福建福船投資有限公司 李 達

福建省海上風(fēng)電場運維船論證研究

福建福船投資有限公司 李 達

通過比較和分析歐洲海上風(fēng)電場、國內(nèi)海上風(fēng)電場運維船的使用情況，結(jié)合福建省海上風(fēng)電場運維的特性，研究海上風(fēng)電場運維船的環(huán)境適應(yīng)性、坐灘能力、船型論證、航船評估、護舷設(shè)計等問題，為福建省海上風(fēng)電場運維船的設(shè)計、研發(fā)工作提供合理、可靠的論證方案。

風(fēng)電場 運維船 選型

目前，國內(nèi)海上風(fēng)電場大多建在水深10m左右的近海，氣候條件較陸地嚴酷，受到臺風(fēng)、海浪等惡劣自然環(huán)境影響，風(fēng)機部件失效加快、機械及電氣系統(tǒng)故障率上升[1]。與陸上風(fēng)電場運維不同，海上風(fēng)電場的運維涉及范圍較廣，其中海上作業(yè)內(nèi)容包括海上風(fēng)機主機、塔筒、基礎(chǔ)、海底電纜、海上升壓站的日常管理與維護，考慮到作業(yè)海況的不確定性，其日常運維需要專業(yè)運維船舶提供保障。

運維船需滿足海上風(fēng)電場運營維護的專業(yè)化及特殊性要求，為海上風(fēng)電場提供快速通勤服務(wù)。特別是遇到復(fù)雜海況時，海上風(fēng)電場失效率變高，故障停運時間增長，為確保風(fēng)電場能夠安全、高效的運行，需要依靠運維船將專業(yè)技術(shù)人員安全、快速的運抵現(xiàn)場，進行設(shè)備檢修，為海上風(fēng)電場正常作業(yè)提供保證。

1 歐洲海域載人運維船

目前，歐洲海上風(fēng)電場運維船舶基本上為小型雙體船，其船長范圍為20～30m，設(shè)計航速能達25kn，可載運維人數(shù)12人，其作業(yè)海況一般為3級，船體結(jié)構(gòu)通常采用鋁合金或玻璃鋼材質(zhì)。此類船舶通常配有甲板吊機，用于日常運維貨物吊裝。由于具有較好的快速性、耐波性和操縱性，在歐洲海上風(fēng)電運維市場得到了快速發(fā)展并成為主流日常運維船船型，如圖1所示。歐洲某海上風(fēng)電場運維船技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 歐洲海上風(fēng)場運維船

表1 歐洲某海上風(fēng)電場運維船技術(shù)參數(shù)示例

考慮到港口環(huán)境、潮汐狀況、風(fēng)電場離岸距離的差異，目前歐洲海上風(fēng)電場也配有一些特種雙體船和快艇等運維船舶，形成了比較完整的日常運維配套船舶系列。如小水線面雙體船，通過優(yōu)化船體水下線型，減少船體阻力，此類船舶具有更好的耐波性、失速小、航速高、舒適性好、甲板作業(yè)面積等特點[2]，但相對而言，此類船舶續(xù)航能力較弱，造價成本較高，如圖2所示。

圖2 小水面線雙體船

此外，鑒于特殊情況下只需要較少工作人員快速抵達現(xiàn)場即可完成運維作業(yè)，歐洲部分風(fēng)電場還配有快艇，快艇在快速性和便捷性具有一定的優(yōu)勢，但由于限制于可攜帶工具有限、受波浪干擾較大、可作業(yè)天數(shù)較少、安全性不佳等因素影響，該類船舶無法大規(guī)模應(yīng)用，可作為運維船的補充，如圖3所示。

圖3 海上風(fēng)場運維快艇

2 國內(nèi)海域載人運維船

國內(nèi)海上風(fēng)電場建設(shè)起步較晚，海上風(fēng)電運維處于探索階段，專用配套運維船舶也相對較為簡單，數(shù)量較少，集中在江蘇如東、上海東海大橋海上風(fēng)電場。主要包括龍源運維1號、新能海裝1201號、東海001號等海上風(fēng)電場運維船。

