國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電平臺(tái)運(yùn)維登靠系統(tǒng)概況

王鑫，崔亞昆，薛海波，尚勇志，馬奇浩，姜正威，張旭升

國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電平臺(tái)運(yùn)維登靠系統(tǒng)概況

王鑫1，崔亞昆1，薛海波1，尚勇志1，馬奇浩2，姜正威2，張旭升2

（1.上海雄程海洋工程股份有限公司，上海 201306；2.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306）

世界各國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，海上風(fēng)力發(fā)電成為可再生能源開(kāi)發(fā)的重要發(fā)展方向。隨著海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不斷的投入使用，海上運(yùn)維船必然需要定期維護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并且運(yùn)維服務(wù)范圍呈現(xiàn)出從近海向遠(yuǎn)洋擴(kuò)展的趨勢(shì)。在海上運(yùn)維作業(yè)中，海上登乘系統(tǒng)通常用于人員和設(shè)備的安全便捷轉(zhuǎn)移。為了消除船舶外部環(huán)境引入的各種不穩(wěn)定因素，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)了多種用于海上運(yùn)維的設(shè)備和船舶。對(duì)國(guó)內(nèi)外不同風(fēng)電運(yùn)維設(shè)備以及登靠方式進(jìn)行了詳細(xì)論述。中國(guó)目前的運(yùn)維船仍以頂靠登靠為主，在風(fēng)電向遠(yuǎn)洋發(fā)展的大趨勢(shì)下，亟待開(kāi)發(fā)具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能的登靠裝置或船舶。

海上風(fēng)電平臺(tái)；運(yùn)維船；登靠系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

1 前言

大量化石資源在促進(jìn)世界經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了諸多能源與環(huán)境問(wèn)題。新型替代能源的發(fā)展已經(jīng)成為各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，其中海上風(fēng)電是重要的組成部分，其占世界可再生能源發(fā)電量的16%。2017年世界海上風(fēng)力發(fā)電的總?cè)萘?8.8 MW[1]。近年來(lái)中國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)容量呈遞增趨勢(shì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量為2 790 MW，同比增長(zhǎng)71%[2]。海上風(fēng)電市場(chǎng)的發(fā)展，需要配備更高效更安全的技術(shù)人員和貨物轉(zhuǎn)移的運(yùn)維船及運(yùn)維配套設(shè)施。雖然近海的海上風(fēng)電場(chǎng)已經(jīng)推動(dòng)了運(yùn)維船的廣泛使用，但隨著遠(yuǎn)洋海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，需要引入更多的運(yùn)維船和適合遠(yuǎn)洋的新的運(yùn)維配套設(shè)施。但是，遠(yuǎn)洋的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)為工作人員的維修與保養(yǎng)作業(yè)帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。

考慮到風(fēng)電運(yùn)行和維護(hù)成本在能源成本中占比較大，所以開(kāi)發(fā)適宜的、安全可靠的、服務(wù)范圍廣的運(yùn)維船舶和系統(tǒng)就具有十分高的應(yīng)用價(jià)值。

2 海上風(fēng)電維護(hù)形式和作業(yè)頻率

風(fēng)電場(chǎng)的選址分為沿海和遠(yuǎn)洋，離岸越遠(yuǎn)，海況就越差，對(duì)于風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)要求就越高。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于沿海（近岸）的風(fēng)電設(shè)備，可以采用小型的運(yùn)維船，以人員運(yùn)輸為主。隨著風(fēng)電場(chǎng)向遠(yuǎn)洋布置，運(yùn)輸過(guò)程占用時(shí)間增加，可能擠占風(fēng)電設(shè)備的維護(hù)時(shí)間。所以針對(duì)遠(yuǎn)洋風(fēng)電場(chǎng)的工程師和貨物必須依托于的運(yùn)維船來(lái)開(kāi)展工作。除了采用船舶運(yùn)輸之外，也可以采用直升機(jī)進(jìn)行人員等的登靠，尤其在時(shí)間較短或者?？萍捌鋹毫拥那闆r下。但是從目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)于風(fēng)電平臺(tái)的維護(hù)主要采用運(yùn)維船或登靠船的形式。

