風(fēng)電安裝船功能及經(jīng)濟(jì)性分析

郝金鳳，強兆新，石俊令

(中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司，北京 100081）

風(fēng)電安裝船功能及經(jīng)濟(jì)性分析

郝金鳳，強兆新，石俊令

(中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司，北京 100081）

隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，風(fēng)電安裝船需求越來越大，并且風(fēng)電安裝船是高附加值工程船，因此這一市場的吸引力越來越受到造船界重視，競爭越來越激烈。本文梳理了風(fēng)電安裝船當(dāng)前在國內(nèi)外的應(yīng)用和訂造情況，分析了風(fēng)電安裝船功能與造價的經(jīng)濟(jì)性，總結(jié)其功能配置的影響因素。為把握風(fēng)電安裝船發(fā)展趨勢，推出適應(yīng)市場需求的設(shè)計方案提供參考。

海上風(fēng)電;風(fēng)電安裝船;風(fēng)電安裝船功能;風(fēng)電安裝船經(jīng)濟(jì)性;風(fēng)電安裝船造價

0 引言

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，其發(fā)電成本穩(wěn)定，沒有碳排放等環(huán)境成本，在全球范圍內(nèi)分布廣泛。隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，海上風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為世界新能源發(fā)展的熱點。到目前為止，13個國家建立了海上風(fēng)電場，其中10個在歐洲，另外3個分別在美國、中國和日本。歐盟風(fēng)能協(xié)會 (EWEA）最新發(fā)布《潔凈電力:2020和2030年風(fēng)能目標(biāo)》研究報告，該報告認(rèn)為風(fēng)能年投資額將從2010年的127億歐元增長至2020年的266億歐元，到2020年，40%的風(fēng)電投資將流入海上 (離岸）風(fēng)電場。至2012年歐盟新建海上風(fēng)電發(fā)電量增長至5 000 MW，海上風(fēng)電機(jī)組增長近300個，達(dá)1 662臺。據(jù)美國《新科學(xué)家》雜志報道，為大力發(fā)展可再生能源，日本擬于今年7月起在距福島市16 km的沿海建造共有143個風(fēng)力渦輪機(jī)的全球最大海上風(fēng)力發(fā)電場，進(jìn)而擺脫對核能的依賴。

根據(jù)“十二五”規(guī)劃，到2015年，全國風(fēng)電規(guī)劃裝機(jī)90 GW，其中海上風(fēng)電5 GW，形成海上風(fēng)電的成套技術(shù)并建立完整產(chǎn)業(yè)鏈;2015年后，中國海上風(fēng)電將進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段，達(dá)到國際先進(jìn)技術(shù)水平;到2020年全國風(fēng)電規(guī)劃裝機(jī)150 GW，其中含海上風(fēng)電30 GW。日前發(fā)布的《中國風(fēng)電發(fā)展報告2012》指出，中國海上風(fēng)電建設(shè)有序推進(jìn)，上海、江蘇、山東、河北、浙江、廣東海上風(fēng)電規(guī)劃已經(jīng)完成;遼寧大連、福建、廣西、海南等地的海上風(fēng)電規(guī)劃正在完善和制定。完成的規(guī)劃中初步確定了43 GW的海上風(fēng)能資源開發(fā)潛力，目前已有38個項目、共16.5 GW在開展各項前期工作，其中除首輪特許招標(biāo)的4個風(fēng)電項目以外，還有8個項目已核準(zhǔn)2013年開工建設(shè)或獲得前期研究工作批復(fù)。

