淺談海上風(fēng)機(jī)大部件更換的現(xiàn)況和困難

吉鵬程

(江蘇龍?jiān)凑袢A海洋工程有限公司，南通 226000)

0 引 言

近年來海上風(fēng)電在政策扶持和技術(shù)創(chuàng)新的大力支持下快速地發(fā)展，并加快全球風(fēng)電開發(fā)進(jìn)程。由于海上風(fēng)力資源豐富，風(fēng)源相對陸地更為穩(wěn)定，因此將風(fēng)電場從陸地發(fā)展至海上，儼然已經(jīng)成為一種新趨勢。海上風(fēng)電主要優(yōu)勢在于風(fēng)速更大，風(fēng)垂直切變更小，有穩(wěn)定的信號主導(dǎo)方向，年利用小時(shí)長。此外，海上風(fēng)電不占用土地資源，且接近沿海用電負(fù)荷中心，能夠充分地就地消納，避免了遠(yuǎn)距離輸電造成的電量浪費(fèi)。根據(jù)GWEC的官方數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)創(chuàng)歷史新高，首次突破6GW，累計(jì)裝機(jī)容量超29 GW。海上風(fēng)電發(fā)展的浪潮正在席卷全球。

1 國內(nèi)海上風(fēng)電發(fā)展情況

中國沿海地區(qū)海上風(fēng)能資源良好，且東南沿海城市均為電力負(fù)荷中心，就地消納能力強(qiáng)。根據(jù)水規(guī)總院初步規(guī)劃5～50米水深海上風(fēng)電開發(fā)潛力共約5.12億kW，可開發(fā)儲量巨大，未來市場空間廣闊。根據(jù)《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，“十三五”期間將積極穩(wěn)妥推進(jìn)海上風(fēng)電建設(shè)，重點(diǎn)推動江蘇、浙江、福建、廣東等省的海上風(fēng)電建設(shè)，到2020年四省海上風(fēng)電開工建設(shè)規(guī)模均達(dá)到百萬kW級；到2020年，全國海上風(fēng)電開工建設(shè)規(guī)模達(dá)到1 000萬kW，力爭累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)到500萬kW以上。因此，在政策、地理環(huán)境、市場需求的有利條件下，國內(nèi)的海上風(fēng)電正在蓬勃發(fā)展。

與全球風(fēng)電行業(yè)發(fā)展趨勢保持一致，在中國風(fēng)電行業(yè)整體快速發(fā)展的大環(huán)境下，中國海上風(fēng)電發(fā)展速度快于風(fēng)電行業(yè)整體發(fā)展速度。根據(jù)國家能源局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年底，海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)593萬kW，發(fā)展速度迅猛。

2 海上風(fēng)機(jī)大部件更換的現(xiàn)況

2.1 海上風(fēng)機(jī)大部件更換情況

由于我公司龍?jiān)凑袢A于2010年成立起，十年來一直致力于海上風(fēng)電施工領(lǐng)域，參與國內(nèi)早起海上風(fēng)電場建設(shè)施工，如：龍?jiān)慈鐤|潮間帶風(fēng)場、中廣核如東海上風(fēng)電場、華能如東海上風(fēng)電場、魯能東臺海上風(fēng)電場、龍?jiān)锤＝先諐u海上風(fēng)電場、龍?jiān)创筘S一期、二期海上風(fēng)電場、龍?jiān)词Y家沙海上風(fēng)電場等等。在海上風(fēng)電場建設(shè)的同時(shí)，也參與實(shí)施了眾多海上風(fēng)機(jī)大部件更換作業(yè)，市場占有率較高，因此積累許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。由于2018年之前，海上風(fēng)電場已投產(chǎn)風(fēng)場數(shù)量相對較少，風(fēng)機(jī)大部件更換數(shù)量很少，隨著2018年初，國內(nèi)海上風(fēng)電井噴式發(fā)展，海上風(fēng)電場數(shù)量急劇上升。現(xiàn)以近三年來(2018年1月-2020年7月)海上風(fēng)機(jī)大部件更換的情況進(jìn)行分析。