風(fēng)電平臺(tái)的運(yùn)行維護(hù)的關(guān)鍵因素是運(yùn)維的成本和風(fēng)電場(chǎng)的可作業(yè)性，而這兩者恰恰又是相互制約的關(guān)系，所以如果期望獲取最優(yōu)的運(yùn)維策略，就需要在二者之間找到權(quán)衡點(diǎn)。從目前國(guó)內(nèi)外的研究來(lái)看，風(fēng)電場(chǎng)每年的可作業(yè)頻率在50%～70%[3]。春夏季可作業(yè)天數(shù)顯著高于秋冬兩季，但是作業(yè)頻率也受到海況和波浪參數(shù)的影響。另外從風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念來(lái)看，也逐步從高可靠性向高可登靠性轉(zhuǎn)變。所以增加風(fēng)電平臺(tái)的登靠性已經(jīng)成為風(fēng)電場(chǎng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)維登靠系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)就十分重要。

3 國(guó)外主要的海上風(fēng)電運(yùn)維方式

3.1 對(duì)接沿海風(fēng)機(jī)爬梯的快速登靠方式

3.1.1 不帶運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的登靠船

對(duì)于近岸風(fēng)電平臺(tái)，采用小型船舶，直接頂靠風(fēng)機(jī)基座爬梯，并與海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)塔基相互接觸，利用普通登乘裝置登上海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員的轉(zhuǎn)送。此類(lèi)小型運(yùn)維船舶具有性?xún)r(jià)比高、響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。一般此類(lèi)船舶僅適用于在風(fēng)浪變化小，天氣狀況良好的情況下作業(yè)。具有此類(lèi)快速登靠裝置的運(yùn)維船如圖1所示。船舶形式有單體船、雙體船和三體船，應(yīng)用的海浪波高可達(dá)3 m。但是這類(lèi)登乘裝置對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償效果差，有一定的危險(xiǎn)性，現(xiàn)在正在逐步被專(zhuān)業(yè)運(yùn)維船或?qū)I(yè)運(yùn)維配套設(shè)施所取代。

圖1 快速登靠的運(yùn)維船

3.1.2 帶運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)維登靠裝置

為了延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)平臺(tái)運(yùn)維的可作業(yè)時(shí)間，需要提高登靠裝置的穩(wěn)定性和安全性。對(duì)于沿海風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，海況相對(duì)穩(wěn)定。海浪波高較小的情況下，在無(wú)船舶動(dòng)力定位的基礎(chǔ)上，為了提高登靠的穩(wěn)定性，可針對(duì)波浪引起的船舶運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)補(bǔ)償裝置。一般采用若干個(gè)自由度的補(bǔ)償舷梯系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，此類(lèi)裝置或系統(tǒng)主要安裝在船舶甲板上。國(guó)外著名的產(chǎn)品有Ampelmann公司的L形登靠系統(tǒng)（如圖2所示）、Houlder公司的風(fēng)機(jī)登靠系統(tǒng)、Autobrow公司的登靠系統(tǒng)等。

圖2 Ampelmann公司的L型登靠系統(tǒng)

此類(lèi)補(bǔ)償舷梯主要針對(duì)運(yùn)維船舶的橫搖、縱搖、升沉三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，舷梯做伸縮、俯仰、轉(zhuǎn)動(dòng)等三維運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)償，從而使工作人員及貨物運(yùn)輸通過(guò)橋梯時(shí)更加安全可靠。此類(lèi)運(yùn)維船的設(shè)計(jì)主要針對(duì)沿海風(fēng)電平臺(tái)，所以小型化、可靠性好和性?xún)r(jià)比高是其設(shè)計(jì)特點(diǎn)。運(yùn)輸人員為主，也可實(shí)現(xiàn)小量的貨物運(yùn)輸。