海上風(fēng)電設(shè)備的運輸與安裝需要較高的技術(shù)支持，由具有可靠作業(yè)能力的裝備來完成。風(fēng)電安裝船 (Wind Installation Vessel，WIV）是一種全新的海洋工程船舶，主要用于海上風(fēng)電設(shè)備的運輸和吊裝，它將運輸船、海上作業(yè)平臺、起重船以及生活供給船的各項功能融為一體，可以獨立完成上述運輸和安裝作業(yè)。風(fēng)電安裝船具有附加值高，造價高、設(shè)計建造難度大的特點。目前國內(nèi)外建造的先進(jìn)的第三代風(fēng)電安裝船的設(shè)計技術(shù)全部來自國外，因此，開展風(fēng)電安裝船功能影響因素及功能與經(jīng)濟(jì)性分析研究，為承接訂單、進(jìn)入風(fēng)電安裝船設(shè)計的市場做技術(shù)準(zhǔn)備，進(jìn)一步提升我國海洋工程船舶自主設(shè)計能力，滿足未來海上風(fēng)電設(shè)備安裝、維護(hù)的需要。

1 風(fēng)電安裝船發(fā)展概述

1955年，由美國Dean兄弟公司設(shè)計建造的第1艘自升自航船問世。風(fēng)電工程船發(fā)展可以分為3個階段 (見表1）。第1代，沒有專門的風(fēng)電工程船，由已有的起重船和工作駁船等聯(lián)合作業(yè);第2代，具有自升功能的駁船或平臺但不具有自航功能;第3代，具有自航、自升、起重功能的專用風(fēng)電工程船。目前國外專業(yè)的海上風(fēng)電安裝公司建造的風(fēng)電安裝船屬于第3代風(fēng)電安裝船，用于風(fēng)電場的安裝、維護(hù)工作及其他海上支持作業(yè)。具有安全性、高效率、長期使用性等優(yōu)點。

表1 風(fēng)電安裝船發(fā)展階段劃分Tab.1 The division phases of wind turbine installation vessel

在第3代風(fēng)電安裝船發(fā)展之初，具有自升、自航、起吊功能的專用安裝船都是由其他船舶改裝而來。例如總部位于丹麥的A2SEA公司，與丹麥的主要風(fēng)機(jī)制造商相毗鄰，是專業(yè)提供海上風(fēng)機(jī)運輸、安裝和維修服務(wù)的公司。目前該公司大約占據(jù)了世界75%的海上風(fēng)機(jī)安裝市場的份額。A2SEA公司在2001～2002年期間將2艘姊妹貨船“Ocean Ady”號和“Ocean Hanne”號改裝成2艘海上風(fēng)電機(jī)組安裝船“Sea Energy”號和“Seapower”號。

這些改裝而來的風(fēng)電安裝船具有以下優(yōu)點;

1）不需要拖航，效率高，價格低，可以單獨完成海上作業(yè)任務(wù);

2）海上作業(yè)時，樁腿立于海底，船體升到水面以上，工作穩(wěn)定;

3）甲板空間大，能布放便攜式或模塊式海上施工設(shè)備，作業(yè)時將設(shè)備安放在船上，工作完成后卸下來，通用性好。

改裝的風(fēng)電安裝船缺點是主尺度較小，甲板承載能力、吊裝能力等有限。隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，對專用的安裝船需求越來越大，功能要求越來越高。世界上第1艘風(fēng)電安裝船“五月花 (現(xiàn)更名為MPI Resolution）”在2004年2月交付使用，該船在山海關(guān)船廠建造，由丹麥Knud.Hansen A/S公司設(shè)計，Gusto MSC負(fù)責(zé)樁腿液壓設(shè)備設(shè)計。目前，已有21艘風(fēng)力發(fā)電設(shè)備專用安裝船和5艘在建的風(fēng)電安裝船 (見表2）。

國外船東專門建造的風(fēng)電安裝船集運輸、自航、自升、起重、動力定位等功能于一體，獨立完成海上風(fēng)電設(shè)備安裝工作。具有以下的特點:

