國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)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(dá)

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

海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維涉及的對(duì)象較多，如風(fēng)電機(jī)組、基礎(chǔ)、升壓站、海纜等，需要采取不同的運(yùn)維策略來配套相應(yīng)的運(yùn)維設(shè)備。在國(guó)外，海上風(fēng)電運(yùn)維市場(chǎng)已經(jīng)非常成熟，而國(guó)內(nèi)則剛剛起步，缺乏運(yùn)行維護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備研制也處于摸索階段。

通常我們所說的專業(yè)風(fēng)電運(yùn)維船是指用于日常維護(hù)或小部件更換的運(yùn)維船，包括雙體風(fēng)電運(yùn)維船和三體風(fēng)電運(yùn)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(diǎn)。風(fēng)電機(jī)組的大部件更換則需要更大的自升式運(yùn)維船，這暫不納入本文討論的范圍內(nèi)。

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

市場(chǎng)現(xiàn)狀

我國(guó)海上風(fēng)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(fēng)電運(yùn)維市場(chǎng)已經(jīng)初見雛形，出現(xiàn)了能夠獨(dú)立提供專業(yè)運(yùn)維服務(wù)的第三方企業(yè)，如南通風(fēng)電運(yùn)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(fēng)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(yùn)維公司——福建海上風(fēng)電運(yùn)維服務(wù)有限公司規(guī)劃開展獨(dú)立的第三方運(yùn)維服務(wù)。

目前，國(guó)內(nèi)的專業(yè)運(yùn)維船數(shù)量不多，主要集中在江蘇與福建兩省，包括“風(fēng)電運(yùn)維5”“龍?jiān)催\(yùn)維1”“新能運(yùn)維1201”“豐能1”“運(yùn)維001”“潤(rùn)邦海豚1”等。

圖1 風(fēng)電運(yùn)維5

一、風(fēng)電運(yùn)維5

“風(fēng)電運(yùn)維5”號(hào)是一艘雙體、雙機(jī)、雙槳、全鋼質(zhì)的海上風(fēng)電運(yùn)維船，于2016年9月建成。該船長(zhǎng)28m，型寬10.8m，型深3.7m，采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳推進(jìn)，航速約為13節(jié)。“風(fēng)電運(yùn)維5”號(hào)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(dá)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(shí)現(xiàn)登靠，具備坐灘能力。“風(fēng)電運(yùn)維5”號(hào)為南通風(fēng)電運(yùn)維海洋工程有限公司所有。

二、龍?jiān)催\(yùn)維1

“龍?jiān)催\(yùn)維1”號(hào)是國(guó)內(nèi)最早的雙體運(yùn)維船之一，目前與“新能海裝1201”號(hào)共同服務(wù)于江蘇如東海上風(fēng)電場(chǎng)。該船長(zhǎng)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(jī)一部。航區(qū)設(shè)計(jì)為沿海、航速可達(dá)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(cè)停靠靠近基礎(chǔ)。

三、新能運(yùn)維1201

“新能運(yùn)維1201”號(hào)目前主要用于江蘇如東海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維作業(yè)，是國(guó)內(nèi)首艘鋁合金專業(yè)海上風(fēng)電運(yùn)維雙體船，其以“龍?jiān)催\(yùn)維1”號(hào)為母型船。該船總長(zhǎng)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(dá)20節(jié)。“新能運(yùn)維1201”號(hào)還取消了“龍?jiān)催\(yùn)維1”號(hào)所配備的吊機(jī)，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(dá)200海里。

圖2 龍?jiān)催\(yùn)維1

四、豐能1

“豐能1”號(hào)是一艘雙體運(yùn)維船，主要用于海上風(fēng)電日常巡查、維護(hù)、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(zhǎng)26.88m，型寬8.4m，型深3.0m，設(shè)計(jì)吃水深度1.7m。船身為鋼質(zhì)，航速達(dá)15節(jié)，抗風(fēng)等級(jí)為8級(jí)，可作業(yè)浪高達(dá)1.5m。該船的定員為4人，并設(shè)有船員鋪位4個(gè)，可載6名乘客，設(shè)計(jì)航區(qū)為近海。“豐能1”號(hào)現(xiàn)用于江蘇大豐區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)，船甲板未設(shè)置起重吊機(jī)。

五、運(yùn)維001

“運(yùn)維001”號(hào)是由福建船舶投資有限公司投資的專業(yè)海上風(fēng)電運(yùn)維船，于2016年5月開始建造。該船為鋁合金制雙體船，船長(zhǎng)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(dá)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(dòng)補(bǔ)償?shù)强垦b置，保證維護(hù)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(wú)住宿船艙，無(wú)法在船上過夜。“運(yùn)維001”號(hào)最高可抗風(fēng)速為25m/s的海況，作用浪高可達(dá)2.5m。滿載續(xù)航能力為300海里，船舶自持力為20小時(shí)。

