海上風(fēng)電安裝技術(shù)及設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

◎汪瀚 中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司

1.海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景

1.1 我國海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

2010年7月，上海東海大橋海上風(fēng)電示范項目順利完工，代表了我國建成了第一個海上風(fēng)電場。其后，江蘇、廣東、福建等各省的海上風(fēng)電進(jìn)入大規(guī)模試驗和探索階段，逐步形成較成熟的海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)。

2020年9月，習(xí)近平主席向世界鄭重承諾：我國力爭2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。國家能源局最新數(shù)據(jù)顯示，2021年，我國風(fēng)電和光伏發(fā)電新增裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1.01億kW，其中風(fēng)電新增4757萬kW。從發(fā)展情況看，2021年海上風(fēng)電異軍突起，全年新增裝機(jī)1690萬kW，是此前累計建成總規(guī)模的1.8倍，目前累計裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2638萬kW，躍居世界第一。

1.2 我國海上風(fēng)電發(fā)展趨勢

截止2022年3月，全國各沿海地區(qū)海上風(fēng)電規(guī)劃及支持政策陸續(xù)出臺，其中，廣東、浙江、江蘇、山東、海南、廣西等地區(qū)已初步明確其海上風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)。據(jù)不完全統(tǒng)計，“十四五”期間，全國海上風(fēng)電規(guī)劃總裝機(jī)量超100GW，伴隨著海上風(fēng)機(jī)價格不斷下探及施工成本逐步降低，海上風(fēng)電在“十四五”階段將迎來爆發(fā)式增長。

2.海上風(fēng)電安裝技術(shù)及設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

目前，風(fēng)機(jī)安裝方式主要有2種，一種是整體式安裝，在后場基地將風(fēng)機(jī)部件拼裝成整體，通過加裝座架的專用平板駁船整體運(yùn)輸（單次可運(yùn)1～2臺），到機(jī)位后采用起重船整體起吊安裝；另一種是分體式安裝，采用支腿船進(jìn)點插樁至持力層，并通過升降系統(tǒng)使船體抬離水面，或者采用坐底平臺通過壓載系統(tǒng)下潛至海床，又或者直接采用起重船進(jìn)行浮式分體安裝。

兩種安裝方式的優(yōu)缺點比較見表1。

表1 整體式與分體式安裝方式比較

2.1 整體安裝技術(shù)

風(fēng)機(jī)整體安裝技術(shù)先后在上海東海大橋海上風(fēng)電示范項目、國電普陀、珠海桂山、國華東臺、華能山東半島等9座風(fēng)場應(yīng)用，適用基礎(chǔ)形式涵蓋了高樁承臺、導(dǎo)管架和單樁基礎(chǔ)。

整體安裝采用“后場基地整機(jī)拼裝、專用船舶運(yùn)輸、整體風(fēng)機(jī)吊裝、軟著陸定位安裝”的技術(shù)路線，重點需要1套完整的緩沖著陸定位安裝系統(tǒng)來控制風(fēng)機(jī)的下降速度和安裝精度。該系統(tǒng)由平衡梁及索具系統(tǒng)、上部吊架系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)、下部就位系統(tǒng)以及中央控制系統(tǒng)組成。其中，平衡梁及索具系統(tǒng)用于完成風(fēng)機(jī)的后場基地組拼、海上運(yùn)輸及吊裝；上部吊架系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)和下部就位系統(tǒng)共同作用，完成塔筒對接的導(dǎo)向、緩沖、同步升降以及精準(zhǔn)定位自動對中，使風(fēng)機(jī)順利安裝在單樁基礎(chǔ)上；中央控制系統(tǒng)則通過監(jiān)測和控制來實現(xiàn)風(fēng)機(jī)整體安裝的自動化。

2.2 分體安裝技術(shù)

分體安裝技術(shù)指的是將風(fēng)電機(jī)組中的分部構(gòu)件（塔筒、輪轂、主機(jī)、葉片）通過運(yùn)輸船運(yùn)送至風(fēng)機(jī)機(jī)位，由安裝船進(jìn)行拼接安裝。此技術(shù)是現(xiàn)階段風(fēng)電機(jī)組安裝中最為常見的一種安裝技術(shù)。根據(jù)安裝船特點，具體可分為以下4種類型。