3.2 對(duì)接風(fēng)機(jī)平臺(tái)的登靠方式

從爬梯的登靠方式來(lái)看，其主要針對(duì)沿海風(fēng)電場(chǎng)，無(wú)法滿足遠(yuǎn)洋風(fēng)電場(chǎng)服務(wù)的需求。同時(shí)更加惡劣的?？圃黾恿俗鳂I(yè)工程師在登靠過(guò)程中的危險(xiǎn)性，同時(shí)未補(bǔ)償?shù)拇斑\(yùn)動(dòng)也會(huì)引起身體不適。針對(duì)這些問(wèn)題，此類(lèi)運(yùn)維船舶的設(shè)計(jì)尺寸更大，配備了動(dòng)力定位系統(tǒng)，同時(shí)引入不同形式的補(bǔ)償系統(tǒng)，基本可以消除船舶和風(fēng)機(jī)平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。典型的產(chǎn)品有Ampelmann公司A和E型產(chǎn)品、Barge Master公司的產(chǎn)品、Kenz Figee集團(tuán)的產(chǎn)品等。

Ampelmann公司A型系統(tǒng)是經(jīng)典的六自由度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償舷梯系統(tǒng)，如圖3所示。其依靠安裝在甲板上的六自由度液壓補(bǔ)償平臺(tái)，對(duì)傳感器提供的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的船舶運(yùn)動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，有效地消除所有運(yùn)動(dòng)。其系列產(chǎn)品中除了可以進(jìn)行人員輸送外，可以兼顧大型貨物的轉(zhuǎn)運(yùn)。

Barge Master生產(chǎn)的海上換乘舷梯如圖4所示，適用于船與風(fēng)機(jī)平臺(tái)之間的換乘。它是具有三自由度補(bǔ)償?shù)南咸荩裳a(bǔ)償3.5 m以?xún)?nèi)的有效波高，可有效提高風(fēng)機(jī)平臺(tái)的可作業(yè)頻率。同時(shí)該海上換乘舷梯擁有吊運(yùn)功能，可吊裝2 t重的貨物。

KENZ-FIGEE公司的風(fēng)機(jī)平臺(tái)登靠裝置如圖5所示，該裝置在起重機(jī)的輔助下可以實(shí)現(xiàn)全自由度的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。登靠采用的典型著陸裝置包括著陸錐和主動(dòng)緩沖器兩種。主動(dòng)緩沖器通過(guò)兩個(gè)小型液壓缸對(duì)舷梯換乘點(diǎn)施加恒張力來(lái)使舷梯末端固定，可以提高著陸的準(zhǔn)確性。

圖3 Ampelmann公司A型帶運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)南咸菹到y(tǒng)

圖4 Barge Master的三自由度補(bǔ)償?shù)膿Q乘舷梯

圖5 KENZ-FIGEE公司的登靠裝置

3.3 針對(duì)大型貨物轉(zhuǎn)運(yùn)的起重設(shè)備

前面闡述的登靠設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)人員的轉(zhuǎn)運(yùn)和一定量貨物的運(yùn)輸。但是如果考慮到遠(yuǎn)洋風(fēng)電場(chǎng)的需求以及風(fēng)機(jī)功率的逐步增大，需要運(yùn)維轉(zhuǎn)運(yùn)的貨物重量就更大。傳統(tǒng)起重設(shè)備疊加運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能后，就基本具備了風(fēng)機(jī)平臺(tái)維修所需的轉(zhuǎn)運(yùn)登靠功能，即將之前的舷梯替換為起重機(jī)。國(guó)外典型的產(chǎn)品有CargoSafe、Kenz、SMST等公司的海上起重機(jī)。

此類(lèi)海上起重機(jī)具備多自由度的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，從而可以基本消除船舶運(yùn)動(dòng)的影響。由于補(bǔ)償準(zhǔn)確性取決于船舶運(yùn)動(dòng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，Kenz公司采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行船舶運(yùn)動(dòng)測(cè)量。另外海上起重機(jī)的使用，可適應(yīng)的海浪波高也得到進(jìn)一步提高，比如SMST公司的起重機(jī)可達(dá)4.5 m。起重機(jī)的型號(hào)不同，承載能力也不同的?？紤]到海上登靠潛在的碰撞事故，CargoSafe公司的產(chǎn)品還加入了激光防碰撞系統(tǒng)、視頻成像、手動(dòng)和自動(dòng)過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)等。海上平臺(tái)用大型起重設(shè)備如圖6所示。

