海上風電場運維設備發展概述

王建彪+張恭

摘 要：我國的海上風電開發正在迅速發展。本文結合我國海上風電場的建設規劃與運營維護需求，論述了海上風電場的運維設備發展情況及前進方向。

關鍵詞：海上風電；風電運維船；登乘通道

中圖分類號：U674.12 文獻標識碼：A

Development of Offshore Wind Farm Service Equipment

WANG Jianbiao， ZHANG Gong

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation ， Guangzhou 510250 ）

Abstract： The development of China's offshore wind power is rapid. Based on the construction planning and operation and maintenance requirements of offshore wind farm in China， this paper discusses the development of service equipment of offshore wind farm and its orientation.

Key words： Offshore wind power； Wind Farm Service vessel； Gangway

1 前言

海上風電具有資源豐富、發電利用小時數高、單機容量大、不占用土地、不消耗水資源以及適宜大規模開發等特點。自2010年我國首個海上風電示范項目——上海東海大橋102 MW項目并網發電后（圖1），海上風電場建設發展迅速。截止2016年底，我國海上風電累計裝機容量已達160萬kW。根據國家能源局“十三五”期間規劃目標，2020年我國海上風電開工建設規模1 000萬kW，有望成為全球海上風電第一大國。

2 海上風電場及維護的發展趨勢

目前海上風電發展的主要趨勢有兩點：離岸越來越遠；功率越來越大；海況也越來越差。這對海上風電場的維護作業帶來了更大的困難。現有的海上風電機組的維修主要包括定期維護（檢查、清潔等）、故障維修和備件管理三部分。據挪威船級社（DNV）推測，大約每30臺海上風機就需要1艘相關的維護船艇，試運轉階段的需求將更高。另外，每座海上風機平均每年可能會發生40次左右可造成停機的故障，整體的最大故障率達到3%，所以海上風電場的運營維護對專業裝備的需求量大，特別是對于海上人員運輸及相關物資和維護工具的輸送裝備。

3 海上風電場維護的方式與裝備

海上風電場的運營維護工作，首先是將維修人員及工具運輸至海上風電場。運輸工作可通過直升機或專業運維船來完成，國際上一般以運維船為主。風電運維船簡稱WFSV（Wind Farm Service/Support Vessel），根據實際的應用情況，又可將其分為WFCTV（Wind Farm Crew Transfer Vessel）和WFSOV（Wind Farm Service Operation Vessel）兩種船型。

3.1 直升機運輸維護

通過直升機運輸海上風電場人員及設備，具有機動性強、不受惡劣海況影響等特點，如圖2。但直升機運輸一般需要風電塔額外提供直升機懸停平臺，由于國內的風電塔一般沒有專門的此類平臺，同時考慮到直升機的運輸成本較高，所以一般使用較少。

3.2 小型風電運維船

小型風電運維船（WFCTV），主要運輸人員及所需小型配件，適合于短途運輸。資料顯示，這類船舶一般船長在20～25 m左右，型寬在6～9m左右，航速在25～30 kn左右；推進裝置為螺旋槳或噴泵；船體以鋁合金雙體船為主；搭載船員及維修人員10～20人左右。小型風維船主要是通過船頭頂靠風場基座立柱，維修人員由爬梯上至維修點，如圖3所示。這種輸送方式適用于海況較低、有義波高小于1.0 m的海域，如有義波高達到1.5～2.5 m，則需在首部配置專用的登乘設備。

3.3 大型運維船

大型風電運維船（WFSOV），一般排水量可達到數千噸，設有工作人員居住設施，適用于較大航程的運輸。如圖4所示為西門子公司的專業風電運維船，服務于德國海上風電場，配置2級動力定位系統，船長83.7 m、型寬17.6 m、航速14 kn、設有60多人的生活居住艙室，配有六自由度主動運動補償登靠系統。

4 風電運維登乘裝置

4.1 登乘通道裝置

大型風電運維船（WFSOV），可以滿足在高海況下開展風電塔的維護工作，但由于其噸位較大，在靠近風電機組時為避免撞擊塔基，一般先用動力定位將運維船停泊在風電塔附近，再使用專用登乘通道將人員運輸至風電塔。登乘通道一般具備主動補償船體運動的功能，如圖5、圖6所示。著名的荷蘭Ampelmann公司的產品，一般安裝于大型運維船，可通過六個自由度的液壓缸，實現對船舶波浪運動（橫搖、縱搖、升沉、首搖、縱蕩、橫蕩）的綜合補償。

小型運維船（WFCTV）雖然不會撞壞塔基，可以通過主機怠速頂靠來增強穩定性，但由于小船的耐波性較差，在搖晃的船體上登乘有一定的危險性，如圖7、圖8均顯示了在沒有專業登乘通道的情況下，人員登乘風電塔的情況。為避免這種危險，增加在一定海況下的輸送維修人員的能力，現在小型運維船也開始越來越多的搭載專業登乘裝置。

4.2 登乘通道工作原理

船舶的橫搖、縱搖和升沉等運動相互耦合作用產生廣義升沉運動，是造成風電塔登靠運維困難的主要原因。具備主動補償功能的海上登乘通道，通過運動傳感器監測船舶運動，并由程序實時計算維持通道穩定所需的補償量，經自身的轉動、橫搖、縱搖、伸縮、夾緊等多自由度運動，實現對船舶波浪運動的補償，使通道與風電塔基的梯子位置保持相對穩定，最終實現運維人員安全抵達風電塔的目的。其主要原理如圖9所示。

4.3 主動補償登乘通道的構成

主動補償通道主要由控制箱、液壓旋轉平臺、液壓穩定平臺、姿態測量單元、液壓伸縮跳板、液壓夾緊裝置、信號燈、電源等構成（見圖9）。其中控制箱設備的計算核心部件，在接收到姿態測量單元輸入的船體運動姿態信息后，通過液壓、電磁等系統控制登乘通道啟停和動作，實現登乘通道的穩定。

為保障安全，設備設有聲光信號報警系統，在程序認為控制與液壓系統運行穩定且登乘通道與風電塔的梯子相對位置穩定后，信號燈顯示綠色，運維人員可以通行。

4.4 主動補償登乘通道的著名產品

世界上著名的海上登乘通道產品提供商有英國OSBIT Power公司、荷蘭Ampelmann公司等，除了應用于海上風電場的運營維護，還廣泛應用于海洋平臺、浮式碼頭工程等領域，取得了較高的產品附加值。隨著國內高科技工業產品的研發投入持續增加，目前國產海上登乘通道設備在逐步打破國外的壟斷。如圖10所示為由廣州船舶與海洋工程設計研究院自主開發的三自由度主動補償登乘通道，設備最大伸長尺度約5 m，安裝于運維船首部位置，安全載荷175 kg，可在四級中等海況（設計有義波高2.2 m）下，將運維人員安全送往風電塔。

5 結語

隨著國內海上風電場的蓬勃發展及運維業務的興起，配套的運維服務船與專業的登乘設備顯示出廣闊的發展空間。國內船舶與海洋工程領域的設備廠商，在國家工業4.0戰略目標的引導下，應加大對登乘通道設備的研發力度，以擺脫對進口設備的依賴。endprint