國內(nèi)海上風電運維船發(fā)展現(xiàn)狀及分析

文 | 陳釔西，柯逸思，張忠中，王磊，李達

自從我國第一個海上風電項目——東海大橋海上風電場并網(wǎng)發(fā)電以來，每年新增的并網(wǎng)裝機容量在逐步增加，但與《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》確定的2020年目標還有較大差距，未來這一市場依然有巨大的發(fā)展前景。隨著工程建設漸入佳境，海上風電運維市場的潛力逐漸顯現(xiàn)。

海上風電場運維涉及的對象較多，如風電機組、基礎、升壓站、海纜等，需要采取不同的運維策略來配套相應的運維設備。在國外，海上風電運維市場已經(jīng)非常成熟，而國內(nèi)則剛剛起步，缺乏運行維護管理經(jīng)驗，設備研制也處于摸索階段。

通常我們所說的專業(yè)風電運維船是指用于日常維護或小部件更換的運維船，包括雙體風電運維船和三體風電運維船兩類，具有甲板面積大、布置寬敞、航速較高、穩(wěn)性好等優(yōu)點。風電機組的大部件更換則需要更大的自升式運維船，這暫不納入本文討論的范圍內(nèi)。

放眼國內(nèi)，能被稱為海上風電運維船的船只寥寥無幾。初期，運送作業(yè)人員的船只以漁船、工作艇、交通艇等為主。隨著對裝載能力、吊裝能力、舒適性、安全性要求的提高，國內(nèi)現(xiàn)階段已打造出若干艘雙體船型的運維船只，并試點投用。

市場現(xiàn)狀

我國海上風電開發(fā)集中在沿海省份，從南到北包括廣東、福建、浙江、上海、江蘇、山東、河北、遼寧等。其中，江蘇省起步比較早，海上風電運維市場已經(jīng)初見雛形，出現(xiàn)了能夠獨立提供專業(yè)運維服務的第三方企業(yè)，如南通風電運維海洋工程有限公司、江蘇豐能海服科技有限公司、江蘇新能海裝科技有限公司等。福建的海上風能資源豐富，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展還處于起步階段。在該省，有專業(yè)的運維公司——福建海上風電運維服務有限公司規(guī)劃開展獨立的第三方運維服務。

目前，國內(nèi)的專業(yè)運維船數(shù)量不多，主要集中在江蘇與福建兩省，包括“風電運維5”“龍源運維1”“新能運維1201”“豐能1”“運維001”“潤邦海豚1”等。

圖1 風電運維5

一、風電運維5

“風電運維5”號是一艘雙體、雙機、雙槳、全鋼質(zhì)的海上風電運維船，于2016年9月建成。該船長28m，型寬10.8m，型深3.7m，采用柴油機驅動螺旋槳推進，航速約為13節(jié)。“風電運維5”號的總噸位為238噸，空載吃水深度2.0m，滿載吃水深度2.2m，適合水深較大的海域。該船具有較大的甲板面積，前甲板面積為25m2，后甲板面積為28m2，前甲板配1T折臂吊，吊高可達10m。它可載員20人，滿載續(xù)航能力為500海里，自持能力為10天，通過頂靠的方式實現(xiàn)登靠，具備坐灘能力?！帮L電運維5”號為南通風電運維海洋工程有限公司所有。

二、龍源運維1

“龍源運維1”號是國內(nèi)最早的雙體運維船之一，目前與“新能海裝1201”號共同服務于江蘇如東海上風電場。該船長13.4m，寬4.2m，吃水深度為0.95m。艏部配有起重量0.48T、起重高度8.5m的吊機一部。航區(qū)設計為沿海、航速可達15節(jié)，可載人數(shù)為12人。它具有一定的坐灘能力，可通過頂靠或側?？靠拷A。

三、新能運維1201

“新能運維1201”號目前主要用于江蘇如東海上風電場運維作業(yè)，是國內(nèi)首艘鋁合金專業(yè)海上風電運維雙體船，其以“龍源運維1”號為母型船。該船總長14.8m，型寬4.2m，型深1.5m，吃水深度0.75m。船體材料采用鋁合金替代了傳統(tǒng)船用鋼，大大提升了船舶的航速，最大航速可達20節(jié)。“新能運維1201”號還取消了“龍源運維1”號所配備的吊機，增加了甲板的使用面積。乘員人數(shù)為8—10名，包括船員和乘客。其航區(qū)為沿海，續(xù)航能力達200海里。

圖2 龍源運維1

四、豐能1

“豐能1”號是一艘雙體運維船，主要用于海上風電日常巡查、維護、海上交通等。該船歸屬于江蘇豐能海服科技有限公司，于2016年8月建造完成。船總長26.88m，型寬8.4m，型深3.0m，設計吃水深度1.7m。船身為鋼質(zhì)，航速達15節(jié)，抗風等級為8級，可作業(yè)浪高達1.5m。該船的定員為4人，并設有船員鋪位4個，可載6名乘客，設計航區(qū)為近海?！柏S能1”號現(xiàn)用于江蘇大豐區(qū)海上風電場，船甲板未設置起重吊機。

