福建省海上風電場運維船論證研究

福建福船投資有限公司 李 達

福建省海上風電場運維船論證研究

福建福船投資有限公司 李 達

通過比較和分析歐洲海上風電場、國內(nèi)海上風電場運維船的使用情況，結(jié)合福建省海上風電場運維的特性，研究海上風電場運維船的環(huán)境適應(yīng)性、坐灘能力、船型論證、航船評估、護舷設(shè)計等問題，為福建省海上風電場運維船的設(shè)計、研發(fā)工作提供合理、可靠的論證方案。

風電場 運維船 選型

目前，國內(nèi)海上風電場大多建在水深10m左右的近海，氣候條件較陸地嚴酷，受到臺風、海浪等惡劣自然環(huán)境影響，風機部件失效加快、機械及電氣系統(tǒng)故障率上升[1]。與陸上風電場運維不同，海上風電場的運維涉及范圍較廣，其中海上作業(yè)內(nèi)容包括海上風機主機、塔筒、基礎(chǔ)、海底電纜、海上升壓站的日常管理與維護，考慮到作業(yè)海況的不確定性，其日常運維需要專業(yè)運維船舶提供保障。

運維船需滿足海上風電場運營維護的專業(yè)化及特殊性要求，為海上風電場提供快速通勤服務(wù)。特別是遇到復(fù)雜海況時，海上風電場失效率變高，故障停運時間增長，為確保風電場能夠安全、高效的運行，需要依靠運維船將專業(yè)技術(shù)人員安全、快速的運抵現(xiàn)場，進行設(shè)備檢修，為海上風電場正常作業(yè)提供保證。

1 歐洲海域載人運維船

目前，歐洲海上風電場運維船舶基本上為小型雙體船，其船長范圍為20～30m，設(shè)計航速能達25kn，可載運維人數(shù)12人，其作業(yè)海況一般為3級，船體結(jié)構(gòu)通常采用鋁合金或玻璃鋼材質(zhì)。此類船舶通常配有甲板吊機，用于日常運維貨物吊裝。由于具有較好的快速性、耐波性和操縱性，在歐洲海上風電運維市場得到了快速發(fā)展并成為主流日常運維船船型，如圖1所示。歐洲某海上風電場運維船技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 歐洲海上風場運維船

表1 歐洲某海上風電場運維船技術(shù)參數(shù)示例

考慮到港口環(huán)境、潮汐狀況、風電場離岸距離的差異，目前歐洲海上風電場也配有一些特種雙體船和快艇等運維船舶，形成了比較完整的日常運維配套船舶系列。如小水線面雙體船，通過優(yōu)化船體水下線型，減少船體阻力，此類船舶具有更好的耐波性、失速小、航速高、舒適性好、甲板作業(yè)面積等特點[2]，但相對而言，此類船舶續(xù)航能力較弱，造價成本較高，如圖2所示。

圖2 小水面線雙體船

此外，鑒于特殊情況下只需要較少工作人員快速抵達現(xiàn)場即可完成運維作業(yè)，歐洲部分風電場還配有快艇，快艇在快速性和便捷性具有一定的優(yōu)勢，但由于限制于可攜帶工具有限、受波浪干擾較大、可作業(yè)天數(shù)較少、安全性不佳等因素影響，該類船舶無法大規(guī)模應(yīng)用，可作為運維船的補充，如圖3所示。

圖3 海上風場運維快艇

2 國內(nèi)海域載人運維船

國內(nèi)海上風電場建設(shè)起步較晚，海上風電運維處于探索階段，專用配套運維船舶也相對較為簡單，數(shù)量較少，集中在江蘇如東、上海東海大橋海上風電場。主要包括龍源運維1號、新能海裝1201號、東海001號等海上風電場運維船。

