國內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)維船發(fā)展現(xiàn)狀與經(jīng)濟(jì)性評估1

王 菲，嚴(yán)輝煌，張 竹，方 晶，沈星星，王九華

（江蘇金風(fēng)科技有限公司，江蘇鹽城 224000）

0 引言

隨著全球能源消費(fèi)的增長和能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，各國均將發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)作為實(shí)施能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要途徑。無論是從當(dāng)前生態(tài)環(huán)境治理的現(xiàn)實(shí)需求，還是從國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的長遠(yuǎn)需要來看，都需要大力發(fā)展可再生能源。

風(fēng)能作為一種重要的可再生能源，具有可再生、無污染、蘊(yùn)藏量大、分布廣的特點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式，也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑之一。

我國海上風(fēng)電潛力巨大，可開發(fā)容量達(dá)到30億千瓦，沿海各省市高度重視海上風(fēng)電的發(fā)展。在“十四五”期間，我國海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量超過4 400萬千瓦，年均新增裝機(jī)容量超過1 000萬千瓦。截至2021 年末，中國海上風(fēng)電累計(jì)投產(chǎn)裝機(jī)容量達(dá)到23.4 GW，成為全球最大的海上風(fēng)電市場。2021年后，國家取消對海上風(fēng)電的電價(jià)補(bǔ)貼，開啟了平價(jià)的新紀(jì)元[1]。

海上風(fēng)電運(yùn)維船是用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)的船舶，承擔(dān)著運(yùn)輸、儲(chǔ)藏、緊急救助等任務(wù)，其合理配備是海上風(fēng)電高質(zhì)量運(yùn)維的必備條件，其運(yùn)維能力更是海上風(fēng)電場性價(jià)比的決定因素之一。

本文以國內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)維船為研究對象，對風(fēng)電運(yùn)維船的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，對當(dāng)前存在的問題進(jìn)行分析并提出相關(guān)改進(jìn)建議。在此基礎(chǔ)上，對不同海域的運(yùn)維船進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，根據(jù)分析結(jié)果確定最佳類型。

1 國內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)維船簡介

1.1 發(fā)展歷程

作為海上風(fēng)力發(fā)電場運(yùn)行維護(hù)的專用船舶，海上風(fēng)電運(yùn)維船在一般海況中具有良好的操作性、穩(wěn)定性以及舒適性，并且能夠低速準(zhǔn)確地靠泊到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)或升壓站基礎(chǔ)靠船樁上，使風(fēng)機(jī)運(yùn)維人員安全地登上風(fēng)機(jī)或升壓站進(jìn)行維護(hù)工作。此外，運(yùn)維船舶的甲板區(qū)應(yīng)具有存放工具、備品備件等物資的集裝箱，以及用于存放風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)維專用設(shè)備的區(qū)域。若近海風(fēng)場離岸距離較遠(yuǎn)，則運(yùn)維船舶還應(yīng)具有運(yùn)維人員短期臨時(shí)住宿生活的條件和舒適的夜泊功能。

我國海上風(fēng)電運(yùn)維船的發(fā)展經(jīng)歷了從無到有的艱難過程，在借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)并考慮實(shí)際風(fēng)場使用情況后，國內(nèi)運(yùn)維船在設(shè)計(jì)和性能方面均有了顯著提升。我國海上風(fēng)電運(yùn)維船的發(fā)展歷程見圖1。