1）配置有較大起重能力和起吊高度的起重機(jī)。

2）具有較大的甲板空間。以用于運輸海上風(fēng)電機(jī)組的各組成部分。

3）設(shè)置了定位或起升用樁腿，用以保證起吊和安裝精度，并擴(kuò)大了安裝作業(yè)對環(huán)境條件的適應(yīng)性。

4）作業(yè)就位和移位不需要拖輪拖行，節(jié)省大量拖航費用。

5）操作機(jī)動、靈活，可避開不良海況條件，安全可靠。

6）體現(xiàn)多用途功能，通用性好，可做很多其他工程，如:海上設(shè)備吊裝、平臺建造、海上維修等。

表2 專用風(fēng)電安裝船Tab.2 The specialwind turbine installation vessel

國內(nèi)船東建造的風(fēng)電安裝船一般還處于第2代和第3代之間，起重船或自升安裝平臺的特點明顯。另外無自升功能的專用雙體風(fēng)電安裝船也是另辟蹊徑的解決方案。

目前已建和在建的第3代風(fēng)電安裝船中，船東和設(shè)計公司均來自歐洲，與此同時，承擔(dān)建造任務(wù)的船廠基本都在亞洲。只有新加坡吉寶遠(yuǎn)東船廠承建的風(fēng)電安裝船是自主設(shè)計。

2 風(fēng)電安裝船功能與造價經(jīng)濟(jì)性分析

海上風(fēng)電設(shè)備安裝作業(yè)所需要的六大功能包括:風(fēng)機(jī)運輸、動力定位、船體提升、吊裝風(fēng)機(jī)設(shè)備、打樁和作業(yè)人員起居。是建造六合一的全能型的先進(jìn)的風(fēng)電安裝船還是建造二合一、三合一等的功能相對單一但是造價低的簡易型風(fēng)電安裝船，這取決于投資預(yù)算、風(fēng)場特點和吊裝方式等因素的綜合考慮。從表2所示的風(fēng)電安裝船資料可以看出，國內(nèi)外船東訂造的風(fēng)電安裝船的功能有較大差別，這也直接導(dǎo)致造價不同。

目前國外船東訂購的都是功能先進(jìn)的第3代風(fēng)電安裝船，并且配置800 t以上的重吊，具備搭載5 MW及以上大風(fēng)機(jī)的能力，并且兼顧海洋平臺維護(hù)等作業(yè)功能。一般采用分步式吊裝方式，獨立完成風(fēng)電設(shè)備運輸、安裝、維護(hù)的任務(wù)。這些風(fēng)電安裝船訂單造價較高，都在1億美元以上，甚至超過2億美元。國內(nèi)船東建造的風(fēng)電安裝船主尺度小、具有自升功能或自航功能，需要其他工程船協(xié)助完成風(fēng)電設(shè)備安裝工作。特點是初投資小。風(fēng)電安裝船的功能與造價密切相關(guān)，在總造價預(yù)算一定的情況下需找到功能性與經(jīng)濟(jì)性的平衡點。因此國內(nèi)外船東訂造的風(fēng)電安裝船有很大差異。以1艘配置850 t起重機(jī)、采用4條殼體式液壓樁腿的風(fēng)電安裝船為例，原材料和設(shè)備造價構(gòu)成如圖1所示。

圖1 風(fēng)電安裝船原材料和設(shè)備造價百分比Fig.1 Material and equipments’percentage of wind installation vessel

從圖1可看出，起重設(shè)備在總的設(shè)備造價中占比例最大，吊裝對于風(fēng)電安裝來說是必需的功能，并且隨著風(fēng)電設(shè)備大型化的發(fā)展，起重設(shè)備的起吊能力要求越來越高，造價也隨之提高。另外，樁腿、主機(jī)在原材料和設(shè)備總造價中也占有很大比重，國內(nèi)船東為了降低總造價，在這2項功能中二選一。從表1可看出，國內(nèi)船東訂購的6艘風(fēng)電安裝船都反映了這一特點。