龍源運維1號運維船主要用于江蘇如東潮間帶及近海風(fēng)電場日常作業(yè)，該船為鋼制雙體船，其中船長13.4m，型寬4.2m，設(shè)計吃水0.95m，可搭載人員為12人，其最大航速為11kn，配有甲板吊機，具有一定的坐灘能力，可通過頂靠或側(cè)停靠靠近樁基礎(chǔ)并實現(xiàn)登靠，如圖4所示。

圖4 龍源運維1號運維船

新能海裝1201號運維船主要用于江蘇如東海上風(fēng)電場運維作業(yè)，該船為鋁制雙體船，其中總長13.4m，型寬4.2m，設(shè)計吃水0.75m，可搭載人員為12人，最大航速15kn,如圖5所示。

圖5 新能海裝1201號運維船

東海001風(fēng)電運維船目前服務(wù)于上海東海大橋風(fēng)電場項目，該船為復(fù)合型船舶，是集工程建造、施工、風(fēng)機運維為一體的特種海洋工作船舶。該船船長34.6m，型寬8m，可搭載人員20人，最大航速13.5kn，該船為雙機、雙槳、雙舵船舶，具有良好的操縱性和回轉(zhuǎn)性，如圖6所示。

圖6 東海001號運維船

此外，由于如東潮間帶風(fēng)電場建設(shè)時間較早，普遍使用的是安全系數(shù)較低的漁船代替專業(yè)的運維船。租用臨時運輸船舶成本較高，且難以滿足海上風(fēng)電場運營維護的專業(yè)化及特殊要求，其主要問題是不能夠提供快速、專業(yè)化的維修服務(wù)[3]。此外，該類漁船為單體船，穩(wěn)性差、航速低，對于海況較惡劣的區(qū)域，該類船舶風(fēng)險系數(shù)較高，無法完成運維作業(yè)，不適于風(fēng)電場大規(guī)模應(yīng)用，如圖7所示。

圖7 如東潮間帶漁船

3 福建海域運維船

福建省所屬的臺灣海域受“狹管效應(yīng)”影響，是東南沿海風(fēng)能資源最為豐富的地區(qū)，同時海況環(huán)境也極為惡劣，而國內(nèi)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也剛剛起步，技術(shù)成熟度比較低，尚無成熟的技術(shù)經(jīng)驗可供借鑒，面臨開發(fā)成本高、海上施工維護能力不足等困難。鑒于福建省內(nèi)海上風(fēng)電場運維能力相對較弱，且臺灣海峽臺風(fēng)頻率高，近海水文地質(zhì)條件相對較差，投資風(fēng)險較大，遇到的難題也是非常突出。需結(jié)合福建省海域的特殊情況及海上風(fēng)電場的分布狀況對載人運維船的船型參數(shù)、性能指標進行綜合研究，確保海上風(fēng)電載人運維船的安全性、適用性及經(jīng)濟性。

3.1 環(huán)境適應(yīng)性

臺灣海峽海域?qū)儆谂_風(fēng)多發(fā)區(qū)，常年風(fēng)速大，風(fēng)浪條件惡劣，潮汐變化較大，此類因素對運維船的船舶性能提出了較高的要求。其中，5～10月為臺風(fēng)多發(fā)期，風(fēng)能資源也較為豐富，機組發(fā)電效率較高，而故障率也明顯提升，對運維船舶的可達性提出了較高的要求。

作業(yè)波高是運維船設(shè)計重要指標，大部分的運維船運行波高在0.5～1.5m，考慮福建海況的特殊性，需要更高指標的海上風(fēng)電場運維船舶。性能指標的提升會增加運維船的成本投入，因此，應(yīng)該權(quán)衡考慮建造、運營成本和作業(yè)能力的關(guān)系。

對于福建海上風(fēng)電場來說，臺風(fēng)特殊天氣引起的暴風(fēng)增水及波高攀升，不同海域波高集中的頻率范圍也不盡相同，因此需要綜合考慮各風(fēng)電場的特點，依據(jù)以下兩個典型海上風(fēng)電場波高的分布情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析。

