海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)輸與安裝方式分析

于曉東

中電投電力工程有限公司 上海 200000

我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于快速發(fā)展階段，對(duì)于能源的需求與日俱增，同時(shí)又面臨著環(huán)境惡化的壓力，因此，發(fā)展清潔能源成為了我國(guó)發(fā)展規(guī)劃中的重要方向。我國(guó)海域幅員遼闊，可利用的風(fēng)能資源預(yù)計(jì)超過(guò)7.5億千瓦，可見(jiàn)發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，必將成為我國(guó)未來(lái)電力戰(zhàn)略部署與發(fā)展的重點(diǎn)。海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)過(guò)程中，風(fēng)險(xiǎn)最大的當(dāng)是風(fēng)機(jī)海上運(yùn)輸和安裝環(huán)節(jié)，其中影響海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)輸與安裝因素多種多樣，尤其是選用的船舶、風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)輸方式與安裝方法必須確保足夠的科學(xué)性、合理性，否則除了對(duì)建設(shè)工期與成本造成嚴(yán)重影響之外，甚至還可能導(dǎo)致項(xiàng)目的失敗。所以，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組在海上運(yùn)輸與安裝方式的研究極為必要。

1 海上風(fēng)電運(yùn)輸安裝方式分類(lèi)

區(qū)別于其他海洋工程，海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)輸安裝具備重心高、機(jī)位多、部件多等特點(diǎn)，所以應(yīng)就風(fēng)電機(jī)組實(shí)際情況，制定出合理可靠、經(jīng)濟(jì)、可執(zhí)行性較強(qiáng)的運(yùn)輸安裝方案。運(yùn)輸安裝采用一條船形式是國(guó)外風(fēng)電場(chǎng)慣用做法是，在國(guó)內(nèi)外均有成功應(yīng)用的先例。

2 海上風(fēng)電機(jī)組常用運(yùn)輸及安裝方式研究

2.1 自升式吊船散裝式

自升式吊船配置液壓升降腿柱，可將船體舉升離開(kāi)水面進(jìn)而避免風(fēng)浪影響吊裝施工。船上還設(shè)置有全旋轉(zhuǎn)吊車(chē)，加上船甲板面積足夠大可同時(shí)容納四到五臺(tái)風(fēng)機(jī)，航行的吃水深度為2.5m～5m，適用水深在40m左右，通過(guò)對(duì)腿柱的加長(zhǎng)設(shè)計(jì)還能適應(yīng)更深水域。這種安裝方式除了能夠避開(kāi)了海況影響，而且工期明確，效率較高，無(wú)需船隊(duì)作業(yè)，成本較低。其明顯缺陷是船舶的制造成本較高且需要較大的一次性投資，造船周期需三年左右導(dǎo)致船舶資源極為稀缺，受水深限制而不適合遠(yuǎn)距離作業(yè)，同時(shí)必須提前做地質(zhì)可行性分析作為前提保障。.綜合考慮其優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)明顯大于缺點(diǎn)，因此自升式吊船散裝式是目前海上風(fēng)機(jī)安裝普遍應(yīng)用的方案。

2.2 穩(wěn)性樁浮吊船散裝式

穩(wěn)性樁浮吊的甲板面積較小，可運(yùn)輸兩到三臺(tái)風(fēng)機(jī)，配置有四條液壓自力式升降腿但船體不離開(kāi)水面而是依靠水的浮力進(jìn)行作業(yè)。船體上設(shè)置定位樁減小風(fēng)浪中船體的運(yùn)動(dòng)幅度，提升安裝作業(yè)效率，加上省去了起拋錨環(huán)節(jié)大大提升了作業(yè)效率。這種安裝方式有效地降低了吊裝作業(yè)中海況影響程度，一臺(tái)風(fēng)機(jī)安裝用時(shí)約3.5天作業(yè)效率較高，不需船隊(duì)作業(yè)且具備自航能力，也是屬于成本較低的作業(yè)方案。尤其是船舶資源直接可由運(yùn)輸船改造而來(lái)，改造周期較短，能夠快速滿(mǎn)足資源需求。其缺點(diǎn)是甲板面積較小，需要進(jìn)行頻繁的重復(fù)動(dòng)復(fù)員，不適合遠(yuǎn)距離作業(yè)且發(fā)生較大涌浪時(shí)需要停止作業(yè)撤離現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)致作業(yè)效率降低且工期無(wú)法保障。適用水深通常小于30m，因此該方案一般作為過(guò)渡期的選擇方案。