3.4 其他登靠方式和設(shè)備

3.4.1 吊籃換乘

使用海上起重機(jī)輔助吊籃進(jìn)行風(fēng)機(jī)平臺(tái)的登靠。此起重機(jī)一般具有波浪補(bǔ)償功能，安裝在甲板上或風(fēng)機(jī)平臺(tái)上。為了保證人員和物資的安全，此吊籃的保護(hù)性框架具有抗沖擊性和漂浮特性。需要運(yùn)輸?shù)娜藛T和物資通過(guò)起重機(jī)吊運(yùn)，如圖7所示。

圖7 起重機(jī)輔助吊籃換乘

3.4.2 軟梯登靠方式

借鑒對(duì)石油平臺(tái)維護(hù)的登乘方式，該種登乘方式不泊靠海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)，屬于純?nèi)斯さ浅朔绞健Ｆ渲饕攸c(diǎn)是在風(fēng)機(jī)平臺(tái)上安裝可遠(yuǎn)程控制的伸縮舷梯，維護(hù)人員通過(guò)舷梯或與舷梯相連的掛梯（或軟梯）登靠風(fēng)機(jī)平臺(tái)，僅可實(shí)現(xiàn)人員的轉(zhuǎn)移[4]。

該類(lèi)型登乘方式適用于大型的海上發(fā)電機(jī)組平臺(tái)，平臺(tái)空間大，易于安裝直梯或者可遠(yuǎn)程控制的伸縮舷梯。同時(shí)滿足船舶可尾靠海域空間，但不泊靠不接觸基座，如圖8所示。

圖8 伸縮軟梯登靠換乘

3.4.3 直升機(jī)登靠風(fēng)機(jī)平臺(tái)

直升機(jī)可以在20 m/s風(fēng)速下在風(fēng)機(jī)渦輪機(jī)頂部的平臺(tái)登靠。此類(lèi)方式對(duì)于人員輸送來(lái)說(shuō)，具有安全穩(wěn)定和快捷高效的特點(diǎn)，但是運(yùn)送人數(shù)極為有限（3人左右），也可攜帶少量設(shè)備。

4 中國(guó)的海上風(fēng)電運(yùn)維船介紹

中國(guó)的海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)主要集中在沿海省份，目前以近海風(fēng)電場(chǎng)為主。根據(jù)2017年之前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看[5]，運(yùn)維船主要采用頂靠的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)登靠。其中有些船舶加裝了起重吊臂，可以實(shí)現(xiàn)貨物的吊裝。新建船舶也逐步引入了主動(dòng)補(bǔ)償?shù)强垦b置。另外從船舶船型的設(shè)計(jì)來(lái)看，逐步采用雙體船和鋁制材料，提高航速和穩(wěn)定性。

2017年底的“廣核1號(hào)”將大推力全回轉(zhuǎn)導(dǎo)管舵槳應(yīng)用于小型雙體船，提高操控性能，能夠低速精準(zhǔn)地靠泊到風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)；配備動(dòng)力自動(dòng)靠泊系統(tǒng)（DAP），實(shí)現(xiàn)船舶在各種海浪狀況中的自動(dòng)定位，能使船首與風(fēng)機(jī)樁保持持續(xù)接觸?！皬V核1號(hào)”運(yùn)維船如圖9所示。

圖9 “廣核1號(hào)”運(yùn)維船

2018年下水的風(fēng)電運(yùn)維船“國(guó)海01”是全鋁合金雙體高速船舶。船艏配裝Maxccess波浪補(bǔ)償舷梯，航速可達(dá)25節(jié)?！皣?guó)海01”運(yùn)維船如圖10所示。