福建莆田平海灣海上風(fēng)電場項目H1/10波高出現(xiàn)頻率分級數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全年H1/10波高以3級浪（波高范圍在0.5～1.5m)占多數(shù)，年頻率為61.60%，其次為2級浪（波高范圍在0.1～0.5m)，年頻率為32.15%。2級浪所占頻率以春季43.86%為最高，其次為夏季的32.88%，冬季為29.96%，秋季為18.42%；3級浪所占頻率以秋季67.16%為最高，其次為夏季的64.49%，冬季為61.01%，春季為54.20%。

平潭長江澳海上風(fēng)電場項目的波高分布頻率數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該風(fēng)電場在3m以下的波高所占頻率為91.72%，但是5級浪（波高范圍在3.0～5.0m)主要在秋冬季出現(xiàn)的頻率較高，分別為19.03%和23.75%，因此，秋冬季運維條件比較惡劣。

綜合波浪、洋流、風(fēng)力大小等因素，福建省海域內(nèi)的運維船需滿足2.0m設(shè)計波高的使用要求。同時，可根據(jù)作業(yè)海況、運維要求的不同，采用不同運載能力、不同船型的運維船舶差異化作業(yè)，既可節(jié)約運維成本，又可提升運維效率。如波高較小時，可以采用快艇出海維修作業(yè)。對于2.5m甚至2.5m以上的波高，可建造較大的船型或者采用工程運維支持船進行運維，并配備特種作業(yè)設(shè)備，提高海上風(fēng)電運維的可行性。

3.2 坐灘能力

用于潮間帶海上風(fēng)電場運維的船舶需考慮運維船的坐灘能力。福建省部分海上風(fēng)電場，如平潭海清海峽、莆田南日島、東山石埔等場內(nèi)區(qū)域處于潮間帶區(qū)域，潮差大，海域水深較淺，退潮時出現(xiàn)灘涂。此外，福建省規(guī)劃的大部分海上風(fēng)電場所屬海域海底土質(zhì)為軟土，需要考慮船底觸灘以后，運維船整體的洼陷，如果洼陷太深，船體可能會出現(xiàn)傾斜，風(fēng)險較大，須綜合考慮運維船的坐灘功能。

3.3 航程評估

運維碼頭到海上風(fēng)電場的距離以及運維船的到場時間是影響運維船航速和續(xù)航能力設(shè)計的重要指標。海上風(fēng)電場離運維碼頭越近，載人運維船的航程也就相對較短，海上運輸?shù)臅r間就越短，可通過平衡快速性與航程的關(guān)系，優(yōu)化運維船的運維作業(yè)時間，減低運維成本，為運維人員提供更加充裕的海上運維作業(yè)時間。

福建省的海上風(fēng)電場相對集中，除了連江定灣海上風(fēng)電場、泉州海上風(fēng)電場、漳浦六鰲海上風(fēng)電場和東山西埔海上風(fēng)電場外，大部分海上風(fēng)電場集中在福建的莆田平海灣海域[4]。就目前發(fā)展情況而言，單程距離不超過30海里，可考慮同時提升運維船的快速性與續(xù)航能力，以實現(xiàn)海上風(fēng)機平臺的快速抵達。待海上風(fēng)電場發(fā)展中期通過節(jié)點優(yōu)化方式實現(xiàn)海上風(fēng)電場運維船舶的運維管理，通過制定運維計劃，合理安排運維航線，研究應(yīng)急預(yù)案等專項措施，從軟硬件上提升運維船舶航程及可作業(yè)時間。

3.4 船型研究

歐洲海上風(fēng)電場運維起步較早，運維船配套體系較為完備，以下以英國運維船應(yīng)用情況為例，論述、論證運維船船型方案。

英國有50%的載人運維船入籍MCA Cat2（英國海事和海岸警衛(wèi)署關(guān)于風(fēng)電運維服務(wù)船(WFSV)船舶航區(qū)的規(guī)范要求)，船長在12～24m以內(nèi)，可攜帶維護人員數(shù)量一般為12人，最大船舶航程為60海里，航速一般在20～25節(jié)。如果需要更遠的航程，需要入籍MCA Cat1或者DNV-GL船級社等，航程最遠可達150海里，一般歐洲標準的合作方式是船舶運營商提供運維船的同時，也提供船長和船員給風(fēng)電場業(yè)主。