五、運維001

“運維001”號是由福建船舶投資有限公司投資的專業(yè)海上風電運維船，于2016年5月開始建造。該船為鋁合金制雙體船，船長19.5m，寬5.2m，高2m，總噸位58噸，凈噸位17噸，吃水深度1.1m。其航區(qū)為沿海，航速可達15節(jié)。船前甲板配有1T起重量的折臂吊，最大起重高度為10m。艏部還配有一套頂推式可伸縮主動補償?shù)强垦b置，保證維護人員上下安全、方便、可靠。該船配備3名船員，可搭載11名乘客，但無住宿船艙，無法在船上過夜?！斑\維001”號最高可抗風速為25m/s的海況，作用浪高可達2.5m。滿載續(xù)航能力為300海里，船舶自持力為20小時。

六、潤邦海豚1

“潤邦海豚1”號于2016年12月開工建造，船長27.6m，型寬9.6m，型深3.2m，采用雙體船型設計，具有高速性、平穩(wěn)性及易于操控等優(yōu)點。該船吃水深度為1.53m，總噸位180噸，航區(qū)為近海，抗風能力為6級，作業(yè)浪高可達2m。前甲板配有1T起重量的折臂吊，吊高10m。“潤邦海豚1”號的航速為13.8節(jié)，除4名船員外，可運送12名運維人員。

各運維船的參數(shù)如表1所示。

海上風電運維船分析

一、配套裝備

我國各個海域有其不同的特點。江蘇沿海有寬闊的灘涂，潮間帶受潮汐影響明顯，漲潮與落潮的水位差較大，且受臺風影響小。因此，以服務江蘇海域為目標的運維船基本具備坐灘能力，以適應巨大的潮差。受臺灣海峽“狹管效應”影響，福建海域的年平均風速高，沿海地區(qū)平均風力>3級，沿海歷年≥6級大風的日數(shù)為15—110天。該海域受臺風影響嚴重，1959年—2009年，正面登陸福建的臺風有136個，平均一年有2.7個。以服務福建海域為目標的運維船需具備較好的抗風浪能力，船身尺寸不宜過小。

表1 國內(nèi)海上風電運維船參數(shù)表

表2 海上風電運維船安裝折臂吊的優(yōu)缺點

目前，國內(nèi)尚未制定海上風電運維船的相關規(guī)范。因此，各家企業(yè)建造的運維雙體船的配套設施不盡相同，包括補償式登乘系統(tǒng)、折臂吊機、減震座椅等。造價也存在較大差別，從三四百萬元至八九百萬元不等。如何在滿足運維需求與降低船造價之間取得平衡，是降低海上風電運維成本的關鍵。

1. 折臂吊

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)狀，部分運維船前甲板裝有折臂吊，如“風電運維5”“龍源運維1”“運維001”。折臂吊的作用是方便起吊維修工具或維修部件至風電機組平臺，起重量一般為1T，吊高在10m左右。還有一些運維船并未安裝吊機，而是利用海上平臺吊機起吊維修工具與備件。對于運維船是否需要配備吊機，目前沒有統(tǒng)一定論，其優(yōu)缺點分析如表2所示。

2. 主動補償式登乘棧橋

海上的天氣情況復雜，且瞬息萬變。由于風浪和潮汐的作用，導致運維船與風電機組平臺爬梯之間有一定的水平或垂直距離，一般要求運維船的船首與風電機組塔基的相對距離小于成年人步長（60cm）的1/2。因此，海上風電市場上出現(xiàn)了一種運動補償?shù)难b置，借助傳感器檢測船體和行走步橋運動，然后通過測量數(shù)據(jù)補償船體的運動，使人行走的棧橋保持相對平穩(wěn)的狀態(tài)，以利于人員的安全行走，直至攀登上基礎爬梯。

國外的主動補償式登乘棧橋已經(jīng)趨于成熟，但從國外引進設備的費用較高。國內(nèi)目前也開展了主動補償式登乘棧橋的自主研發(fā)，可通過監(jiān)測船舶運動、實時調(diào)整自身液壓油缸，完成對船舶橫搖、縱搖及升沉三個自由度的彌補。登乘棧橋已投用在“運維001”號上，填補了海上配套裝備的空白。相比進口設備，國產(chǎn)設備的造價較低，但可靠性與穩(wěn)定性還需進一步提升。

在國內(nèi)，目前安裝主動補償式登乘棧橋的運維船相對較少，一是由于大部分已建運維船主要服務于江蘇海域，該地區(qū)的海況平穩(wěn)，風浪小，通過普通頂靠方式即可登陸風電機組平臺；二是基于節(jié)約成本的考慮，一套國產(chǎn)的主動補償式登乘棧橋的費用占總造價的1/4—1/2。同時，船舶的配套設備越多，故障率也越高。

3. 減震座椅

運維船在海上的航行速度較快，有些運維船采用普通座椅，可能會造成乘客的不適感，影響維修人員的工作狀態(tài)。減震座椅則可以有效解決這個問題，其減震功能來自于座椅底座。但與普通座椅相比，減震座椅的造價較高。

