珠海桂山200MW海上示范風電場運營維護船方案

文 | 朱榮華，張亮，龍正如，向君，蔣榮暉

海上風電場設計壽命一般為25年，為了保證海上風電場穩(wěn)定運行，必須對風電機組進行運行檢測與日常維護。在運維過程中，除配備高效率、專業(yè)化維護團隊外，設計符合當?shù)睾Ｓ?、海況的運營維護船（以下簡稱“運維船”）也同樣非常重要。

風電場運營維護船（以下簡稱“運維船”），英文Wind Farm Service Vessel，國際上將此船型縮寫“WFSV”，主要用于運輸維護人員及相關工具等，以便進行風電機組的日常維護。

珠海桂山海上風電場規(guī)劃容量為200MW，位于廣東省南部，與西北珠海海岸最近距離約20km－25km，水深范圍6m－10m，為近海風電場；常見波高0.5m－1.5m，最大波高8.3m，海平面平均風速約3m/s，50年一遇最大風速為69.4m/s，且處在臺風頻發(fā)的南海海域，受臺風影響，易產(chǎn)生災害性大浪。因此，必須結合其特殊的海上氣象條件和水文環(huán)境設計出適合此風電場的運維船，以確保運維的安全性和便捷性。

珠海海上氣候環(huán)境多變，暴雨、臺風、巨浪等惡劣氣候頻發(fā)，運維船需具有在惡劣氣候條件下工作的能力，并能確保海上作業(yè)人員及設備的安全。當海上風電機組出現(xiàn)故障時，要能夠在第一時間內將技術人員運抵現(xiàn)場進行維護，最大程度減少停機時間。因此，運維船必須擁有較高的航度，以實現(xiàn)海上風電場運維的快速反應。

圖1 小型快艇運維船

圖2 載物運維船

運維船種類及運維船對風電場的影響

對于海上風電場的日常維護檢查工作，基于船舶的接近技術是目前較為普遍采取的方式，與直升機等其他方式相比，基于船舶的方式更經(jīng)濟和符合國情。目前，主要有三種比較常見船舶接近型式，包括非接觸型、舷板型和直接接觸型。

本文重點介紹基于直接接觸型船舶的方案。近岸風電場日常維護通常需要1名－2名維護人員到達風電機組現(xiàn)場進行檢查和清潔，由于需要攜帶的運維工具不是很多，因此可以使用小型快艇作為運維船（見圖1）?？焱ЫY構小巧靈活，行駛速度快，適合海上風電機組日常維護工作。對于運輸尺寸和重量比較大的設備，則需載物運維船進行運輸（見圖2）。在運維船艉部甲板布置載貨區(qū)，用于堆放大件設備和運維工具。在左舷船艉上布置液壓折臂吊機，用于設備的碼頭裝載，可不必借助陸上起重機作業(yè)，實現(xiàn)自給。

綜合考慮經(jīng)濟性、安全性及目前我國所處的海上風電場開發(fā)階段等因素，通過調研國外風電運維船產(chǎn)品，并結合我國目前的實際情況，海上風電場運維船參數(shù)要求大致如下：（1）雙體結構船、鋁制或玻璃鋼材料船體。（2）航速在25kn－30kn之間。（3）船艏或船艉配備一個液壓伸縮克令吊。（4）抗風浪一般考慮1.5m－2m浪高。（5）50%－80%氣象條件下可以通達。（6）靠泊方式：船艏頂住風電機組基礎的靠船樁，在風浪大時，主機不能停機，船艏裝有防護橡膠護船邦，部分船還有旋轉梯用于同行。（7）部分船舶配有齒輪箱油的補充系統(tǒng)專用裝置。

珠海風電場運維船運維特點

珠海桂山海上風電場有34臺風電機組，29臺明陽風電SCD3.0兩葉片抗臺型風電機組，正常運行每年需要超過500次人為干預，約3000人次的登機處理。據(jù)DNV船級社的測算，每臺海上風電機組平均每年有高達40次停機故障，整體故障率約3%，大約每20臺海上風電機組就需要一艘專業(yè)的運維船。珠海風電場遇到的困難有，珠江口屬于繁忙的海上交通線，通航受限，通達一般選擇在白天，正常情況綜合珠海桂山海上風電場的海況、氣象條件及維護要求，選擇直接接觸型船舶的運維船方案是一個比較現(xiàn)實可行并且經(jīng)濟的技術方案。