2.2.1 坐底式風(fēng)電安裝船

我國部分海域的海床有深厚的淤泥層，甚至像玉環(huán)、蒼南風(fēng)場有些淤泥層已達(dá)到40m深，極少有支腿船能在該海域進(jìn)行安裝作業(yè)，于是坐底安裝解決了很多尤其長三角一帶、包括近海潮間帶這樣的海上風(fēng)電安裝難題。

其工作原理是通過壓載系統(tǒng)下潛至海床上，接著使用錨泊系統(tǒng)進(jìn)行固定，使坐底船保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，最后進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝工作。該種類型安裝船的優(yōu)點是穩(wěn)定性高、適用于深厚淤泥底質(zhì)條件、極大降低施工成本。但缺點也比較明顯，例如，受水深限制影響大、坐底不實易出現(xiàn)滑移、船底容易掏空造成船體斷裂。

2.2.2 浮式分體安裝（起重船）

在2021年“搶裝潮”的推動下，為了加快風(fēng)機(jī)安裝工效，我國率先在世界范圍內(nèi)開發(fā)了固定機(jī)位的浮式分體安裝。從效果來看，尤其在風(fēng)浪相對較小的浙江北部海域和江蘇海域具有適應(yīng)性，配合坐底安裝葉片形成流水作業(yè)可提高工效接近80%。目前，已有嘉興1號、岱山4號、興化灣、長樂、奉賢五座海上風(fēng)場實現(xiàn)了浮式分體安裝。

該種類型的安裝船優(yōu)點突出，起重船資源較為豐富，操作性能高，而且能與沉樁分項工程一起攤銷施工成本。但也存在一定不足，起重船對海況要求較高，風(fēng)機(jī)安裝的穩(wěn)定性較差，而且起重吊高也可能成為此工藝發(fā)展的限制因素。

2.2.3 自升式風(fēng)電安裝船

自升式風(fēng)電安裝船是目前海上風(fēng)電最常見的一種風(fēng)電安裝船，該類型安裝船有配備4個樁腿（圓柱鋼樁腿或三角桁架腿）的安裝平臺，也有通過鉆井平臺進(jìn)行改造的海上施工安裝平臺，可利用鉆井平臺自身擁有的深海作業(yè)特性的優(yōu)勢，滿足更深海域定位作業(yè)。工作原理是抵達(dá)施工機(jī)位后，插樁至持力層，并通過升降系統(tǒng)使船體抬離水面，進(jìn)行風(fēng)機(jī)的安裝。

該種類型的安裝船最大優(yōu)點是作業(yè)穩(wěn)定性強(qiáng)，但缺點比較明顯，因該類型安裝船其自身沒有自航能力，只能通過拖輪輔助其進(jìn)點安裝，增加了在施工現(xiàn)場進(jìn)行機(jī)位轉(zhuǎn)換消耗的時間，操作靈活性差。

2.2.4 自航自升式風(fēng)電安裝船

自航自升式風(fēng)電安裝船是目前國內(nèi)外最先進(jìn)的風(fēng)電安裝船類型，已成為全球海上風(fēng)電建設(shè)的最優(yōu)裝備選擇。與前面3種安裝船比較，自航自升式風(fēng)電安裝船擁有優(yōu)異的自航能力和靈活的動力定位系統(tǒng)，在進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝和移位作業(yè)時，效率相對較快，且自身能夠搭載多套風(fēng)機(jī)組件，能夠進(jìn)行高效的安裝作業(yè)。缺點是若采用運(yùn)、裝一體的施工路線，將承受更大成本壓力，且需要風(fēng)電母港的配合。

2.3 目前存在的問題

國內(nèi)海上風(fēng)電的吊裝技術(shù)及設(shè)備基本成熟，但面對目前海上風(fēng)電飛速發(fā)展的壓力，當(dāng)前的安裝技術(shù)及設(shè)備仍有待提高。從國內(nèi)看，我國在自主研發(fā)大容量機(jī)組方面已取得了重大突破。2020年8月，東方風(fēng)電10MW機(jī)型已正式交付，開始應(yīng)用于福建興化灣二期海上風(fēng)電場。

在國外風(fēng)電安裝市場，GE 等12 MW風(fēng)機(jī)機(jī)組已經(jīng)投入使用。2021年，在北京國際風(fēng)能大會上，明陽智能、金風(fēng)科技、上海電氣、中國海裝等風(fēng)機(jī)供貨商分別發(fā)布了10MW級以上的風(fēng)電機(jī)組。海上風(fēng)電機(jī)組大型化已是必然趨勢。