2.3 普通方駁加裝雁帶吊散裝式

現(xiàn)有方駁吃水深度通常約為1.5m，結(jié)合海管鋪設(shè)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，能夠在漁船和線(xiàn)性絞車(chē)輔助作業(yè)下，行進(jìn)到高潮水深0.5m以外的任何區(qū)域。1000t～7000t不同等級(jí)的駁船都能夠使用這種方式，履帶吊的吊高與吊重可以滿(mǎn)足要求即可，因此可選擇當(dāng)前陸地風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)普遍適用的吊車(chē)。這種安裝方式較為適用潮間帶的作業(yè)，在進(jìn)行較深水區(qū)域的作業(yè)時(shí)可通過(guò)加裝生活集裝箱的方式改善艱苦的條件。而進(jìn)行灘涂區(qū)域作業(yè)時(shí)則能夠用兩棲車(chē)作后勤保障，倒班人員可以宿于陸地。因此這種方案明顯較為適用于在涌浪較小的淺水區(qū)域作業(yè)，灘涂地的效率則略為稍低。

2.4 普通浮吊船散裝式

在現(xiàn)有的近海海洋工程作業(yè)中，極少部分為動(dòng)力定位式，較為常規(guī)的浮吊大部分是錨定位式，然而其具備制造成本過(guò)高并且日租金昂貴的缺點(diǎn)。這種方案的操作方式類(lèi)似于自升式吊船，區(qū)別只是在于用拋錨方式代替腿柱支撐式在機(jī)位旁的就位作業(yè)，因此要求具備自航能力或者需要用到輔助拋錨船。這種方案極易受到海況的影響，在涌浪較大的情況下需要停止作業(yè)并撤離現(xiàn)場(chǎng)，作業(yè)效率不高且工期無(wú)法保障，預(yù)裝一臺(tái)風(fēng)機(jī)需用時(shí)7天不間斷的作業(yè)。加上風(fēng)機(jī)部件材質(zhì)主要是玻璃鋼，極易因碰撞而破碎所以存在較大的安裝風(fēng)險(xiǎn)。需要船隊(duì)進(jìn)行作業(yè)，又因?yàn)槠胀ǜ〉醯牡醺卟蛔惚仨毷褂么笮偷母〉醮?，而這類(lèi)船舶資源較為稀缺。這種方案的最大優(yōu)勢(shì)在于不受水深限制，而鑒于以上種種原因，尚未出現(xiàn)這種方案的應(yīng)用先例。

2.5 普通浮吊整體運(yùn)輸?shù)跹b式

相對(duì)于散裝運(yùn)輸，這種方案受到吊高限制需要采用大型浮吊以達(dá)到風(fēng)機(jī)輪轂高度，或者需要用到雙扒桿浮吊。根據(jù)浮吊能力，一個(gè)航次能夠在甲板上固定兩到三臺(tái)風(fēng)機(jī)。對(duì)于長(zhǎng)距離運(yùn)輸情況，可以選擇以駁船運(yùn)輸?shù)姆绞絹?lái)提高吊裝效率。其過(guò)程中浮吊不需返航，風(fēng)機(jī)整體以滑移的方式裝上駁船進(jìn)行往返運(yùn)輸以此提高浮吊作業(yè)效率，大大節(jié)約了作業(yè)成本。

3 中國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展優(yōu)勢(shì)

風(fēng)能是重要的清潔能源，使用風(fēng)能并不會(huì)像使用石油、煤炭等石化材料會(huì)出現(xiàn)溫室氣體排放、產(chǎn)生空氣污染等問(wèn)題；風(fēng)能還屬于可再生資源，在地球上持續(xù)存在，不會(huì)像石化能源出現(xiàn)枯竭的問(wèn)題。因此風(fēng)能所具有的綠色性是能多傳統(tǒng)能源無(wú)法比擬的，對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有極高的優(yōu)勢(shì)。而海上風(fēng)電具有更明顯的特殊性，相比傳統(tǒng)能源優(yōu)勢(shì)更加明顯。