一、船型選擇

海上風電場運維船可采用的船型有單體船、雙體船和三體船。單體船特點有結構重量輕、速度快、吃水可控制的更小、建造成本相對低。但是帶來的甲板作業(yè)面積小，不利于布設克倫吊，也不利于頂部靠泊風電機組，船體窄，運輸能力有限，珠江水系又處于河口，耐波性不好，乘員會感覺顛簸不適，空間狹小，生活設施配備不利，一般適合有效浪高在1m以下的場合；雙體船吃水淺，甲板面積大，布置寬敞，穩(wěn)性好，具有較高的航速，能承受較大的風浪，保證海上作業(yè)時人員的安全，同時雙體船具有良好的操縱性、使用可靠、 維修方便等優(yōu)點，這樣的船體形式，無論在船舶靜止或處于海中的航行狀態(tài)，都可確保較小的移動幅度；三體船有三個片體組成，中間為主船體，尺度約占排水體積的80%－90%，主要特點是中高速阻力性能優(yōu)于單體船和雙體船，適航性優(yōu)于單體船，甲板面積更寬，缺點是結構復雜、重量較大、操縱性能稍差，監(jiān)造、下水、錨泊和進塢都比較苦難，只有極少數(shù)的運維船采用此船型。按照上述特點，珠海桂山海上風電場選用雙體船可以滿足作業(yè)甲板面積大、艏部靠泊方便、操控耐浪的要求。運維船的抗風浪能力越強，風電場的可達性越高。

圖3 雙體船結構設計

珠海桂山海上風電場運維船采用雙體船設計（如圖3所示），下部由兩個瘦長的單船體組成，上部用甲板橋連接，船體內設置動力裝置、發(fā)電機等設備，甲板上部安置上層建筑，內設客艙及配套生活設施等。雙體船把單一船體分成兩個單體，每個單體與同等大小的單體船相比更瘦長，從而減小了水波阻力，可使其擁有更高的航速（約為20kn/h），從珠海港碼頭到桂山島海上風電場1h內能夠到達。

二、船體材質

目前國外運維船船體常用材質為玻璃鋼（FRP）和鋁合金，或者剛柔充氣艇（RIB）。RIB是一種復合材質艇型，但是充氣護舷的壽命較短，且易被尖物損壞，玻璃鋼船使用壽命為10年，鋁合金船使用壽命為20年，綜合考慮船體性能和建造成本，船體可以采用鋼質或者鋁合金材料，上層建筑采用玻璃鋼的復合型船。目前傳統(tǒng)玻璃鋼結構存在剛性不足、強度有余的特點，以及其高昂的開模成本，是其制約因素。針對珠海桂山海上氣象條件和水文環(huán)境，其運維船船體及甲板室均采用鋼質。鋼材硬度高、比重大、加工性能好，可滿足運維船的強度和剛度要求，能承載海上風浪載荷沖擊。與鋼材相比玻璃鋼的剛度和強度較低，在船體結構中剛性不足容易變形，珠海桂山海上風電場常見波高0.5m－1.5m，最大波高8.3m，玻璃鋼運維船難以承載此風電場海上波浪的沖擊。鋁合金是脆硬性材料，韌性差，彈性模量只有鋼材的1/3，硬度低、沖擊性能差，而且鋁合金造價高昂，同等重量的鋁合金價格約為鋼材的3倍－4倍。船體材質按照密度玻璃鋼（1.8g/cm3）、鋁合金（2.7g/cm3）、鋼質（7.8g/cm3）而強度正好相反，因此，鋁合金和玻璃鋼均不宜作為珠海桂山海上風電場運維船船體材質，鋼材將是最優(yōu)選擇。為了保證風電機組基礎靠泊的沖撞強度，避免船體結構的重量增加，最終選擇鋼質船體加玻璃鋼居住區(qū)的方案。