在上表中，需要特別說明的是，發(fā)生大部件更換的風(fēng)機(jī)多為早期風(fēng)場的風(fēng)機(jī)，由于2018年前投產(chǎn)海上風(fēng)電場多為試驗(yàn)風(fēng)場或存在部分試驗(yàn)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)在前期設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理等多個(gè)方面存在一定程度的缺陷和不足，因此風(fēng)機(jī)整體穩(wěn)定性不夠理想，機(jī)組的長期運(yùn)行容易引發(fā)風(fēng)機(jī)大部件故障。

此外，風(fēng)機(jī)大部件更換的另一個(gè)重要原因是，在海上風(fēng)電發(fā)展初期，國內(nèi)海上風(fēng)機(jī)大部件主要依靠歐洲進(jìn)口，又或是陸地風(fēng)機(jī)在海上的植入，風(fēng)機(jī)在海上出現(xiàn)水土不服的情況，導(dǎo)致海上風(fēng)機(jī)大部件更換事件的頻頻發(fā)生。據(jù)上表我司統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前國內(nèi)近三年海上風(fēng)機(jī)大部件更換部件主要為發(fā)電機(jī)(占比37.88%)、齒輪箱(占比33.33%)、主軸承(占比19.70%)，三者更換總和占比達(dá)89.9%。除此三種風(fēng)機(jī)大部件更換外，風(fēng)機(jī)主箱變、外置變頻器等也有更換情況的發(fā)生。

但隨著國內(nèi)風(fēng)機(jī)主要大部件的國產(chǎn)化，大部件設(shè)備廠家制造工藝的不斷成熟，設(shè)備出廠標(biāo)準(zhǔn)要求的不斷提高，大部件設(shè)備的可靠性也將逐步提高。因此，此類大部件更換的情況也將在未來的海上風(fēng)電場有所降低。

2.2 海上風(fēng)機(jī)大部件更換周期

現(xiàn)階段海上風(fēng)機(jī)大部件更換周期普遍較長，從風(fēng)機(jī)大部件故障停機(jī)至風(fēng)機(jī)大部件更換完成從新啟機(jī)運(yùn)行，短則一個(gè)月，長則兩三個(gè)月，更有甚者，風(fēng)機(jī)因大部件故障停機(jī)，整年風(fēng)機(jī)都未能啟機(jī)發(fā)電，給海上風(fēng)電投資人帶來了不小的損失。歸結(jié)原因，主要是以下幾點(diǎn)：

(1)海上大型風(fēng)電施工船舶資源緊缺。隨著2021年海上風(fēng)電搶裝潮的到來，國內(nèi)有限的施工船舶資源往往都投入到海上風(fēng)電場建設(shè)當(dāng)中去，無法及時(shí)響應(yīng)海上風(fēng)機(jī)大部件更換需求。實(shí)際情況往往都是利用就近建設(shè)期風(fēng)場的施工船舶在船機(jī)空檔期進(jìn)行風(fēng)機(jī)大部件更換，因此等待時(shí)間較長；

(2)潮間帶風(fēng)場通達(dá)性差，對大型施工船舶的船型、吃水要求高，施工時(shí)間受潮汐影響較大，施工船舶的進(jìn)場時(shí)間很難把握；此外，在江蘇如東潮間帶區(qū)域的海上風(fēng)電場，由于泥沙淤積，使得原本風(fēng)電場內(nèi)的泥面不斷增高。就以龍?jiān)慈鐤|環(huán)港海上風(fēng)電場為例，2012年某機(jī)位的掃海數(shù)據(jù)與2020年的同機(jī)位的掃海數(shù)據(jù)對比，泥面標(biāo)高增加可達(dá)1.1-1.2米，也就意味著原本安裝此臺風(fēng)機(jī)的施工船將無法在進(jìn)入此機(jī)位。一旦此風(fēng)機(jī)發(fā)生大部件故障需進(jìn)行大部件更換，則需要尋找吃水更淺且能滿足施工要求的施工船舶，這對海上風(fēng)電場運(yùn)行管理者們無疑又是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