二、性能分析

海上風電運維船主要用于風電機組的日常運維，及時將維修人員安全送上機組平臺，需要兼顧適用性和經(jīng)濟性。我國從北到南各個海域的水文情況不同。江蘇潮間帶地區(qū)有限浪高1.5m以下的概率為98%，設計的運維船抗浪能力為1.5m。運維船多采用雙體式的結構，結構穩(wěn)定，一般可承受0.5—1.5m的有義波高，船長在20米左右，載人數(shù)量一般為12人。

目前，國內(nèi)海上風電場的離岸距離基本在30海里以內(nèi)，航程較近，航時較短。隨著海上風電開發(fā)往深海發(fā)展，以后還需要搭配工作母船完成運維任務。

從船體材料來看，主要有玻璃鋼（FRP）、鋁合金、鋼質(zhì)或剛柔充氣艇（RIB）?；诖w性能和建造成本的綜合考慮，國內(nèi)海上風電運維船的船體主要采用鋼制或者鋁合金材料，上層建筑采用玻璃鋼。材料的密度從小到大依次為：玻璃鋼（1.8g/cm3）、鋁合金（2.7g/cm3）、鋼質(zhì)（7.8g/cm3）；而強度則正好與之相反。

圖4 海上平臺吊機

采用鋼質(zhì)材料，可以降低整條船艇的重心，從而保持航行穩(wěn)定性。此外，鋼材的硬度高，比重大，加工性能好，能承載更大的海上風浪沖擊載荷，“風電運維5”號即為全鋼質(zhì)的運維船。其缺點是單位海里的油耗高。

鋁合金的重量輕，同尺度船舶可以配備更低功率的主機滿足航速的要求。但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，造價高。

運維人員在船上的耐受時間為1小時，最長不超過80分鐘。目前，國內(nèi)海上風電運維船的航速基本在20節(jié)以下，在現(xiàn)在離岸較近的情況下，可以在1小時左右到達機位點。國外要求運維船能夠在半個小時左右到達機位點，從而減輕維修人員在船行駛過程中的不適感，在窗口期較短時能夠快速往返，并保證充足的作業(yè)時間。因此，國內(nèi)運維船在航速設計方面還有待進一步提高。

圖3 折臂起重吊機

圖5 “運維001”號上的補償?shù)浅搜b置

圖6 減震座椅

表3 運維船評價

吃水深度也是設計運維船時需要考慮的重要因素，它決定船的載重及改造能力。鋼質(zhì)船一般比鋁制船的吃水深度大。對于一些位于潮間帶的海上風電場，潮差大，退潮時水深較淺，甚至會露灘，宜采用吃水深度較淺的船舶，否則容易擱淺。海上的天氣復雜，運維船應該能在天氣情況較不利的情況下安全行駛，國內(nèi)已建海上風電運維船的抗風能力在6—7級之間，符合海事局“逢七不開”的規(guī)定。

三、經(jīng)濟性分析

依據(jù)國外的數(shù)據(jù)，一個吊裝80臺機組的海上風電場投運后，每年需要1000次的人為干預，約6000人次的登機處理。每臺海上機組每年有40次停機故障，大約每30臺風電機組需要一艘專業(yè)運維船維護。運維船一年可以出行200天以上，投資回收期按5年計算，一艘造價約為400萬元的運維船，在考慮每年經(jīng)營成本的情況下，月租金的市場價在20萬元左右，且不包括運維人員的工資及船舶油耗的費用。即以海上風電機組的單機容量為5MW估算，一個15萬千瓦的風電場應配備1艘運維船，每年的租船費用將在200萬元左右。

我國海上風電運維市場剛剛興起，行業(yè)還在摸著石頭過河，應根據(jù)實際運維的需求，加大船舶設計研發(fā)力度，合理配置船舶配套設施，控制運維成本，促進市場的規(guī)范、成熟。

四、運維船評價

從國內(nèi)現(xiàn)狀來看，各個運維船的設計理念不同，在快速性、舒適性、安全性、經(jīng)濟性上各有取舍，業(yè)主可以基于風電場情況來進行選擇。根據(jù)各個運維船的性能、配套裝備及造價，對其快速性、舒適性、安全性、經(jīng)濟性進行評價的結果如表3所示。

結語

歐洲已有多艘海上風電運維船舶，以雙體或三體船型為主，能夠在航行中提供很好的舒適性，可以低速精準地靠泊到風電機組的基礎處。我國海上風電專業(yè)運維船的數(shù)量偏少，江蘇盡管擁有國內(nèi)目前最多的運維船，卻遠不能滿足海上風電場運維的需要，這一市場空間巨大。

國內(nèi)海上風電運維船的建造剛剛起步，經(jīng)驗主要來自對國外運維船的借鑒，對性能和功能要求的考慮尚有欠缺，各方設計建造標準不統(tǒng)一，質(zhì)量良莠不齊，不利于未來大規(guī)模運維工作的開展。因此，建議業(yè)主、整機商、運維公司三方應盡快聯(lián)合開展海上風電運維船相關標準的制定工作，推進行業(yè)發(fā)展。