區(qū)位優(yōu)勢(shì)。海上風(fēng)能資源具有明顯的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，能在采集風(fēng)能的同時(shí)，更好地為高電力需求地區(qū)供電。目前能源資源富集的地區(qū)都比較偏遠(yuǎn)，與人口中心地域有比較遠(yuǎn)的距離，或者需要長(zhǎng)途運(yùn)輸煤礦等資源，或者需要長(zhǎng)途輸電滿(mǎn)足要求。同時(shí)，我國(guó)西北地區(qū)陸上風(fēng)能儲(chǔ)備較多，但是電力負(fù)荷集中在我國(guó)東南沿海地區(qū)，如果西北地區(qū)采用陸上風(fēng)電模式發(fā)電再將電力輸送到東南沿海，還需要繼續(xù)進(jìn)行高壓輸電網(wǎng)建設(shè)，而且風(fēng)電輸送的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生大量的能耗。而海上風(fēng)電技術(shù)能夠直接為沿海地區(qū)供電，并充分利用海上風(fēng)電資源。我國(guó)東南沿海地區(qū)的風(fēng)電資源儲(chǔ)備量非常高，在渤海、黃海、東海、臺(tái)灣海峽都有豐富的風(fēng)電資源，通過(guò)架設(shè)海上風(fēng)電設(shè)施，能做到對(duì)沿海地區(qū)的電力直供。雖然海上風(fēng)力發(fā)電的成本較高，但綜合火電的環(huán)境問(wèn)題，西部對(duì)東南沿海的電力長(zhǎng)途輸送，海上風(fēng)力發(fā)電具有更高的綜合效益，尤其近海風(fēng)能資源的潛力巨大，而且具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

海上風(fēng)電相比陸上風(fēng)電具有明顯的直接優(yōu)勢(shì)，雖然兩種風(fēng)電模式都存在間歇性、不可控的問(wèn)題，但是海風(fēng)相比陸風(fēng)的持續(xù)性更強(qiáng)，所蘊(yùn)含的能量也更高；在海上建立風(fēng)電站，也不會(huì)占據(jù)陸地土地面積，可以減少風(fēng)電廠(chǎng)建設(shè)對(duì)公眾的生活造成干擾，也能避免占用土地激化土地不足的矛盾。由于海上風(fēng)電不會(huì)像陸地一樣受到限制，在鋪設(shè)電力傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)布線(xiàn)也能更加自由，通過(guò)科學(xué)布線(xiàn)能有效減少輸電線(xiàn)的長(zhǎng)度，最大幅度降低線(xiàn)損，優(yōu)化對(duì)能源的利用。同時(shí)，海風(fēng)所產(chǎn)生的潮汐、波浪、鹽梯度、海洋溫度也能帶來(lái)其他全新的發(fā)電方式，依靠海上風(fēng)電站能融合全新的綜合發(fā)電方式，建立具有更強(qiáng)綜合發(fā)電功能的海洋發(fā)電基地，充分發(fā)掘海洋的能源，提升供電的綜合性和多元化，更有利于減少化石燃料生產(chǎn)所導(dǎo)致的溫室氣體排放問(wèn)題，保護(hù)自然環(huán)境和公眾的身體健康，和諧利用自然資源并造就綠色就業(yè)機(jī)會(huì)，進(jìn)一步減少對(duì)化石燃料的進(jìn)口依賴(lài)，維護(hù)國(guó)家的能源安全。

目前，這種方案在國(guó)內(nèi)已有成功應(yīng)用的案例，其中包括了中海油渤海風(fēng)電示范項(xiàng)目，以及東海大橋的100MW海上風(fēng)電示范項(xiàng)目。兩者僅在運(yùn)輸上存在一些差別，在安裝方式的選擇與作業(yè)方面基本一致。中海油渤海風(fēng)電示范項(xiàng)目，使用藍(lán)疆號(hào)進(jìn)行整體運(yùn)輸以及進(jìn)行海上吊裝作業(yè)。東海大橋項(xiàng)目，選擇采用駁船進(jìn)行整體運(yùn)輸，以雙扒桿浮吊進(jìn)行整體吊裝作業(yè)。