圖1 我國海上風(fēng)電運(yùn)維船發(fā)展歷程

如圖1 所示，在我國海上風(fēng)電發(fā)展的初期，海上風(fēng)電項(xiàng)目利用非專業(yè)船只（如木質(zhì)漁船和鋼質(zhì)漁船）進(jìn)行人員、物資的運(yùn)輸工作。該類船舶性能無法滿足專業(yè)運(yùn)維船的功能性要求，導(dǎo)致人員上下風(fēng)機(jī)風(fēng)險(xiǎn)高，易造成夾傷、人員落水、骨折等事故。隨著海上風(fēng)電場離岸距離越來越遠(yuǎn)，海況環(huán)境越來越惡劣，傳統(tǒng)的漁船或單體運(yùn)維船因其安全性較低、航速較慢、舒適性較差，往往會(huì)造成部分人員身體和精神不適，進(jìn)而影響運(yùn)維工作效率。近年來，我國對海上風(fēng)電運(yùn)維安全的重視程度不斷提高，嚴(yán)禁單體漁船或非交通船性質(zhì)的運(yùn)維船從事風(fēng)電運(yùn)維工作，并強(qiáng)制要求使用具有交通船性質(zhì)的船舶。直到2016—2017 年，國內(nèi)才出現(xiàn)一批安全性較高的運(yùn)維交通船。2018—2019 年，我國開始逐步在平均離岸距離45 km 以上的海域開發(fā)風(fēng)電場。前期開發(fā)的運(yùn)維船各方面的性能均難以滿足要求，在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國逐步建造出鋁質(zhì)雙體船和高性能鋁質(zhì)雙體船。

1.2 船型分類

海上風(fēng)電運(yùn)維船主要分為普通運(yùn)維船、中高性能運(yùn)維船和高性能運(yùn)維船。

1）普通運(yùn)維船

普通運(yùn)維船主要以鋼質(zhì)單體船和鋼質(zhì)雙體船為主，船長范圍為26～40 m，航速不超過12 kn，采用普通舵槳推進(jìn)，耐波性差，適合出海的最大有義波高為1.5 m，抗風(fēng)等級為6 級。

2）中高性能運(yùn)維船

中高性能運(yùn)維船主要以鋼鋁混合和鋁質(zhì)雙體船為主，船長范圍為20～35 m，航速不超過16 kn，采用普通舵槳推進(jìn)，耐波性一般，適合出海的最大有義波高為2.0 m，抗風(fēng)等級為7 級。

3）高性能運(yùn)維船

高性能運(yùn)維船主要以鋁質(zhì)雙體船為主，船長范圍為26～35 m，航速在20 kn 以上，采用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)或噴水推進(jìn)，耐波性較好，適合出海的最大有義波高為2.5 m，抗風(fēng)等級為8 級。為提高惡劣海況下的安全性，國內(nèi)運(yùn)維船舶市場已出現(xiàn)小水線面高性能運(yùn)維船型[2-3]。

目前，國內(nèi)主流的運(yùn)維船型仍為普通運(yùn)維船，該類運(yùn)維船只適用于海況相對良好的海域（如渤海、黃海等海域）。對于海況較為惡劣的海域（如福建海域和廣東海域），普通運(yùn)維船的航速較低、頂靠力不足，無法滿足正常運(yùn)維的要求。考慮到福建海域和廣東海域是我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域，故投入更加專業(yè)的風(fēng)電運(yùn)維船是必不可少的。

1.3 國內(nèi)海域可出海率評估

海上風(fēng)電運(yùn)維船的可達(dá)性與所在海域的環(huán)境條件（如風(fēng)速、有義波高、雷暴、臺風(fēng)、海霧等）密切相關(guān)。通常情況下，若風(fēng)速超過6 級，海事局會(huì)發(fā)布航行通告，禁止所有船舶出海，已經(jīng)出海的船舶強(qiáng)制要求回港避風(fēng)。

普通運(yùn)維船、中高性能運(yùn)維船和高性能運(yùn)維船適合出海的最高風(fēng)速分別為10.8 m/s、13.8 m/s、17.1 m/s，適合出海的最大有義波高分別為1.5 m、2.0 m、2.5 m。在雷暴、臺風(fēng)、海霧等惡劣天氣條件下，任何船舶均不允許出海。