2.3.1 安裝技術(shù)工藝不合理

①技術(shù)要求通用性不強(qiáng)。目前，國內(nèi)海上風(fēng)電行業(yè)對安裝的要求基本上以風(fēng)機(jī)供貨廠家的安裝手冊為主，幾乎每種機(jī)型的安裝要求均不統(tǒng)一，可歸納性不強(qiáng)，不便于參建人員對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的掌握。

②吊裝工藝對成品保護(hù)、安裝安全造成較大風(fēng)險。近幾年，國內(nèi)海上風(fēng)電的安裝工藝大同小異，多數(shù)工藝的選定完全結(jié)合現(xiàn)有船機(jī)設(shè)備的性能而敲定，所以會出現(xiàn)為滿足純技術(shù)的可行性而忽視起重安全風(fēng)險、成品保護(hù)的現(xiàn)象。

③設(shè)計理念仍存在偏離工程實際，造成安裝工藝的局限性。目前，海上風(fēng)電的設(shè)計理念缺少對安裝工藝的充分考慮，進(jìn)而增大安裝的難度系數(shù)，使良好的技術(shù)工藝得不到實現(xiàn)。

④安裝工序仍以人力輔助控制為主。國內(nèi)大型船機(jī)設(shè)備吊裝施工的過程中，多數(shù)仍采用人力輔助定位、對接。安裝技術(shù)中對人力的節(jié)省、人員安全的考慮不夠完善。

2.3.2 設(shè)備性能停滯不前

①安裝船舶自身性能針對風(fēng)機(jī)安裝這一領(lǐng)域的專業(yè)性不足，尤其是針對風(fēng)電安裝的特殊工藝要求沒有在船機(jī)設(shè)備上充分響應(yīng)。

②專業(yè)的吊索具、工器具的合理性不強(qiáng)。不同的風(fēng)機(jī)機(jī)型會配套專業(yè)吊索具，目前國內(nèi)自行研發(fā)的遙控、智能專用吊索具數(shù)量甚微，多數(shù)仍以笨重剛性控制方式為主。

2.3.3 缺少成熟的風(fēng)電母港

以全球海上風(fēng)電第一港丹麥埃斯比約港為例，該港已經(jīng)形成完整的海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈，擁有良好的靠泊條件、專業(yè)化的組裝設(shè)施和廣闊的預(yù)裝配堆場，可為整個歐洲海域內(nèi)的海上風(fēng)電項目提供運(yùn)輸、安裝及運(yùn)維支持，歐洲每年70～80%新制造的海上風(fēng)機(jī)均從埃斯比約港運(yùn)往世界各地輻射全球市場。

相比較我國的江蘇南通如東小洋口風(fēng)電母港、廣東陽江海上風(fēng)電母港等，雖然借鑒了國外成功經(jīng)驗，紛紛布局由海入陸，建起龐大的海上風(fēng)電企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，但產(chǎn)業(yè)鏈的適應(yīng)性、融合性、服務(wù)性仍需提高，無法覆蓋全國需求。

3.未來海上風(fēng)電安裝技術(shù)及設(shè)備發(fā)展趨勢

3.1 未來海上風(fēng)電安裝技術(shù)

目前，我國海上風(fēng)電主流施工特點是裝、運(yùn)分離的工藝路線，國內(nèi)將近40條風(fēng)電安裝船大部分沒有自航能力，只能在場內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，所有的分體部件均依靠運(yùn)輸船來提供。優(yōu)點是對船機(jī)裝備要求低，缺點顯而易見，輔助船過多，容易出現(xiàn)木桶的短板理論，也可能不適應(yīng)深水大浪的環(huán)境條件。

參考?xì)W洲海上風(fēng)場，裝、運(yùn)一體化吊裝實踐比較成功，在風(fēng)機(jī)設(shè)備供應(yīng)充足的情況下，A2SEA所屬的一艘自升自航式風(fēng)電安裝船曾經(jīng)在2019年創(chuàng)下單艘船“45天安裝26套海上風(fēng)機(jī)設(shè)備”的世界記錄，產(chǎn)生了良好的效益，核心施工船機(jī)和海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)形成了良好的互動。Scylla號在英國外海風(fēng)電場的作業(yè)也十分成功，由于單船作業(yè)，船舶尺度大，耐波性好，作業(yè)窗口期長；配置齊，作業(yè)效率高；無需配套船組配合，海上作業(yè)安全性提升顯著，對工程整體成本控制也更有利。

