淺析海上風(fēng)電運(yùn)維船的發(fā)展

福建省福船海洋工程技術(shù)研究院有限公司 楊 程

淺析海上風(fēng)電運(yùn)維船的發(fā)展

福建省福船海洋工程技術(shù)研究院有限公司 楊 程

通過分析國內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)維船現(xiàn)狀及其市場需求，展望未來海上風(fēng)電運(yùn)維船的發(fā)展趨勢，以明確將來的研究方向。

海上風(fēng)電 運(yùn)維船 風(fēng)電場 風(fēng)機(jī)組

海上風(fēng)電目前已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，各國把發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源開發(fā)的重要方向。我國沿海風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)潛力較大，為了促進(jìn)能源可持續(xù)發(fā)展，加快海上風(fēng)電發(fā)展步伐，部分沿海地區(qū)海上風(fēng)電場已投入營運(yùn)，多數(shù)項(xiàng)目規(guī)劃工作正在進(jìn)行中，其中，一些項(xiàng)目已獲得國家批復(fù)。隨著海上風(fēng)電場源源不斷地投入營運(yùn)，風(fēng)機(jī)組日常維護(hù)和保養(yǎng)是必不可少的工作，海上風(fēng)電運(yùn)維船將成為陸地通往海上風(fēng)電場最常見的交通工具之一。海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)組能否按時(shí)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，故障能否得以及時(shí)解決，維護(hù)技術(shù)人員的安全是否得到保障，作為交通載體的海上風(fēng)電運(yùn)維船起到至關(guān)重要的作用，因此，對海上風(fēng)電運(yùn)維船進(jìn)行研究是有必要的。

1 海上風(fēng)電發(fā)展情況

1.1 國內(nèi)海上風(fēng)能資源簡述

風(fēng)能是清潔的可再生能源，大力開發(fā)利用風(fēng)能資源是國家重要舉措之一。我國海上風(fēng)能資源豐富，為了更好地滿足風(fēng)能資源持續(xù)、有序、合理的規(guī)劃和開發(fā)利用，由中國氣象局牽頭組織實(shí)施“全國風(fēng)能詳查和評估”項(xiàng)目，根據(jù)中國氣象局風(fēng)能資源詳查階段性評估結(jié)論顯示，5～25m水深、50m高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約2億kW；5～50m水深、70m高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約5億kW；除此之外，部分潮間帶及潮下帶灘涂資源、深海風(fēng)能資源也較為豐富。

1.2 國家政策的出臺

能源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，同時(shí)也是影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要因素。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，能源消耗越來越大，能源對經(jīng)濟(jì)社會(huì)的制約日益突出。另外，隨著能源的不斷開發(fā)，人類賴以生存的自然環(huán)境受到破壞，人類社會(huì)的發(fā)展也因此受到威脅，所以，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、開發(fā)和利用可再生能源是能源發(fā)展的必然選擇。海上風(fēng)電是可再生能源發(fā)展的重要領(lǐng)域，是推動(dòng)風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級的重要力量，是促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要措施。國家發(fā)展改革委員會(huì)出臺《關(guān)于海上風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》，明確了海上風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)；國家能源局“十二五”規(guī)劃明確了海上風(fēng)電發(fā)展工作，并出臺了《海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)管理暫行辦法實(shí)施細(xì)則》《全國海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方案（2014-2016）》。一系列利好政策的出臺，將促進(jìn)海上風(fēng)電快速發(fā)展。

1.3 國內(nèi)海上風(fēng)電場發(fā)展概況

截止2014年底，我國已完成約657.88兆瓦海上風(fēng)電機(jī)組的安裝，機(jī)組數(shù)量達(dá)226臺（見表1，圖1）。為了落實(shí)風(fēng)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃，做好海上風(fēng)電發(fā)展工作，響應(yīng)國家政策，結(jié)合沿海地區(qū)實(shí)際情況，國家能源局編制了全國海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方案（2014—2016），共44個(gè)項(xiàng)目，總裝機(jī)容量達(dá)1052.77萬kW。