對于中國海及周邊海域，6 級以上大風(fēng)出現(xiàn)的高頻區(qū)域主要包括臺灣海峽（25%～30%）、呂宋海峽（25%～30%）、琉球群島附近海域（15%～20%）、傳統(tǒng)的南海大風(fēng)區(qū)（15%～20%）。渤海和黃海西部海域的大風(fēng)頻率在5%以內(nèi)，黃海東部海域的大風(fēng)頻率在10%左右。

有義波高是影響船舶出海的重要因素之一，國內(nèi)沿海及近海海域的有義波高主要集中在1.0～1.5 m。渤海及黃海北部海域全年有義波高均低于1.5 m。對于黃海中南部和東海北部海域，除冬季有義波高達(dá)到1.5～2.0 m 外，其余3 個(gè)季節(jié)均在1.5 m 以下。對于臺灣海峽和南海北部海域，除夏季波高小于1.5 m外，其余3 個(gè)季節(jié)有義波高均超1.5 m，臺灣海峽在冬季時(shí)的有義波高甚至?xí)^2.5 m。

綜合考慮不同海域的水文氣象和天氣條件，計(jì)算不同船型的運(yùn)維船的可達(dá)率預(yù)估值，見表1。

表1 各海域不同船型運(yùn)維船的可達(dá)率預(yù)估值

2 國內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)維船存在的問題及改進(jìn)措施

目前，國內(nèi)海上風(fēng)電場配備的海上風(fēng)電運(yùn)維船主要包括單體船和雙體船。

單體風(fēng)電運(yùn)維船由早期漁船演化而來，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、吃水小、工藝簡單、建造成本相對低、建造周期短。然而，單體船存在以下致命缺點(diǎn)：

1）艏艉甲板面積小。

2）艏部線型尖瘦，難以滿足船舶頂靠的需求，只有特定的方艏船型才具備安全頂靠風(fēng)機(jī)的能力。

3）單體船的完整穩(wěn)性較差，在惡劣海況時(shí)，其安全性不如雙體船。然而，在海況較為溫和的風(fēng)電場（特別是長江口以北的海上風(fēng)電場），單體船仍具有一定適用性。

為滿足海上風(fēng)電運(yùn)維的需求，單體船的尺度隨著風(fēng)電場離岸距離和水深的增加逐漸加大。此外，單體船還增加了住宿、餐飲、娛樂等功能，可滿足12 個(gè)運(yùn)維人員3～7 天的食宿需求。然而，大型單體船無法滿足大批量人員的住宿需求，往往需要大型化居住性裝備進(jìn)行協(xié)助，如遠(yuǎn)距離區(qū)域化運(yùn)維基地、運(yùn)維母船（Service Operation Vessel，SOV）以及固定式生活平臺等（見圖2）。

圖2 大型化居住性裝備

國內(nèi)早期雙體風(fēng)電運(yùn)維船是在模仿國外專業(yè)海上風(fēng)電運(yùn)維船型的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)建造的，雖外形相似，但實(shí)際功能差異較大，存在實(shí)船航速遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)航速、部分實(shí)船吃水嚴(yán)重超出設(shè)計(jì)吃水等問題。由于在型線設(shè)計(jì)、設(shè)備選型和材質(zhì)等方面與國外先進(jìn)船型存在較大差距，國內(nèi)早期雙體風(fēng)電運(yùn)維船的性能相較國際先進(jìn)水平存在明顯不足。

盡管存在諸多不足，我國雙體風(fēng)電運(yùn)維船仍具備較強(qiáng)的適用性，主要有以下原因：1）雙體船的長寬比一般為單體船的2/3～3/4，其船寬一般為同級別單體船的1.25 倍及以上，充足的船寬保證了充裕的甲板面積和優(yōu)良的完整穩(wěn)性。2）雙體船單個(gè)片體的長寬比較大，其摩擦阻力較小，能耗比相較單體船存在優(yōu)勢。3）雙體船采用雙機(jī)雙槳推進(jìn)，充足的軸間距保障了其優(yōu)秀的操縱性，這對于在低航速狀態(tài)下船舶頂靠風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)靠船樁是非常有利的。