龍源運維1號運維船主要用于江蘇如東潮間帶及近海風電場日常作業(yè)，該船為鋼制雙體船，其中船長13.4m，型寬4.2m，設(shè)計吃水0.95m，可搭載人員為12人，其最大航速為11kn，配有甲板吊機，具有一定的坐灘能力，可通過頂靠或側(cè)停靠靠近樁基礎(chǔ)并實現(xiàn)登靠，如圖4所示。

圖4 龍源運維1號運維船

新能海裝1201號運維船主要用于江蘇如東海上風電場運維作業(yè)，該船為鋁制雙體船，其中總長13.4m，型寬4.2m，設(shè)計吃水0.75m，可搭載人員為12人，最大航速15kn,如圖5所示。

圖5 新能海裝1201號運維船

東海001風電運維船目前服務(wù)于上海東海大橋風電場項目，該船為復(fù)合型船舶，是集工程建造、施工、風機運維為一體的特種海洋工作船舶。該船船長34.6m，型寬8m，可搭載人員20人，最大航速13.5kn，該船為雙機、雙槳、雙舵船舶，具有良好的操縱性和回轉(zhuǎn)性，如圖6所示。

圖6 東海001號運維船

此外，由于如東潮間帶風電場建設(shè)時間較早，普遍使用的是安全系數(shù)較低的漁船代替專業(yè)的運維船。租用臨時運輸船舶成本較高，且難以滿足海上風電場運營維護的專業(yè)化及特殊要求，其主要問題是不能夠提供快速、專業(yè)化的維修服務(wù)[3]。此外，該類漁船為單體船，穩(wěn)性差、航速低，對于海況較惡劣的區(qū)域，該類船舶風險系數(shù)較高，無法完成運維作業(yè)，不適于風電場大規(guī)模應(yīng)用，如圖7所示。

圖7 如東潮間帶漁船

3 福建海域運維船

福建省所屬的臺灣海域受“狹管效應(yīng)”影響，是東南沿海風能資源最為豐富的地區(qū)，同時海況環(huán)境也極為惡劣，而國內(nèi)海上風電產(chǎn)業(yè)也剛剛起步，技術(shù)成熟度比較低，尚無成熟的技術(shù)經(jīng)驗可供借鑒，面臨開發(fā)成本高、海上施工維護能力不足等困難。鑒于福建省內(nèi)海上風電場運維能力相對較弱，且臺灣海峽臺風頻率高，近海水文地質(zhì)條件相對較差，投資風險較大，遇到的難題也是非常突出。需結(jié)合福建省海域的特殊情況及海上風電場的分布狀況對載人運維船的船型參數(shù)、性能指標進行綜合研究，確保海上風電載人運維船的安全性、適用性及經(jīng)濟性。

3.1 環(huán)境適應(yīng)性

臺灣海峽海域?qū)儆谂_風多發(fā)區(qū)，常年風速大，風浪條件惡劣，潮汐變化較大，此類因素對運維船的船舶性能提出了較高的要求。其中，5～10月為臺風多發(fā)期，風能資源也較為豐富，機組發(fā)電效率較高，而故障率也明顯提升，對運維船舶的可達性提出了較高的要求。

作業(yè)波高是運維船設(shè)計重要指標，大部分的運維船運行波高在0.5～1.5m，考慮福建海況的特殊性，需要更高指標的海上風電場運維船舶。性能指標的提升會增加運維船的成本投入，因此，應(yīng)該權(quán)衡考慮建造、運營成本和作業(yè)能力的關(guān)系。

對于福建海上風電場來說，臺風特殊天氣引起的暴風增水及波高攀升，不同海域波高集中的頻率范圍也不盡相同，因此需要綜合考慮各風電場的特點，依據(jù)以下兩個典型海上風電場波高的分布情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析。