由于超過60海里航程的運維船的建造費用較高，所以租賃費用也較貴，早期英國的海上風(fēng)電場離岸較近，偏向于采用船長在24m以內(nèi)的運維船，后續(xù)由于海上風(fēng)電場不斷向外海推進，配置了船長大于24m的運維船。福建省的海上風(fēng)電開發(fā)普遍離岸較近，從經(jīng)濟性上考慮，運維船船長24m以內(nèi)比較合適。在配備運維船的同時，配置一定數(shù)量的快艇，形成配套差異化，以適應(yīng)不同海況的要求。

從船型上來看，運維船宜采用雙體船，雙體船比單體船較穩(wěn)定，舒適度較好。小水面線雙體船潛體做成魚雷狀，具有耐波性好、波浪中失速小、高速航行時阻力小等優(yōu)點。但由于該船型吃水較深，福建海上風(fēng)電場潮差大，很多場址水位較淺，因此，這種高速船并不適合福建海域的海上風(fēng)電運維服務(wù)，如圖8所示。

圖8 DAMEN運維船

3.5 護舷設(shè)計

目前國內(nèi)開發(fā)的海上風(fēng)電場，如東海大橋海上風(fēng)電場的日常維護，前期主要靠一艘漁政船和一艘海監(jiān)船作為海上的日常運維交通工具，后來又建造了東海001號運維船進行日常作業(yè)，主要采取側(cè)靠的方式，當(dāng)浪涌較大時，?？勘容^困難。在歐洲風(fēng)塔基礎(chǔ)上一般都設(shè)計安裝有靠船裝置，對運維船進行防撞保護。因此，最佳的靠船選擇應(yīng)該是頂靠方式，如圖9所示。

圖9 靠船裝置

4 結(jié)語

依據(jù)福建省“十三五”能源發(fā)展專項規(guī)劃，到2020年整個福建省海上風(fēng)電項目將會超過200萬kW以上，如果按照風(fēng)機目前平均功率5MW考慮，“十三五”期間安裝風(fēng)機數(shù)量將達到400臺。歐洲的一個500MW海上風(fēng)電項目，投資成本大約15億英鎊，每年在運維船上的花費達到200～300萬英鎊，占整個項目投資的0.15%～0.2%。按照此比例評估中國的運維船使用成本，“十三五”期間福建海上風(fēng)電場將達到200萬kW，總的投資建設(shè)規(guī)模一般在400億元左右，那么在運維船上的花費將在6000～8000萬元，運維市場前景十分廣闊。

另一方面，相比歐洲而言，目前國內(nèi)的海上風(fēng)電運維配套、運維策略、運維基礎(chǔ)設(shè)施等都不是很完善，在役的江蘇潮間帶海上風(fēng)電場、東海大橋1期海上風(fēng)電場已經(jīng)在運維方面做出了積極探索。

雖然當(dāng)前國內(nèi)大部分的海上風(fēng)電場正在處于安裝階段，但應(yīng)盡早未雨綢繆，做好風(fēng)電運維整體規(guī)劃，以利于后期大規(guī)模開展海上風(fēng)電運維工作。特別是對于風(fēng)電運維最常用的載人運維船，應(yīng)當(dāng)加大調(diào)研、研發(fā)及設(shè)計投入，確保該船未來能有效克服惡劣海況，提升海上運維可及性，為海上風(fēng)電運維提供安全、高效、經(jīng)濟的海上運維交通工具。針對福建海上風(fēng)電場運維的特點，其船型選擇應(yīng)重點考慮以下幾個方面：（1）抗風(fēng)浪等級高，確保較高出航率；（2）安全性好，具有較高的穩(wěn)定性和舒適性；（3）具有一定載貨甲板面積及能力，配起重機；（4）裝配海上風(fēng)電場運維船專用登靠系統(tǒng)。

[1] 何炎平，楊啟.離岸風(fēng)電機組運輸、安裝和維護船方案[J].船海工程，2009.

[2] 陶暉，顧曉童.小水線面雙體船片體的興波阻力研究[J].造船技術(shù)，2006

[3] 張亮，朱榮華，牛福維，郭軍等.離岸風(fēng)電運維船（WFSV）設(shè)計要點分析[J].國際海上風(fēng)電，2014.

[4] 福建省海上風(fēng)電場工程規(guī)劃報告[R]. 福建省水利水電勘測設(shè)計研究院，2014.