表1 至2014年海上風(fēng)電裝機(jī)量

圖1 中國海上風(fēng)電裝機(jī)情況

2 海上風(fēng)電運(yùn)維船概況

2.1 國內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)維船現(xiàn)狀

海上風(fēng)電發(fā)展初期，由于批量化海上風(fēng)電項(xiàng)目較少，且大部分風(fēng)機(jī)組還處于質(zhì)保期之內(nèi)，故障率相對低，維護(hù)工作量少，所需的人力、物力不多；另外，初期建成的海上風(fēng)電場普遍離岸距離較近，海況相對平穩(wěn)，對運(yùn)輸?shù)囊蟊容^低；除此之外，海上風(fēng)電機(jī)組專業(yè)化維護(hù)水平低，在海上風(fēng)電場僅能進(jìn)行簡單的維護(hù)和修理。因此，海上風(fēng)電維護(hù)對風(fēng)電運(yùn)維船的依賴性不高，換而言之，市場的需求量不大，導(dǎo)致海上風(fēng)電運(yùn)維船的發(fā)展受限。初期的運(yùn)維船主要用于運(yùn)輸少量的維護(hù)技術(shù)人員和簡單的工具或設(shè)備，普通的工作艇、交通艇、港作艇、拖船和漁船等即可滿足要求，對船舶的裝載能力、吊裝能力、舒適性、安全性等要求不高。

2.2 國際海上風(fēng)電運(yùn)維船現(xiàn)狀

由于國外海上風(fēng)電發(fā)展比較早，海上風(fēng)電運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)比較豐富，工作模式比較先進(jìn)，對影響運(yùn)維的環(huán)境因素識別能力比較強(qiáng)。尤其是歐洲，海上風(fēng)電場離岸距離越來越遠(yuǎn)，海況也變得越來越復(fù)雜，風(fēng)電場的維護(hù)工作要求越來越高。為了滿足離岸更遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場維護(hù)作業(yè)要求，對風(fēng)電運(yùn)維船的功能和性能要求也越來越高，船舶的安全性、可靠性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性均得以考慮。為了提高船舶的穩(wěn)性，船體多數(shù)采用雙體或三體（見圖2）；為了降低船舶重量，減少能耗，船體材料選用鋁質(zhì)或玻璃鋼；為了提供船舶的可進(jìn)入性，船長多數(shù)為20m左右；為了降低船舶成本，規(guī)避船舶按客船要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常船舶載人數(shù)量保持在12人以下；為了輸送大型備件和工具設(shè)備，船舶通常設(shè)置大面積的載貨甲板，并配備足夠起重能力的吊機(jī)（見圖3）；為提高工作效率，通常設(shè)置風(fēng)機(jī)安全接近系統(tǒng)（見圖4）。

圖2 23米碳纖維復(fù)合材料雙體船

圖3 72m海上風(fēng)電服務(wù)運(yùn)營船

圖4 帶有安全接近系統(tǒng)的風(fēng)電運(yùn)維船

3 海上風(fēng)電運(yùn)維船面臨的挑戰(zhàn)

3.1 運(yùn)維的經(jīng)濟(jì)性

從陸地到海上風(fēng)電場，通常有4種方法，分別為利用建設(shè)施工船、專業(yè)海上風(fēng)電運(yùn)維船、直升機(jī)和風(fēng)電場母艦。選擇任何一種運(yùn)輸方式都意味著資金的投入。租用建設(shè)施工船成本較高，因?yàn)榻ㄔO(shè)施工船朝著大型化發(fā)展，僅為日常維護(hù)，動(dòng)用龐然大物，有點(diǎn)大材小用。另外，建設(shè)施工船容易受到天氣、海況的影響。動(dòng)用直升飛機(jī)固然靈活、迅速，但是費(fèi)用昂貴，風(fēng)險(xiǎn)高，受天氣影響大，而且無法降落，難以得到有效的支持。風(fēng)電場母艦是未來發(fā)展趨勢，它起到避風(fēng)港的作用，但是這種大型的船舶存在自身的缺陷，其本身不能對海上風(fēng)電進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，還需輔以其他交通工具，整體運(yùn)維成本較高。專業(yè)海上風(fēng)電運(yùn)維船往往更受到運(yùn)營商的歡迎，速度快、能耗低，更具有成本優(yōu)勢，但其受風(fēng)、浪、流、天氣和海況等自然因素的影響大，安全性差[1]。

3.2 運(yùn)維的及時(shí)性

影響海上風(fēng)電運(yùn)維及時(shí)性的因素較多，按時(shí)間分，主要有人員和備件到場時(shí)間、等待出航時(shí)間、船舶航行時(shí)間以及維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間。人員和備件到場時(shí)間主要受人員儲(chǔ)備、物資管理、碼頭配套等因素影響；等待出航時(shí)間將受風(fēng)、浪、流、天氣和海況等自然因素的影響；航行時(shí)間將取決于風(fēng)電場離岸的距離、航線復(fù)雜程度以及自然條件等因素；維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間將受到工作內(nèi)容、復(fù)雜程度以及人員技術(shù)水平影響。