由于雙體船具有兩片體及連接橋的結(jié)構(gòu)形式，故其不必設(shè)計(jì)尖瘦的艏部線型，可設(shè)計(jì)為平頭式艏部，這對于船舶頂靠和人員上下都是極大利好。

近年來，國內(nèi)沿近海中小型運(yùn)維船舶持續(xù)發(fā)展，涌現(xiàn)出一批具備設(shè)計(jì)建造中小型雙體船能力的企業(yè)，國內(nèi)造船產(chǎn)業(yè)逐漸具備了大批量建造雙體運(yùn)維船舶的能力。雖然雙體運(yùn)維船的成本仍高于單體船，但綜合考慮船舶性能，雙體船在海上風(fēng)電運(yùn)維市場依舊具備很強(qiáng)的競爭力。

針對我國單體船和雙體船存在的問題，本文提出如下改進(jìn)措施：

1）在運(yùn)維船的設(shè)計(jì)與建造過程中，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用海域選擇合理的船體線型、材質(zhì)和設(shè)備，優(yōu)化主尺度比，以實(shí)現(xiàn)較高的航速和較強(qiáng)的頂靠能力。

2）嚴(yán)格控制運(yùn)維船舶的質(zhì)心高度及船舶受風(fēng)面積，使船舶具有足夠的穩(wěn)性，確保船舶在使用過程中的安全性。

3）由于雙體船的橫搖周期較短，故在雙體船的設(shè)計(jì)中提高質(zhì)心高度并盡量減少片體的鋼材使用量，可有效延長橫搖周期，進(jìn)而減輕運(yùn)維工程人員的暈船現(xiàn)象。

4）加裝舭龍骨，使船產(chǎn)生附加阻尼，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減搖的目的。

5）船舶艙室采用合理的降噪阻尼材料，減少噪聲和振動(dòng)對人體的傷害，以提高人員在運(yùn)維船航行時(shí)的舒適性。

6）船舶乘員艙室和住宿艙室采用大視野設(shè)計(jì)理念，以減輕運(yùn)維工程人員因視覺產(chǎn)生的暈船現(xiàn)象。

7）乘員艙內(nèi)布置減搖座椅，以提高運(yùn)維人員長時(shí)間乘坐的舒適性。

8）運(yùn)維船的艏部應(yīng)選擇摩擦因數(shù)較大的專用橡膠，以增大艏部與靠船樁的摩擦力，保障人員的安全轉(zhuǎn)移。

3 海上風(fēng)電運(yùn)維船經(jīng)濟(jì)性評估

在進(jìn)行海上風(fēng)電運(yùn)維船的經(jīng)濟(jì)性評估時(shí)，要考慮內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要包括船舶主體材質(zhì)、主機(jī)功率大小、主尺度等因素，外因主要包括所在海域、離岸距離、水文氣象條件等因素。下面結(jié)合具體案例對海上風(fēng)電運(yùn)維船的經(jīng)濟(jì)性評估工作進(jìn)行介紹。

3.1 計(jì)算依據(jù)

本案例將國內(nèi)海域分為渤海及黃海北部、黃海中南部、東海南部內(nèi)灣、東海南部外海、南海海域。假定在各個(gè)海域均布置裝機(jī)容量300 MW的海上風(fēng)電場，風(fēng)機(jī)型號和穩(wěn)定性參照市場主流標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算運(yùn)維船類型與船舶成本、機(jī)組發(fā)電量損失之間的關(guān)系。

3.2 船舶分類及技術(shù)參數(shù)

本案例中風(fēng)電運(yùn)維船的分類情況及技術(shù)參數(shù)信息見表2。

表2 風(fēng)電運(yùn)維船分類及技術(shù)參數(shù)