3 風(fēng)電安裝船功能影響因素分析

風(fēng)電安裝船形式多樣，功能不盡相同，造價也有較大差異，需要綜合考慮以下因素在功能性和經(jīng)濟(jì)性相互平衡中找到最佳方案。

3.1 風(fēng)場情況

海上風(fēng)場正在經(jīng)歷從淺水區(qū)域向深水區(qū)域發(fā)展。如圖2和圖3所示。

圖2 海上風(fēng)場水深示意圖Fig.2 Sketchmap of offshore wind farm water depth

圖3 海上風(fēng)場水深預(yù)測 (資料來源:GL）Fig.3 Forecast of offshore wind farm water depth(source:GL）

不同的工作水深對風(fēng)電安裝船樁腿設(shè)計影響很大。在潮間帶，風(fēng)電安裝船不需要安裝樁腿，可以采用座底的方式為安裝作業(yè)提供穩(wěn)固的平臺;在淺水區(qū)域可以采用殼體式或桁架式樁腿，當(dāng)水深超過60 m時，則只能采用桁架式樁腿配備齒輪齒條升降系統(tǒng)，造價昂貴。從圖3中可以看出在英國水深30～50 m的風(fēng)場在未來的10年中將是主力，則價格較低的殼體式樁腿仍將占領(lǐng)主要市場。這也與表1的風(fēng)電安裝船樁腿形式的統(tǒng)計相符。除此之外，風(fēng)場水深也決定了風(fēng)機(jī)樁基的不同型式。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式主要包括單樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、吸力桶式基礎(chǔ)、三腿支架式基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、浮式基礎(chǔ)等，如圖4所示。目前國內(nèi)外所開發(fā)的風(fēng)電場大都不超過40 m水深，一般采用的仍是單樁式基礎(chǔ)，可承載2～5 MW風(fēng)機(jī)。隨著風(fēng)場水深的加大和風(fēng)機(jī)尺寸增加，三角架式和桁架式樁基將占更大的份額，如圖5所示。不同的樁基形式對風(fēng)電安裝船的運載能力有影響并且決定了是否需要具有打樁功能。各國風(fēng)場的發(fā)展一般都是從淺水區(qū)向深水區(qū)發(fā)展。

圖4 海上風(fēng)機(jī)樁基型式示意圖Fig.4 Sketchmap of offshore wind turbine foundation

圖5 海上風(fēng)機(jī)樁基型式變化趨勢 (資料來源:GL）Fig.5 Development trend of offshore wind turbine foundation(source:GL）

為了降低海上風(fēng)電運營成本，風(fēng)機(jī)單機(jī)發(fā)電量越來越大，風(fēng)機(jī)大型化，對風(fēng)電安裝船起重能力、裝載風(fēng)機(jī)能力要求越來越高;另外隨著風(fēng)電并網(wǎng)等技術(shù)的逐步成熟，風(fēng)場規(guī)模越來越大，如表3所示。初期安裝作業(yè)、后期維護(hù)作業(yè)工作量越來越大，多功能單船獨立作業(yè)還是多條單功能工程船配合作業(yè)的性價比也在不斷變化，這都影響風(fēng)電安裝船功能配置、設(shè)計方案的定型。

表3 風(fēng)場規(guī)模 (資料來源:GL）Tab.3 The scale of offshore wind farm(source:GL）

3.2 上部機(jī)組安裝方式

目前國內(nèi)外海上風(fēng)機(jī)安裝方式主要有整體吊裝和分體安裝2種。

整體吊裝方式是將塔架、機(jī)艙和葉片在陸地上組裝好，利用船舶運輸?shù)桨惭b現(xiàn)場，采用“一體式”的整體起吊安裝到基礎(chǔ)上，可減少海上的高空作業(yè)，縮短海上安裝的時間，但對安裝船的起吊能力和機(jī)組的運輸提出了很高的要求。我國東大橋風(fēng)電項目就是采用這種安裝方式。一般采用大型重吊船、拖船配合施工，如圖6所示。

圖6 海上整體吊裝方式Fig.6 Integer installationmode for offshore wind turbine

分步吊裝方案中塔筒單獨安裝，而機(jī)艙和葉片安裝又有多種方式，主要包括“三葉式”和“兔耳式”2種。分體安裝海上作業(yè)時間長，尤其是“兔耳式”安裝對天氣條件敏感，優(yōu)點是對起吊能力要求低?，F(xiàn)在國外船東主要采用分步吊裝這種安裝方式，如圖7所示。