福建莆田平海灣海上風電場項目H1/10波高出現(xiàn)頻率分級數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全年H1/10波高以3級浪（波高范圍在0.5～1.5m)占多數(shù)，年頻率為61.60%，其次為2級浪（波高范圍在0.1～0.5m)，年頻率為32.15%。2級浪所占頻率以春季43.86%為最高，其次為夏季的32.88%，冬季為29.96%，秋季為18.42%；3級浪所占頻率以秋季67.16%為最高，其次為夏季的64.49%，冬季為61.01%，春季為54.20%。

平潭長江澳海上風電場項目的波高分布頻率數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該風電場在3m以下的波高所占頻率為91.72%，但是5級浪（波高范圍在3.0～5.0m)主要在秋冬季出現(xiàn)的頻率較高，分別為19.03%和23.75%，因此，秋冬季運維條件比較惡劣。

綜合波浪、洋流、風力大小等因素，福建省海域內(nèi)的運維船需滿足2.0m設(shè)計波高的使用要求。同時，可根據(jù)作業(yè)海況、運維要求的不同，采用不同運載能力、不同船型的運維船舶差異化作業(yè)，既可節(jié)約運維成本，又可提升運維效率。如波高較小時，可以采用快艇出海維修作業(yè)。對于2.5m甚至2.5m以上的波高，可建造較大的船型或者采用工程運維支持船進行運維，并配備特種作業(yè)設(shè)備，提高海上風電運維的可行性。

3.2 坐灘能力

用于潮間帶海上風電場運維的船舶需考慮運維船的坐灘能力。福建省部分海上風電場，如平潭海清海峽、莆田南日島、東山石埔等場內(nèi)區(qū)域處于潮間帶區(qū)域，潮差大，海域水深較淺，退潮時出現(xiàn)灘涂。此外，福建省規(guī)劃的大部分海上風電場所屬海域海底土質(zhì)為軟土，需要考慮船底觸灘以后，運維船整體的洼陷，如果洼陷太深，船體可能會出現(xiàn)傾斜，風險較大，須綜合考慮運維船的坐灘功能。

3.3 航程評估

運維碼頭到海上風電場的距離以及運維船的到場時間是影響運維船航速和續(xù)航能力設(shè)計的重要指標。海上風電場離運維碼頭越近，載人運維船的航程也就相對較短，海上運輸?shù)臅r間就越短，可通過平衡快速性與航程的關(guān)系，優(yōu)化運維船的運維作業(yè)時間，減低運維成本，為運維人員提供更加充裕的海上運維作業(yè)時間。

福建省的海上風電場相對集中，除了連江定灣海上風電場、泉州海上風電場、漳浦六鰲海上風電場和東山西埔海上風電場外，大部分海上風電場集中在福建的莆田平海灣海域[4]。就目前發(fā)展情況而言，單程距離不超過30海里，可考慮同時提升運維船的快速性與續(xù)航能力，以實現(xiàn)海上風機平臺的快速抵達。待海上風電場發(fā)展中期通過節(jié)點優(yōu)化方式實現(xiàn)海上風電場運維船舶的運維管理，通過制定運維計劃，合理安排運維航線，研究應(yīng)急預(yù)案等專項措施，從軟硬件上提升運維船舶航程及可作業(yè)時間。

3.4 船型研究

歐洲海上風電場運維起步較早，運維船配套體系較為完備，以下以英國運維船應(yīng)用情況為例，論述、論證運維船船型方案。

英國有50%的載人運維船入籍MCA Cat2（英國海事和海岸警衛(wèi)署關(guān)于風電運維服務(wù)船(WFSV)船舶航區(qū)的規(guī)范要求)，船長在12～24m以內(nèi)，可攜帶維護人員數(shù)量一般為12人，最大船舶航程為60海里，航速一般在20～25節(jié)。如果需要更遠的航程，需要入籍MCA Cat1或者DNV-GL船級社等，航程最遠可達150海里，一般歐洲標準的合作方式是船舶運營商提供運維船的同時，也提供船長和船員給風電場業(yè)主。