對未來做預(yù)測，結(jié)合目前國內(nèi)新造安裝船計劃來看，均考慮了裝運(yùn)一體的工藝路線。因此，海上風(fēng)電安裝的一體化吊裝作業(yè)是節(jié)約施工成本和提高安裝效率的關(guān)鍵方案。

3.2 海上風(fēng)電設(shè)備的發(fā)展趨勢

（1）海上風(fēng)電建設(shè)向深水區(qū)邁進(jìn)是大勢所趨，從沿海的灘涂和淺水區(qū)向50m水深區(qū)域以至更深的區(qū)域都要考慮。

（2）一體化吊裝作業(yè)可以節(jié)約成本并減少施工時間，這就需要主吊能力越來越大。一方面隨著海上風(fēng)電機(jī)組大型化，風(fēng)機(jī)越來越重；另一方面2000t的主吊能力已成為目前新建風(fēng)電安裝船的主流趨勢。

（3）主甲板的承載能力、利用面積直接影響運(yùn)輸風(fēng)機(jī)設(shè)備的安全和數(shù)量，故提高主甲板的承載能力和可利用面積能極大提高運(yùn)輸和安裝效率。

（4）隨著海上風(fēng)電建設(shè)的日趨成熟和復(fù)雜化，海上風(fēng)電安裝船的功能仍需完善，如打樁、安裝一體化作業(yè)，配備DP2以上的動力定位系統(tǒng)和其他相關(guān)功能。

4.如何助推海上風(fēng)電安裝的發(fā)展

4.1 培養(yǎng)專業(yè)建設(shè)隊伍

對建設(shè)團(tuán)隊人員進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，不僅要求具有風(fēng)電專業(yè)素養(yǎng)，也應(yīng)掌握外海自然條件、施工船舶專業(yè)知識。在海上風(fēng)電安裝施工中，往往需要多船只、多任務(wù)協(xié)同操作，應(yīng)根據(jù)海上風(fēng)電安裝經(jīng)驗，結(jié)合實際自然條件選擇合適的安裝設(shè)備，制定最優(yōu)的施工技術(shù)方案。同時，伴隨著海上風(fēng)電安裝經(jīng)驗的不斷積累，制定針對海上風(fēng)電的通用性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過精細(xì)化施工提高工程質(zhì)量和降低施工成本，實現(xiàn)降本增效。

4.2 統(tǒng)籌優(yōu)化船舶裝備能力

針對海上風(fēng)電安裝特點打造專業(yè)的施工船舶，降低風(fēng)電安裝的難度系數(shù)，破除工藝的局限性，將復(fù)雜的工藝簡單化。同時，應(yīng)將智能設(shè)備應(yīng)用到海上風(fēng)電安裝工程中，在對風(fēng)力變化、設(shè)備磨損度的檢測、專用吊裝工具上運(yùn)用最先進(jìn)的設(shè)備，以提升安裝靈活度和準(zhǔn)確度。選用最合適的裝備工具，為工序銜接增效。

4.3 加強(qiáng)科技創(chuàng)新

進(jìn)一步加強(qiáng)科技創(chuàng)新，推動施工生產(chǎn)，實現(xiàn)降本增效。充分發(fā)揮海洋工程基礎(chǔ)實驗室科技攻關(guān)作用，針對未來深水遠(yuǎn)海大兆瓦風(fēng)機(jī)安裝開展課題研究，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、風(fēng)機(jī)安裝、海上升壓站施工、海纜施工等方面超前謀劃，力爭取得技術(shù)突破，優(yōu)化工藝流程，加強(qiáng)施工生產(chǎn)組織管理，全面提升海上風(fēng)電施工效率，提高平價時代的核心競爭力。

5.結(jié)束語

伴隨著海上風(fēng)機(jī)價格不斷下探及施工成本逐步降低，相關(guān)人員更應(yīng)該突破傳統(tǒng)思維，大膽走向“深遠(yuǎn)海”，開發(fā)合理的風(fēng)機(jī)機(jī)型，打造先進(jìn)的風(fēng)電施工船舶，推崇智能化吊裝工具及控制系統(tǒng)，選定編制合理適用有效的安裝技術(shù)方案，做到技術(shù)與設(shè)備的高端結(jié)合，實現(xiàn)高科技、高水平、高智能化的安裝工藝，才能使國內(nèi)海上風(fēng)電安裝技術(shù)走向世界，創(chuàng)造輝煌。