由于這種方案的大部分工作可以在陸地上完成因此成本較低。在海況允許的情況下，海上的安裝作業(yè)在1天內(nèi)即可完成，效率相對(duì)較高且基本上擺脫了水深限制。能夠在陸地上進(jìn)行部分調(diào)試是這種方案的最大優(yōu)勢(shì)，其明顯缺點(diǎn)則是要建設(shè)專(zhuān)用碼頭對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行整體組裝，不但存在選址困難且費(fèi)用也比較高。天氣變化情況對(duì)于運(yùn)輸及吊裝過(guò)程的影響較為敏感，存在較大的安裝風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在運(yùn)輸過(guò)程中必須充分做好避風(fēng)措施。運(yùn)輸距離控制在20海里范圍內(nèi)為宜。因?yàn)樾璺磸?fù)多次動(dòng)復(fù)員到碼頭進(jìn)行整體吊裝作業(yè)，所以小型機(jī)組在這種方案下的作業(yè)效率較低且成本偏高。但是隨著海上機(jī)組大型化發(fā)展，該方案在近海風(fēng)場(chǎng)建設(shè)中將占據(jù)一席之地。

海上風(fēng)電工程的施工交通運(yùn)輸中，最為關(guān)鍵的是場(chǎng)外交通和場(chǎng)內(nèi)交通。場(chǎng)外交通主要包括進(jìn)場(chǎng)交通、物資設(shè)備長(zhǎng)途運(yùn)輸，比如風(fēng)電場(chǎng)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)送到港口、鐵路車(chē)站，或者通過(guò)水路運(yùn)輸?shù)礁劭诘葏^(qū)域；除運(yùn)輸物資設(shè)備，還有人員等方面的運(yùn)輸任務(wù)，需要確保人員運(yùn)輸?shù)陌踩院图皶r(shí)性，保證海上風(fēng)電場(chǎng)的安全、高效建設(shè)。場(chǎng)外運(yùn)輸主要是運(yùn)輸基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)，以及升壓站等相關(guān)光結(jié)構(gòu)設(shè)備，由于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備體積較大，設(shè)備質(zhì)量較高，因此會(huì)選擇成本相對(duì)更低，并且運(yùn)載能力更強(qiáng)的水路運(yùn)輸方式運(yùn)輸?shù)胶Ｉ匣蛘呤┕がF(xiàn)場(chǎng)。施工過(guò)程中，還需要加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)的內(nèi)部聯(lián)系，保證施工過(guò)程中的場(chǎng)內(nèi)交通連貫性，比如確保風(fēng)電場(chǎng)施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部的工作區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)之間的交通連接，所以需要在陸上施工中搭建專(zhuān)門(mén)的臨時(shí)基地，以便能連接陸地到海上的交通路徑，為海上風(fēng)電場(chǎng)的施工提供補(bǔ)給和運(yùn)營(yíng)支持。在設(shè)計(jì)海上交通方案時(shí)，工程師應(yīng)該結(jié)合氣象、水文觀(guān)測(cè)、航道等因素設(shè)計(jì)運(yùn)輸路徑，尤其是對(duì)于基礎(chǔ)鋼管樁、升壓平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)塔筒、風(fēng)機(jī)葉片等這些設(shè)備均屬于超長(zhǎng)、超重的大型構(gòu)件，必須設(shè)計(jì)最科學(xué)的交通運(yùn)輸方案，保證風(fēng)電場(chǎng)施工能順利完成。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在當(dāng)前電力需求迅猛增長(zhǎng)背景下，我國(guó)海上風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)呈現(xiàn)出爆發(fā)態(tài)勢(shì)。在這種情況如何有效地運(yùn)輸海上風(fēng)電機(jī)組并做好安裝就顯得十分重要。有鑒于此，上文在充分結(jié)合筆者對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)研究以及自己多年工作實(shí)踐情況下主要就海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)輸與安裝方式展開(kāi)研究，以供廣大同行參考。