3.3 渤海及黃海北部海域

渤海及黃海北部屬于半遮蔽型海域，其海況條件相對較好，對船舶性能的要求相對較低。然而，該海域冬季存在浮冰，要求運(yùn)維船滿足B 級冰區(qū)加強(qiáng)的要求，并且要求主機(jī)馬力大。渤海及黃海北部海域運(yùn)維船成本及發(fā)電量損失情況見圖3。

圖3 渤海及黃海北部海域運(yùn)維船成本及發(fā)電量損失情況

由圖3 可知，CTV-2 和CTV-3 是較為適合渤海及黃海北部海域的船型，在滿足風(fēng)電運(yùn)維要求的同時(shí)，盡量降低運(yùn)維船成本和發(fā)電量損失。

3.4 黃海中南部海域

黃海中南部海域?qū)儆跍\海型海域，有義波高常年在1.5 m 以下。該海域?qū)\(yùn)維船舶性能的要求與渤海及黃海北部海域相似，但不需要滿足B 級冰區(qū)加強(qiáng)的要求。黃海中南部海域近海和潮間帶運(yùn)維船成本及發(fā)電量損失情況見圖4 和圖5。

圖4 黃海中南部海域近海運(yùn)維船成本及發(fā)電量損失情況

圖5 黃海中南部海域潮間帶運(yùn)維船成本及發(fā)電量損失情況

由圖4 可知，CTV-2、CTV-3 和CTV-4 是較為適合黃海中南部海域近海區(qū)域的船型。

因受到潮汐影響，黃海中南部海域潮間帶區(qū)域的日平均候潮時(shí)間約為6 h，且該區(qū)域的離岸距離在45 km 以上，航行時(shí)間在3 h 以上。

雖然CTV-5 可使發(fā)電量損失達(dá)到最小，但由于受到潮汐影響，落潮后的水深條件不滿足鋁質(zhì)船舶停泊的需要，且鋁質(zhì)船舶無法坐灘，故該船無法在潮間帶海域正常運(yùn)行。

綜合考慮上述情況，選擇SOV 或遠(yuǎn)距離區(qū)域化運(yùn)維基地來進(jìn)行黃海中南部海域的運(yùn)維工作。

3.5 東海南部內(nèi)灣海域

東海南部內(nèi)灣海域處在臺灣海峽內(nèi)，受狹管效應(yīng)的影響，該海域平均風(fēng)速9～10 m/s，風(fēng)能資源豐富。由于該海域處于灣內(nèi)，海浪條件較外海優(yōu)越，不受外海涌浪的影響，其有義波高常年處于1.5～2.5 m 范圍內(nèi)。東海南部內(nèi)灣海域運(yùn)維船成本及發(fā)電量損失情況見圖6。

圖6 東海南部內(nèi)灣海域運(yùn)維船成本及發(fā)電量損失情況

由圖6 可知，CTV-3 和CTV-4 是較為適合東海南部內(nèi)灣海域的船型，在滿足風(fēng)電運(yùn)維要求的同時(shí)，盡量降低運(yùn)維船成本和發(fā)電量損失。

3.6 東海南部外海海域

由于受到東太平洋洋流和臺灣海峽狹管效應(yīng)的影響，東海南部外海海域的水文氣象條件是我國各海域中最為惡劣的。該海域的平均風(fēng)速約為10 m/s，有義波高一般不低于1.8 m，可供一般運(yùn)維船出海作業(yè)的天氣窗口較小，而一旦運(yùn)維船發(fā)生故障將會(huì)造成較大的發(fā)電量損失。東海南部外海海域運(yùn)維船成本及發(fā)電量損失情況見圖7。

圖7 東海南部外海海域運(yùn)維船成本及發(fā)電量損失情況

由圖3 可知，CTV-6 和CTV-7 是較為適合東海南部外海海域的船型，在滿足風(fēng)電運(yùn)維要求的同時(shí)，盡量降低運(yùn)維船成本和發(fā)電量損失。