六、潤(rùn)邦海豚1

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

各運(yùn)維船的參數(shù)如表1所示。

海上風(fēng)電運(yùn)維船分析

一、配套裝備

我國(guó)各個(gè)海域有其不同的特點(diǎn)。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(tái)風(fēng)影響小。因此，以服務(wù)江蘇海域?yàn)槟繕?biāo)的運(yùn)維船基本具備坐灘能力，以適應(yīng)巨大的潮差。受臺(tái)灣海峽“狹管效應(yīng)”影響，福建海域的年平均風(fēng)速高，沿海地區(qū)平均風(fēng)力>3級(jí)，沿海歷年≥6級(jí)大風(fēng)的日數(shù)為15—110天。該海域受臺(tái)風(fēng)影響嚴(yán)重，1959年—2009年，正面登陸福建的臺(tái)風(fēng)有136個(gè)，平均一年有2.7個(gè)。以服務(wù)福建海域?yàn)槟繕?biāo)的運(yùn)維船需具備較好的抗風(fēng)浪能力，船身尺寸不宜過小。

表1 國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)維船參數(shù)表

表2 海上風(fēng)電運(yùn)維船安裝折臂吊的優(yōu)缺點(diǎn)

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

1. 折臂吊

根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，部分運(yùn)維船前甲板裝有折臂吊，如“風(fēng)電運(yùn)維5”“龍?jiān)催\(yùn)維1”“運(yùn)維001”。折臂吊的作用是方便起吊維修工具或維修部件至風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)，起重量一般為1T，吊高在10m左右。還有一些運(yùn)維船并未安裝吊機(jī)，而是利用海上平臺(tái)吊機(jī)起吊維修工具與備件。對(duì)于運(yùn)維船是否需要配備吊機(jī)，目前沒有統(tǒng)一定論，其優(yōu)缺點(diǎn)分析如表2所示。

2. 主動(dòng)補(bǔ)償式登乘棧橋

海上的天氣情況復(fù)雜，且瞬息萬(wàn)變。由于風(fēng)浪和潮汐的作用，導(dǎo)致運(yùn)維船與風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)爬梯之間有一定的水平或垂直距離，一般要求運(yùn)維船的船首與風(fēng)電機(jī)組塔基的相對(duì)距離小于成年人步長(zhǎng)（60cm）的1/2。因此，海上風(fēng)電市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)难b置，借助傳感器檢測(cè)船體和行走步橋運(yùn)動(dòng)，然后通過測(cè)量數(shù)據(jù)補(bǔ)償船體的運(yùn)動(dòng)，使人行走的棧橋保持相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)，以利于人員的安全行走，直至攀登上基礎(chǔ)爬梯。

國(guó)外的主動(dòng)補(bǔ)償式登乘棧橋已經(jīng)趨于成熟，但從國(guó)外引進(jìn)設(shè)備的費(fèi)用較高。國(guó)內(nèi)目前也開展了主動(dòng)補(bǔ)償式登乘棧橋的自主研發(fā)，可通過監(jiān)測(cè)船舶運(yùn)動(dòng)、實(shí)時(shí)調(diào)整自身液壓油缸，完成對(duì)船舶橫搖、縱搖及升沉三個(gè)自由度的彌補(bǔ)。登乘棧橋已投用在“運(yùn)維001”號(hào)上，填補(bǔ)了海上配套裝備的空白。相比進(jìn)口設(shè)備，國(guó)產(chǎn)設(shè)備的造價(jià)較低，但可靠性與穩(wěn)定性還需進(jìn)一步提升。

在國(guó)內(nèi)，目前安裝主動(dòng)補(bǔ)償式登乘棧橋的運(yùn)維船相對(duì)較少，一是由于大部分已建運(yùn)維船主要服務(wù)于江蘇海域，該地區(qū)的海況平穩(wěn)，風(fēng)浪小，通過普通頂靠方式即可登陸風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)；二是基于節(jié)約成本的考慮，一套國(guó)產(chǎn)的主動(dòng)補(bǔ)償式登乘棧橋的費(fèi)用占總造價(jià)的1/4—1/2。同時(shí)，船舶的配套設(shè)備越多，故障率也越高。

3. 減震座椅

運(yùn)維船在海上的航行速度較快，有些運(yùn)維船采用普通座椅，可能會(huì)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(gè)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(jià)較高。

二、性能分析

海上風(fēng)電運(yùn)維船主要用于風(fēng)電機(jī)組的日常運(yùn)維，及時(shí)將維修人員安全送上機(jī)組平臺(tái)，需要兼顧適用性和經(jīng)濟(jì)性。我國(guó)從北到南各個(gè)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(shè)計(jì)的運(yùn)維船抗浪能力為1.5m。運(yùn)維船多采用雙體式的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，一般可承受0.5—1.5m的有義波高，船長(zhǎng)在20米左右，載人數(shù)量一般為12人。