圖7 海上分體吊裝方式Fig.7 Step-by-step installationmode for offshore wind turbine

目前出現(xiàn)了一種整體運輸、整體安裝的方式或稱為“一步式”安裝方法。這催生出新型風(fēng)電安裝船 (見圖8），這種船具有自航能力，能搭載1～3臺組裝好的風(fēng)機(jī) (包括塔筒、機(jī)艙、葉片），配置專門固定設(shè)備、起重設(shè)備或?qū)ｉT的安裝設(shè)備，如圖8所示。這種安裝方式最大限度地減少了海上作業(yè)時間及作業(yè)人數(shù)，效率高，成本低。但是這種特定的安裝船用作其他海上作業(yè)的通用性受限制。

圖8 “一步式”安裝方法 (雙體安裝船）Fig.8 One-step installationmode for offshore wind turbine

除了上面介紹的風(fēng)場、安裝方式這2個主要影響因素以外，投資預(yù)算、其他海洋作業(yè)兼顧性等因素也會導(dǎo)致風(fēng)電安裝船功能的差異，最終反映到造價的不同。

4 結(jié)語

風(fēng)電安裝船是高附加值的工程船，并且隨著海上風(fēng)電的發(fā)展其市場吸引力越來越大。目前國內(nèi)外船東訂購的風(fēng)電安裝船各有特點，其決定因素仍是造價。在滿足海上風(fēng)場實際需求的基礎(chǔ)上，合理配置其功能，掌握核心設(shè)計、建造技術(shù)，逐步實現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)化，降低總造價是爭取國內(nèi)外訂單的有效手段?？梢詮囊韵聨追矫娌扇〈胧?

1）根據(jù)海上風(fēng)場實際情況，自航、自升功能二選一?！叭A爾辰”號雙體風(fēng)電安裝船是有益的探索。

2）在滿足使用要求的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計造價低的樁腿及升降系統(tǒng)。如中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院設(shè)計的“摩擦式絞車鋼絲繩復(fù)滑輪組”升降系統(tǒng)和殼體式樁腿。

3）通過與國外知名設(shè)計公司合作，掌握關(guān)鍵設(shè)備的核心設(shè)計、建造技術(shù)。如中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司與F＆G進(jìn)行的“大負(fù)荷升降系統(tǒng)”國際合作項目是有效、快捷的填補該領(lǐng)域國內(nèi)技術(shù)空白的有效途徑。

4）研制適用于風(fēng)電安裝船的高效的專用設(shè)備，提高其船上設(shè)備國產(chǎn)化，降低總造價。如海上大負(fù)荷吊裝設(shè)備、專用打樁機(jī)、專用風(fēng)機(jī)塔筒安裝設(shè)備等。

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Functionality and econom ic analysis of wind turbine installation vessel

HAO Jin-feng，QIANG Zhao-xin，SHIJun-ling
(China Ship Design and Research Center Co.，Ltd，Beijing 100081，China）

With the rapid development of offshore wind industry，the wind turbine installation vessel(WTIV）growing demand，and this type of ship is the high value-added engineering ships，so themarket for the shipping industry has been more and more attractive，more and more intense competition.This paper reviewsWTIV applications and custom-made situation at home and abroad，analyzes the functional and economy ofWTIV and summarizes the influence factors of functional configuration.Offering a reference to grasp the development trend ofWTIV and introduce the design tomeet themarked demand.

offshore wind farm;offshore wind installation vessel;functions of WIV;economic of WIV;cost ofWIV

U674.3

A

1672－7649(2014）05－0049－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.010

2013－02－20;

2013－07－24

科學(xué)技術(shù)部國家國際科技合作項目

郝金鳳(1978－），女，工學(xué)碩士，高級工程師，從事船舶及海洋工程設(shè)計與研究工作。