs. 浪向）与中国东南沿海三个场址（广东、福建、浙江）的20年长期波浪散布图（Wave scatter diagram）相结合。对于散布图中的每一个（Hs, Tp）区间，若其Hs小于等于该Tp和浪向下的极限波高H_lim，则认为该海况可作业。将所有可作业海况的出现概率相加，即得到该浪向下的可操作性（Operability），即可作业时间百分比。 * DP自动区域定位模式考虑： 为了更真实地反映实际运维中为节省燃料而采用的DP系统“自动区域定位”模式，研究假设船舶艏向可在主要浪向±45度范围内漂移，并按照一定概率分布（主浪向50%，±22.5度各17.5%，±45度各7.5%）计算加权平均可操作性。
3. 燃料消耗定性评估： * 评估方法： 通过计算并比较SWATH和单体船在特定海况下的二阶平均波浪漂移力（Second-order mean drift forces）来定性评估其动态定位（DP）系统的燃料消耗。选取了代表中等海况（Tp的50%分位数）和高海况（Tp的95%分位数）的两组波浪条件进行计算。
三、 主要研究结果
1. 水动力与运动性能对比： * 计算表明，在相同尺寸和排水量下，SWATH的垂荡和纵摇波浪激励力显著小于单体船（垂荡力约为1/3，纵摇力矩在6秒周期后为1/10至1/2）。 * 在运动RAO方面，SWATH在垂荡和纵摇的固有周期附近呈现窄而尖的共振峰，这是由于系统阻尼较小所致。然而，在其固有周期范围之外，SWATH的运动响应远小于单体船。SWATH较长的固有周期使其在常见海况下能有效避免共振。在横摇方面，SWATH未显示出绝对优势，但其较低的横摇固有频率有助于在更多波浪条件下保持可接受的横摇运动。在水平面运动（纵荡、横荡、艏摇）方面，两者差异不大，但SWATH在横浪下的横荡响应更小。
2. 极限波高与可操作性分析结果： * 横向转移模式： * SWATH: 极限波高对浪向不敏感。即使在横浪（90度）下，也未出现如单体船般的急剧下降。这得益于其较小的横荡和非共振的横摇响应。在顶浪或斜顶浪下，由于阻尼较小导致的显著纵摇，其极限波高优势不明显。总体可操作性极佳，在所有浪向下均超过95%（福建最低为96.53%）。 * 单体船： 在横浪及相邻浪向下性能最差，极限波高大幅降低（福建横浪下最低），可操作性降至72.67%-93.49%。但在顶浪及相邻浪向下表现优异，甚至略优于SWATH。 * 纵向转移模式： * SWATH: 在LC1和LC2配置下，可操作性依然优秀，但与横向转移相比，在短周期波浪下因受更严格的纵向速度限制（ΔVx），极限波高有所降低。由于步桥位于船尾，顶浪和随浪下的响应不对称，顶浪时因垂荡与纵摇同相叠加，极限波高更低。LC3配置下，在尾斜浪下性能最差，因为船尾位置放大了由艏摇引起的横向响应。 * 单体船： 纵向转移模式下的可操作性普遍显著下降。LC1配置最差，福建场址在尾斜浪下可操作性低至58.62%。LC2和LC3配置的性能介于横向转移和LC1之间，但整体仍不理想。 * 考虑DP自动区域定位模式： * SWATH: 在各种转移模式和主要浪向下，可操作性均保持在高位（最低为福建LC3下的93.97%），表现出对浪向的强鲁棒性，理论上可实现360度全向作业。 * 单体船： 仅在横向转移的顶浪方向能达到优异水平（>95%）。在纵向转移中，可操作性普遍较差，多数情况下无法达到90%。
3. 燃料消耗评估结果： * 在中等海况（Tp 50%分位数）下，SWATH与单体船的漂移力水平相当，DP系统燃料消耗预计相近。 * 在高海况（Tp 95%分位数）下，SWATH的横荡和艏摇漂移力及力矩显著大于单体船，这表明SWATH在恶劣海况下维持定位可能需要更高的功率，从而导致更高的燃料消耗。
4. 可操作性最大化讨论： * 研究指出，SWATH可操作性的两个“短板”分别对应于垂荡共振周期区（Tp约8.89-10秒）和横摇共振周期区（Tp约12.22秒以上）。 * 针对垂荡共振： 建议通过优化设计来抑制共振响应。一是通过采用更高轴比的椭圆形潜体（增加附加质量）和减小支柱水线面积（降低静水回复刚度）来延长垂荡固有周期，使其偏离常见波浪能量集中区。二是通过加装减摇鳍等阻尼装置直接抑制共振峰值。 * 针对横摇共振引起的横向速度超标： 建议通过优化SWATH的型宽来调整横摇固有周期，使其远离关注的波浪周期区。同时，需精心设计舭龙骨和减摇鳍以增加横摇阻尼。
四、 研究结论
本研究通过系统的数值模拟，得出以下核心结论： 1. SWATH船型作为海上风电运维船（SOV）展现出卓越且稳定的可操作性。在横向和纵向两种转移模式下，其对不同浪向均表现出强鲁棒性，在中国东南沿海三个场址的平均可操作性超过95%，远优于在不利浪向或作业模式下可操作性可能降至60%-80%的单体船。这为船舶设计和作业安排带来了极大的灵活性。 2. 单体船SOV仅在横向转移且面对顶浪时表现出色，应尽量避免横浪作业。纵向转移模式会显著削弱其作业窗口，因此对于单体船，将步桥布置于舯部应作为基准设计。 3. 在中等海况下，SWATH与单体船的燃料消耗预计相近；但在高海况下，SWATH可能因更大的横荡和艏摇漂移力而消耗更多燃料。 4. 通过优化SWATH的几何外形（如采用椭圆形潜体、调整型宽）并加装适当的阻尼装置，可以进一步抑制垂荡和横摇共振，从而最大化其可操作性。 5. 综合来看，SWATH被证明是中国东南沿海海上风电运维领域一种极具吸引力的SOV替代船型。
五、 研究亮点与创新
六、 其他价值
本研究建立并验证的整套频域分析方法与工作流程，可推广应用于其他类型船舶或海洋结构物的W2W作业可操作性评估。研究所使用的中国东南沿海三个场址的长期波浪数据（经处理转换后）及分析结果，可为该区域海上风电项目的运维策略和船型选型提供直接的数据支持和参考。论文中对SWATH运动特性、与单体船对比的详细讨论，深化了对小水线面双体船在特定作业场景下性能表现的理解，丰富了海洋工程船舶设计领域的知识库。