目前，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電場(chǎng)的離岸距離基本在30海里以內(nèi)，航程較近，航時(shí)較短。隨著海上風(fēng)電開發(fā)往深海發(fā)展，以后還需要搭配工作母船完成運(yùn)維任務(wù)。

從船體材料來看，主要有玻璃鋼（FRP）、鋁合金、鋼質(zhì)或剛?cè)岢錃馔В≧IB）。基于船體性能和建造成本的綜合考慮，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)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(qiáng)度則正好與之相反。

圖4 海上平臺(tái)吊機(jī)

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(fēng)浪沖擊載荷，“風(fēng)電運(yùn)維5”號(hào)即為全鋼質(zhì)的運(yùn)維船。其缺點(diǎn)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(jī)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(jià)高。

運(yùn)維人員在船上的耐受時(shí)間為1小時(shí)，最長(zhǎng)不超過80分鐘。目前，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)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(shí)左右到達(dá)機(jī)位點(diǎn)。國(guó)外要求運(yùn)維船能夠在半個(gè)小時(shí)左右到達(dá)機(jī)位點(diǎn)，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(shí)能夠快速往返，并保證充足的作業(yè)時(shí)間。因此，國(guó)內(nèi)運(yùn)維船在航速設(shè)計(jì)方面還有待進(jìn)一步提高。

圖3 折臂起重吊機(jī)

圖5 “運(yùn)維001”號(hào)上的補(bǔ)償?shù)浅搜b置

圖6 減震座椅

表3 運(yùn)維船評(píng)價(jià)

吃水深度也是設(shè)計(jì)運(yùn)維船時(shí)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(duì)于一些位于潮間帶的海上風(fēng)電場(chǎng)，潮差大，退潮時(shí)水深較淺，甚至?xí)稙瞬捎贸运疃容^淺的船舶，否則容易擱淺。海上的天氣復(fù)雜，運(yùn)維船應(yīng)該能在天氣情況較不利的情況下安全行駛，國(guó)內(nèi)已建海上風(fēng)電運(yùn)維船的抗風(fēng)能力在6—7級(jí)之間，符合海事局“逢七不開”的規(guī)定。

三、經(jīng)濟(jì)性分析

依據(jù)國(guó)外的數(shù)據(jù)，一個(gè)吊裝80臺(tái)機(jī)組的海上風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)后，每年需要1000次的人為干預(yù)，約6000人次的登機(jī)處理。每臺(tái)海上機(jī)組每年有40次停機(jī)故障，大約每30臺(tái)風(fēng)電機(jī)組需要一艘專業(yè)運(yùn)維船維護(hù)。運(yùn)維船一年可以出行200天以上，投資回收期按5年計(jì)算，一艘造價(jià)約為400萬(wàn)元的運(yùn)維船，在考慮每年經(jīng)營(yíng)成本的情況下，月租金的市場(chǎng)價(jià)在20萬(wàn)元左右，且不包括運(yùn)維人員的工資及船舶油耗的費(fèi)用。即以海上風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量為5MW估算，一個(gè)15萬(wàn)千瓦的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)配備1艘運(yùn)維船，每年的租船費(fèi)用將在200萬(wàn)元左右。

我國(guó)海上風(fēng)電運(yùn)維市場(chǎng)剛剛興起，行業(yè)還在摸著石頭過河，應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)維的需求，加大船舶設(shè)計(jì)研發(fā)力度，合理配置船舶配套設(shè)施，控制運(yùn)維成本，促進(jìn)市場(chǎng)的規(guī)范、成熟。

四、運(yùn)維船評(píng)價(jià)

從國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀來看，各個(gè)運(yùn)維船的設(shè)計(jì)理念不同，在快速性、舒適性、安全性、經(jīng)濟(jì)性上各有取舍，業(yè)主可以基于風(fēng)電場(chǎng)情況來進(jìn)行選擇。根據(jù)各個(gè)運(yùn)維船的性能、配套裝備及造價(jià)，對(duì)其快速性、舒適性、安全性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果如表3所示。

結(jié)語(yǔ)

歐洲已有多艘海上風(fēng)電運(yùn)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(zhǔn)地靠泊到風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)處。我國(guó)海上風(fēng)電專業(yè)運(yùn)維船的數(shù)量偏少，江蘇盡管擁有國(guó)內(nèi)目前最多的運(yùn)維船，卻遠(yuǎn)不能滿足海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維的需要，這一市場(chǎng)空間巨大。

國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)維船的建造剛剛起步，經(jīng)驗(yàn)主要來自對(duì)國(guó)外運(yùn)維船的借鑒，對(duì)性能和功能要求的考慮尚有欠缺，各方設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，質(zhì)量良莠不齊，不利于未來大規(guī)模運(yùn)維工作的開展。因此，建議業(yè)主、整機(jī)商、運(yùn)維公司三方應(yīng)盡快聯(lián)合開展海上風(fēng)電運(yùn)維船相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，推進(jìn)行業(yè)發(fā)展。