由于超過60海里航程的運維船的建造費用較高，所以租賃費用也較貴，早期英國的海上風電場離岸較近，偏向于采用船長在24m以內(nèi)的運維船，后續(xù)由于海上風電場不斷向外海推進，配置了船長大于24m的運維船。福建省的海上風電開發(fā)普遍離岸較近，從經(jīng)濟性上考慮，運維船船長24m以內(nèi)比較合適。在配備運維船的同時，配置一定數(shù)量的快艇，形成配套差異化，以適應(yīng)不同海況的要求。

從船型上來看，運維船宜采用雙體船，雙體船比單體船較穩(wěn)定，舒適度較好。小水面線雙體船潛體做成魚雷狀，具有耐波性好、波浪中失速小、高速航行時阻力小等優(yōu)點。但由于該船型吃水較深，福建海上風電場潮差大，很多場址水位較淺，因此，這種高速船并不適合福建海域的海上風電運維服務(wù)，如圖8所示。

圖8 DAMEN運維船

3.5 護舷設(shè)計

目前國內(nèi)開發(fā)的海上風電場，如東海大橋海上風電場的日常維護，前期主要靠一艘漁政船和一艘海監(jiān)船作為海上的日常運維交通工具，后來又建造了東海001號運維船進行日常作業(yè)，主要采取側(cè)靠的方式，當浪涌較大時，?？勘容^困難。在歐洲風塔基礎(chǔ)上一般都設(shè)計安裝有靠船裝置，對運維船進行防撞保護。因此，最佳的靠船選擇應(yīng)該是頂靠方式，如圖9所示。

圖9 靠船裝置

4 結(jié)語

依據(jù)福建省“十三五”能源發(fā)展專項規(guī)劃，到2020年整個福建省海上風電項目將會超過200萬kW以上，如果按照風機目前平均功率5MW考慮，“十三五”期間安裝風機數(shù)量將達到400臺。歐洲的一個500MW海上風電項目，投資成本大約15億英鎊，每年在運維船上的花費達到200～300萬英鎊，占整個項目投資的0.15%～0.2%。按照此比例評估中國的運維船使用成本，“十三五”期間福建海上風電場將達到200萬kW，總的投資建設(shè)規(guī)模一般在400億元左右，那么在運維船上的花費將在6000～8000萬元，運維市場前景十分廣闊。

另一方面，相比歐洲而言，目前國內(nèi)的海上風電運維配套、運維策略、運維基礎(chǔ)設(shè)施等都不是很完善，在役的江蘇潮間帶海上風電場、東海大橋1期海上風電場已經(jīng)在運維方面做出了積極探索。

雖然當前國內(nèi)大部分的海上風電場正在處于安裝階段，但應(yīng)盡早未雨綢繆，做好風電運維整體規(guī)劃，以利于后期大規(guī)模開展海上風電運維工作。特別是對于風電運維最常用的載人運維船，應(yīng)當加大調(diào)研、研發(fā)及設(shè)計投入，確保該船未來能有效克服惡劣海況，提升海上運維可及性，為海上風電運維提供安全、高效、經(jīng)濟的海上運維交通工具。針對福建海上風電場運維的特點，其船型選擇應(yīng)重點考慮以下幾個方面：（1）抗風浪等級高，確保較高出航率；（2）安全性好，具有較高的穩(wěn)定性和舒適性；（3）具有一定載貨甲板面積及能力，配起重機；（4）裝配海上風電場運維船專用登靠系統(tǒng)。

[1] 何炎平，楊啟.離岸風電機組運輸、安裝和維護船方案[J].船海工程，2009.

[2] 陶暉，顧曉童.小水線面雙體船片體的興波阻力研究[J].造船技術(shù)，2006

[3] 張亮，朱榮華，牛福維，郭軍等.離岸風電運維船（WFSV）設(shè)計要點分析[J].國際海上風電，2014.

[4] 福建省海上風電場工程規(guī)劃報告[R]. 福建省水利水電勘測設(shè)計研究院，2014.