三、主尺度選擇

運維船船寬盡量滿足甲板空間最大和綜合航道經(jīng)驗數(shù)據(jù)最大的需求，船寬控制在5m－6m以內，船長綜合考慮航速、設備和艙室布置及造價等多種因素，確定長為16m－20m，艏部設置可拆卸式液壓登乘梯，艉部設置集裝箱放置區(qū)，作為艉機保護與檢修平臺。航區(qū)為航行于中國沿海區(qū)域的遮蔽航區(qū)，全船結構單底、縱骨架的雙體結構形式，其良好的穩(wěn)性可以保證維護人員安全登上風電機組。運維人員由于不是專業(yè)船員，在海上的耐受時間根據(jù)研究顯示為1h，最長不會超過80min，因此考慮到到達機位距離時間設計航速為20kn，續(xù)航能力為160kn。船體參數(shù)見表1。

四、功能設置

海上風電機組與陸上風電機組最大區(qū)別在于兩者所處的位置，由于海上風電機組的基礎位于海上，增加了許多不利于運維船靠近風電機組基礎的工況，增加了海上風電場運行維護的難度，由于海上風電基礎平臺至海平面的高差大，運行維護船在海上受風、浪、流的影響下，較難精確定位。因此，為了保障運維安全需要以下幾種方案解決上述問題。

（一）“弓形和靠船” 設計

在海上風電機組運維過程中，當運維人員從運維船跨上風電機組基礎懸梯登上風電機組島時，受到波浪影響，船只和基礎間會產(chǎn)生比較大的相對運動，會對人員安全造成威脅。為了保證運維人員安全登上風電機組，在運維船和靠船裝置間采取“弓形船首”（如圖4所示）的特殊設計，船艏設置成凸型，并安裝橡膠護舷，將運維船前端的弓形部分推入風電機組島懸梯防撞護欄橫檔間固定，同時運維船保持足夠的推力，使運維船與導管架間接觸保持靜止，以保證運維人員安全登上風電機組島平臺。

（二）可拆卸式液壓登乘梯

珠海桂山海上風電場采用導管架基礎，所以在船艏位置布置可拆卸式液壓登乘梯（圖5），用于方便運維工程師登上風電機組基礎平臺，當運維船前段凸形，推入風電機組基礎的防撞靠船裝置時，打開伸縮梯，運維工程師可以避開風電機組基礎海生物的滋生區(qū)域，安全可靠地登至風電機組島平臺，降低海上風電場運行維護的難度，保障運維工程師的安全。液壓登乘梯需要適應不同的工況，采用伸縮和可拆卸的方式，伸縮部分包括固定段和活動段，固定段固定在運維船上，活動段與固定段滑動連接，伸縮控制通過液壓系統(tǒng)實現(xiàn)。

表1 船體參數(shù)表

圖4 凸點與靠船邦

圖5 可拆卸式液壓登乘梯示意圖

（三）甲板載貨

海上風電機組的正常工作須由多種復雜機電設備相互緊密配合完成，這些設備包括電機、葉片、齒輪箱等，而每個設備又由更小的原件組成，所以運維船艉部甲板布置有甲板載貨區(qū)，可用于堆放集裝箱等大尺寸部件，同時對風電場內機組可能發(fā)生故障的部件尺寸和重量進行統(tǒng)計，以保證裝載的可容納性。

五、推進方式選擇

高速船常用的推進方式有螺旋槳和噴水推進。就運維船的特性而言，噴水推進總效率比螺旋槳低20%，加上價格和系統(tǒng)重量方面原因，采用螺旋槳推進應較為合理、可行。盡管噴水推進具有保護性好、工況變化適應性強、引起的振動小等優(yōu)點，但難以彌補上述三個方面的缺點。

螺旋槳采用巴普米爾的快艇螺旋槳設計標準，比較經(jīng)濟的是一對三葉槳，但由螺旋槳引起的葉頻脈動會導致較大振動，所以如果經(jīng)濟上沒有問題，采用鷹翅型大側斜（390）五葉漿，會對減小振動有明顯效果。

結語

珠海桂山海上示范風電場作為國內第一個使用導管架基礎的風電場，又處在臺風頻發(fā)的南海海域，復雜的氣候和水文環(huán)境給運營維護帶來很大困難，為此，本文結合其特殊的海上氣候和水文環(huán)境設計出適合此風電場的運維船，以滿足大部分日常運維需求，風電場定檢和維護的快捷性、安全性、經(jīng)濟性，為國內未來的海上風電場運維船設計提供一些經(jīng)驗和參考依據(jù)。專業(yè)運維船的使用，將提高海上風電場運行維護的安全性和便利性，提高工作效率。