5 結(jié)論與展望

從國(guó)內(nèi)外風(fēng)電運(yùn)維設(shè)備和船舶的建造現(xiàn)狀來(lái)看，中國(guó)風(fēng)電平臺(tái)運(yùn)維設(shè)備的開(kāi)發(fā)主要集中于運(yùn)維船舶的設(shè)計(jì)?？紤]到中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)和分布現(xiàn)狀，運(yùn)維船舶主要服務(wù)于沿海地區(qū)的風(fēng)電平臺(tái)。采用平臺(tái)基礎(chǔ)爬梯登靠的方式，安裝起重吊機(jī)完成貨物轉(zhuǎn)運(yùn)的部分功能。新型的船舶逐步引入了補(bǔ)償舷梯裝置。總的來(lái)看，中國(guó)的風(fēng)電運(yùn)維船的設(shè)計(jì)充分考慮了運(yùn)維船的經(jīng)濟(jì)性和維修響應(yīng)速度。

圖10 “國(guó)海01”運(yùn)維船

國(guó)外風(fēng)電的起步和發(fā)展較早，運(yùn)維相關(guān)的問(wèn)題也介入較早，所以在風(fēng)電運(yùn)維設(shè)備的開(kāi)發(fā)和儲(chǔ)備方面相對(duì)較為成熟，而且開(kāi)發(fā)的技術(shù)產(chǎn)品種類(lèi)也較多。其中Ampelmann公司在2008年就推出了多自由度補(bǔ)償?shù)牡强吭O(shè)備，而且進(jìn)一步改進(jìn)的設(shè)計(jì)也已經(jīng)滿足了遠(yuǎn)洋風(fēng)電的需求。

與國(guó)外風(fēng)電運(yùn)維設(shè)備相比較，中國(guó)風(fēng)電運(yùn)維設(shè)備和船舶，運(yùn)維船的建造基本落后國(guó)外5～10年，同時(shí)多自由度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)牡强吭O(shè)備在技術(shù)上仍存在較大的差距。如果直接從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，目前的引進(jìn)費(fèi)用還比較高。所以亟需國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)風(fēng)機(jī)平臺(tái)和海上平臺(tái)的登靠系統(tǒng)。并且與運(yùn)維相關(guān)的船舶設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)已經(jīng)得到重點(diǎn)關(guān)注，其中“可伸縮式登船棧橋系統(tǒng)研制”也已經(jīng)納入《高技術(shù)船舶科研幾乎項(xiàng)目指南（2016年版）》[6]。

從中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際出發(fā)，各個(gè)海域的特點(diǎn)不同，福建海域受臺(tái)風(fēng)影響最為明顯，所以不同海域服務(wù)的運(yùn)維設(shè)備要求不一致，對(duì)于技術(shù)的要求存在差異。新的運(yùn)維船舶的設(shè)計(jì)不能局限于沿海區(qū)域的現(xiàn)狀，需要更具有前瞻性，向遠(yuǎn)洋風(fēng)電場(chǎng)的更大服務(wù)范圍輻射，緊跟甚至趕超國(guó)際水平，推進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步深度和廣度發(fā)展。越來(lái)越可靠的風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)，也必將推動(dòng)中國(guó)能源格局的進(jìn)一步變革，為新時(shí)期中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展注入新的活力。

［1］羅承先.世界海上風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀［J］.中外能源，2019，24（2）：22-27.

［2］舟丹.全球海上風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)［J］.中外能源，2019，24（2）：98.

［3］高巍，周華.風(fēng)電運(yùn)維船登靠作業(yè)概率評(píng)估［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2018，33（6）：77-84.

［4］王建文.無(wú)人駐守平臺(tái)登乘方式［J］.中國(guó)造船，2009（50）：71-74.

［5］陳釔西，柯逸思，張忠中，等.國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)維船發(fā)展現(xiàn)狀及分析［J］.風(fēng)能，2017（12）：40-44.

［6］徐佳.具有波浪補(bǔ)償功能的海上換乘舷梯設(shè)計(jì)與仿真［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2018.

U674.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.023

2095－6835（2019）20－0055－04

王鑫（1991—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程相關(guān)設(shè)備開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