3.3 運(yùn)維的安全性

根據(jù)目前現(xiàn)有運(yùn)維模式和交通工具，由于潮汐的影響，大多數(shù)機(jī)組作業(yè)窗口時(shí)間為2.5～4小時(shí)，當(dāng)維護(hù)保養(yǎng)所需時(shí)間較長時(shí)，人員需留在風(fēng)機(jī)上，直到下一作業(yè)窗口時(shí)間才能接回。兩次漲潮間隔時(shí)間至少12小時(shí)[2]，基本上有一次是在夜里，海況瞬息萬變，條件惡劣，留在風(fēng)機(jī)上人員的安全無法得到保障。

4 海上風(fēng)電運(yùn)維船前景展望

4.1 海上風(fēng)電運(yùn)維船發(fā)展規(guī)模

根據(jù)國家能源局“十二五”規(guī)劃要求，至2020年，我國海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模不少于3000萬kW。保守估算，按照單機(jī)功率5MW，30臺風(fēng)電機(jī)組需配備1艘運(yùn)維船為其服務(wù)，到2020年我國將需要至少200艘風(fēng)電運(yùn)維船，這僅為理想情況下的估算，實(shí)際需求量將遠(yuǎn)大于200艘。

4.2 海上風(fēng)電運(yùn)維船發(fā)展建議

隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，傳統(tǒng)的運(yùn)輸工具已無法滿足實(shí)際的需求，增強(qiáng)船舶功能勢在必行。在船舶方案策劃初期，需從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：

（1）提高船舶出航率方面。船舶出航與否受到掛旗國當(dāng)局的要求和工作海域地質(zhì)、水文、氣象條件的影響。結(jié)合船舶工作海域的相關(guān)資料，在滿足掛旗國當(dāng)局要求的基礎(chǔ)上，盡可能高地保證船舶的出航率，我國沿海地區(qū)運(yùn)維船，建議在蒲福風(fēng)級7級風(fēng)的情況下仍可出航作業(yè)。

（2）提高船舶安全性方面。船舶安全性主要體現(xiàn)在船舶穩(wěn)性和可操作性?？梢赃x用雙體或三體船來提高船舶的穩(wěn)性，選用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器來提高船舶的可操作性。

（3）降低船舶能耗方面。主要從降低燃料消耗和減少重復(fù)航行次數(shù)兩個(gè)方面降低船舶能耗。從設(shè)計(jì)方面出發(fā)，減輕船舶重量，優(yōu)化船舶線型，提升船舶續(xù)航力和甲板載貨能力，降低船舶重復(fù)航行次數(shù)，均能達(dá)到節(jié)省燃料消耗的目的。

（4）減少船舶成本方面。船舶成本將由功能和標(biāo)準(zhǔn)的多少、配置的高低等因素決定。船舶功能的多少和配置的高低由業(yè)主決定，標(biāo)準(zhǔn)的多與少，可以從設(shè)計(jì)的角度去考慮。由于目前沒有海上風(fēng)電運(yùn)維船的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在船舶的策劃階段，可以從噸位和載人數(shù)量上進(jìn)行控制，以達(dá)到規(guī)避規(guī)則或規(guī)范，降低船舶建造成本的目的。

5 結(jié)束語

考慮到國內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)維船領(lǐng)域處于空白狀態(tài)，開發(fā)、建造一艘真正意義上的海上風(fēng)電運(yùn)維船已迫在眉睫。通過第一艘海上風(fēng)電運(yùn)維船的開發(fā)和建造，能夠積累和總結(jié)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，掌握第一手資料，規(guī)范船型設(shè)計(jì)，提升建造工藝工法，推動(dòng)行業(yè)法規(guī)和規(guī)范的出臺，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈的升級，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。

[1] 黃玲玲，曹家麟，張開華，符楊，徐涵璐. 海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)現(xiàn)狀研究與展望[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016（3）：729-738.

[2] 吳俊彥，肖京國，成俊，等. 中國沿海潮汐類型分布特點(diǎn)[A]//第十屆中國科協(xié)年會(huì)論文集(一)[C]. 北京: 海軍出版社, 2008.