3.7 南海海域

由于受到南太平洋洋流和波浪的影響，南海海域的海況條件較差。該海域春季的有義波高為1.5～2.0 m，而冬季可達(dá)到2.2～2.5 m。南海海域運(yùn)維船成本及發(fā)電量損失情況見圖8。

圖8 南海海域運(yùn)維船成本及發(fā)電量損失情況

由圖8 可知，CTV-5 和CTV-6 是較為適合南海海域的船型，在滿足風(fēng)電運(yùn)維要求的同時(shí)，盡量降低運(yùn)維船成本和發(fā)電量損失。

海上風(fēng)電運(yùn)維工作包含預(yù)防性維護(hù)和事故修復(fù)。其中，預(yù)防性維護(hù)屬于計(jì)劃性運(yùn)維活動(dòng)，主要由定期檢修和狀態(tài)檢修組成。定期檢修和維護(hù)保養(yǎng)可讓設(shè)備保持最佳的狀態(tài)，并延長風(fēng)機(jī)的使用壽命。為了提高風(fēng)電場風(fēng)資源的利用率，定期維護(hù)一般安排在風(fēng)速較小的4 月—7 月實(shí)施，單臺維護(hù)時(shí)間為3～5 天。因此，運(yùn)維船舶必須具有短期住宿和夜泊的能力，但一般鋁質(zhì)高性能運(yùn)維船舶無法在海況惡劣的海域夜泊。盡管運(yùn)維人員可在應(yīng)急艙內(nèi)臨時(shí)夜宿，但船員的生命安全無法得到保障。為降低運(yùn)維船在惡劣海域運(yùn)維的風(fēng)險(xiǎn)性，對于離岸距離較遠(yuǎn)且裝機(jī)臺數(shù)超過200 臺的惡劣海域，均采用具有舷梯的SOV 進(jìn)行運(yùn)維。經(jīng)計(jì)算，一艘SOV 的全年租賃價(jià)格約為4 800 萬元/年，可覆蓋200 臺機(jī)組。按照目前國內(nèi)主流機(jī)型（6 MW 機(jī)組）進(jìn)行計(jì)算，SOV 的租賃成本約為37 元/(千瓦·年)。若使用鋁質(zhì)雙體船進(jìn)行運(yùn)維，租賃價(jià)格約為6 336 萬元/年，交通成本約為49 萬元/千瓦。除臺風(fēng)外，其他天氣對SOV 的影響較小，SOV 幾乎不會(huì)產(chǎn)生發(fā)電量損失，而鋁質(zhì)雙體船會(huì)產(chǎn)生較大的發(fā)電量損失。綜合來看，SOV相較鋁質(zhì)雙體船更具經(jīng)濟(jì)性。福建外海和廣東外海等惡劣海域的風(fēng)電場可考慮使用適應(yīng)性更強(qiáng)的SOV 進(jìn)行運(yùn)維工作。

4 結(jié)論

本文以國內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)維船為研究對象，對風(fēng)電運(yùn)維船的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，對當(dāng)前存在的問題進(jìn)行分析并提出相關(guān)改進(jìn)建議。在此基礎(chǔ)上，對不同海域的運(yùn)維船進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，根據(jù)分析結(jié)果確定最佳類型，得出如下結(jié)論：

1）國內(nèi)大部分運(yùn)維船只能滿足江蘇及江蘇以北海域風(fēng)電場的運(yùn)維要求，而能滿足福建外海和廣東海域的運(yùn)維船的存量不足。

2）國內(nèi)運(yùn)維船的造價(jià)不菲，很難適應(yīng)未來海上風(fēng)電的平價(jià)時(shí)代。

3）單純依靠高性能運(yùn)維船無法適應(yīng)未來深遠(yuǎn)海風(fēng)電建設(shè)和運(yùn)維工作，研制性能好、運(yùn)營成本低的海上風(fēng)電運(yùn)維船舶是未來海上風(fēng)電向中遠(yuǎn)海大規(guī)模快速發(fā)展的重要舉措。