(3)海上風(fēng)機(jī)大部件更換的風(fēng)險(xiǎn)大，由于海上風(fēng)機(jī)大部件更換不像風(fēng)機(jī)吊裝作業(yè)，施工工藝相對成熟，施工風(fēng)險(xiǎn)相對可控。而需要大部件更換的風(fēng)機(jī)往往已運(yùn)行投產(chǎn)數(shù)年，風(fēng)機(jī)設(shè)備本身存在一定磨損、老化、腐蝕，這也加大了大部件更換的施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，施工單位往往在權(quán)衡風(fēng)險(xiǎn)后，寧愿在建設(shè)期風(fēng)場內(nèi)吊裝新風(fēng)機(jī)，也不愿冒險(xiǎn)去已投產(chǎn)風(fēng)場進(jìn)行舊機(jī)組的大部件更換作業(yè)，這也從另一個(gè)方面加大了海上風(fēng)機(jī)大部件更換的難度。

3 思考與建議

現(xiàn)階段，海上風(fēng)機(jī)更換大部件受施工船舶資源限制較大，尤其是在2021年的“搶裝潮”前，風(fēng)機(jī)大部件更換的周期以及成本都會極大地提高。因此，如何有效地提高風(fēng)機(jī)大部件的更換周期以及降低施工成本是值得我們深入思考的。以下是我個(gè)人對現(xiàn)階段海上風(fēng)機(jī)大部件更換的幾點(diǎn)思考與建議：

(1)設(shè)計(jì)海上風(fēng)機(jī)大部件自維護(hù)平臺

設(shè)計(jì)海上風(fēng)機(jī)大部件自維護(hù)平臺，在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)自維護(hù)功能。可通過機(jī)艙內(nèi)航車將需更換的齒輪箱、發(fā)電機(jī)等大部件通過機(jī)艙尾部下放至自維護(hù)平臺，平臺設(shè)計(jì)能容納齒輪箱、發(fā)電機(jī)等大部件堆放空間，在通過小型浮吊船將舊件吊離平臺，新設(shè)備吊運(yùn)至自維護(hù)平臺。此方案只適用于齒輪箱、發(fā)電機(jī)等部件更換，對需要進(jìn)行葉輪拆除的部件則不適用。

(2)設(shè)計(jì)研發(fā)大部件維護(hù)工裝

設(shè)計(jì)研發(fā)大部件維護(hù)工裝，在已運(yùn)行風(fēng)機(jī)機(jī)組內(nèi)部拼裝、搭設(shè)能夠吊動齒輪箱、發(fā)電機(jī)等大部件的吊機(jī)工裝，配合牽引系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)大部件更換自維護(hù)。

風(fēng)機(jī)下方只需要通過小型浮吊船將舊件吊至甲板以及將新設(shè)備吊至牽引系統(tǒng)即可。此方案只適用于齒輪箱、發(fā)電機(jī)等部件更換，對需要進(jìn)行葉輪拆除的部件則不適用。

(3)簽訂長期合作協(xié)議或合作框架協(xié)議

通過與船機(jī)資源豐富的施工單位，船舶租賃方簽訂長期合作協(xié)議或合作框架協(xié)議，形成互惠互利，合作共贏。提前鎖定船機(jī)資源，獲得船機(jī)優(yōu)先使用權(quán)，提高大部件更換的響應(yīng)時(shí)間，從而有效地縮短施工成本及施工周期。

(4)投資專業(yè)大部件更換船舶

通過投資或入股適合自身海域風(fēng)機(jī)施工的專業(yè)大部件更換船舶，有利于保障自有風(fēng)場風(fēng)機(jī)的大部件更換整體效率，縮短施工成本和施工周期。同時(shí)，在船機(jī)空閑期，還可參與其他海上在建風(fēng)場的工程建設(shè)，產(chǎn)生一定的附加價(jià)值。