海上风电场运维设备发展概述

王建彪+张恭

摘 要：我国的海上风电开发正在迅速发展。本文结合我国海上风电场的建设规划与运营维护需求，论述了海上风电场的运维设备发展情况及前进方向。

关键词：海上风电；风电运维船；登乘通道

中图分类号：U674.12 文献标识码：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

海上风电具有资源丰富、发电利用小时数高、单机容量大、不占用土地、不消耗水资源以及适宜大规模开发等特点。自2010年我国首个海上风电示范项目——上海东海大桥102 MW项目并网发电后（图1），海上风电场建设发展迅速。截止2016年底，我国海上风电累计装机容量已达160万kW。根据国家能源局“十三五”期间规划目标，2020年我国海上风电开工建设规模1 000万kW，有望成为全球海上风电第一大国。

2 海上风电场及维护的发展趋势

目前海上风电发展的主要趋势有两点：离岸越来越远；功率越来越大；海况也越来越差。这对海上风电场的维护作业带来了更大的困难。现有的海上风电机组的维修主要包括定期维护（检查、清洁等）、故障维修和备件管理三部分。据挪威船级社（DNV）推测，大约每30台海上风机就需要1艘相關的维护船艇，试运转阶段的需求将更高。另外，每座海上风机平均每年可能会发生40次左右可造成停机的故障，整体的最大故障率达到3%，所以海上风电场的运营维护对专业装备的需求量大，特别是对于海上人员运输及相关物资和维护工具的输送装备。

3 海上风电场维护的方式与装备

海上风电场的运营维护工作，首先是将维修人员及工具运输至海上风电场。运输工作可通过直升机或专业运维船来完成，国际上一般以运维船为主。风电运维船简称WFSV（Wind Farm Service/Support Vessel），根据实际的应用情况，又可将其分为WFCTV（Wind Farm Crew Transfer Vessel）和WFSOV（Wind Farm Service Operation Vessel）两种船型。

3.1 直升机运输维护

通过直升机运输海上风电场人员及设备，具有机动性强、不受恶劣海况影响等特点，如图2。但直升机运输一般需要风电塔额外提供直升机悬停平台，由于国内的风电塔一般没有专门的此类平台，同时考虑到直升机的运输成本较高，所以一般使用较少。

3.2 小型风电运维船

小型风电运维船（WFCTV），主要运输人员及所需小型配件，适合于短途运输。资料显示，这类船舶一般船长在20～25 m左右，型宽在6～9m左右，航速在25～30 kn左右；推进装置为螺旋桨或喷泵；船体以铝合金双体船为主；搭载船员及维修人员10～20人左右。小型风维船主要是通过船头顶靠风场基座立柱，维修人员由爬梯上至维修点，如图3所示。这种输送方式适用于海况较低、有义波高小于1.0 m的海域，如有义波高达到1.5～2.5 m，则需在首部配置专用的登乘设备。

3.3 大型运维船

大型风电运维船（WFSOV），一般排水量可达到数千吨，设有工作人员居住设施，适用于较大航程的运输。如图4所示为西门子公司的专业风电运维船，服务于德国海上风电场，配置2级动力定位系统，船长83.7 m、型宽17.6 m、航速14 kn、设有60多人的生活居住舱室，配有六自由度主动运动补偿登靠系统。

4 风电运维登乘装置

4.1 登乘通道装置

大型风电运维船（WFSOV），可以满足在高海况下开展风电塔的维护工作，但由于其吨位较大，在靠近风电机组时为避免撞击塔基，一般先用动力定位将运维船停泊在风电塔附近，再使用专用登乘通道将人员运输至风电塔。登乘通道一般具备主动补偿船体运动的功能，如图5、图6所示。著名的荷兰Ampelmann公司的产品，一般安装于大型运维船，可通过六个自由度的液压缸，实现对船舶波浪运动（横摇、纵摇、升沉、首摇、纵荡、横荡）的综合补偿。

小型运维船（WFCTV）虽然不会撞坏塔基，可以通过主机怠速顶靠来增强稳定性，但由于小船的耐波性较差，在摇晃的船体上登乘有一定的危险性，如图7、图8均显示了在没有专业登乘通道的情况下，人员登乘风电塔的情况。为避免这种危险，增加在一定海况下的输送维修人员的能力，现在小型运维船也开始越来越多的搭载专业登乘装置。

4.2 登乘通道工作原理

船舶的横摇、纵摇和升沉等运动相互耦合作用产生广义升沉运动，是造成风电塔登靠运维困难的主要原因。具备主动补偿功能的海上登乘通道，通过运动传感器监测船舶运动，并由程序实时计算维持通道稳定所需的补偿量，经自身的转动、横摇、纵摇、伸缩、夹紧等多自由度运动，实现对船舶波浪运动的补偿，使通道与风电塔基的梯子位置保持相对稳定，最终实现运维人员安全抵达风电塔的目的。其主要原理如图9所示。

4.3 主动补偿登乘通道的构成

主动补偿通道主要由控制箱、液压旋转平台、液压稳定平台、姿态测量单元、液压伸缩跳板、液压夹紧装置、信号灯、电源等构成（见图9）。其中控制箱设备的计算核心部件，在接收到姿态测量单元输入的船体运动姿态信息后，通过液压、电磁等系统控制登乘通道启停和动作，实现登乘通道的稳定。

为保障安全，设备设有声光信号报警系统，在程序认为控制与液压系统运行稳定且登乘通道与风电塔的梯子相对位置稳定后，信号灯显示绿色，运维人员可以通行。

4.4 主动补偿登乘通道的著名产品

世界上著名的海上登乘通道产品提供商有英国OSBIT Power公司、荷兰Ampelmann公司等，除了应用于海上风电场的运营维护，还广泛应用于海洋平台、浮式码头工程等领域，取得了较高的产品附加值。随着国内高科技工业产品的研发投入持续增加，目前国产海上登乘通道设备在逐步打破国外的垄断。如图10所示为由广州船舶与海洋工程设计研究院自主开发的三自由度主动补偿登乘通道，设备最大伸长尺度约5 m，安装于运维船首部位置，安全载荷175 kg，可在四级中等海况（设计有义波高2.2 m）下，将运维人员安全送往风电塔。

5 结语

随着国内海上风电场的蓬勃发展及运维业务的兴起，配套的运维服务船与专业的登乘设备显示出广阔的发展空间。国内船舶与海洋工程领域的设备厂商，在国家工业4.0战略目标的引导下，应加大对登乘通道设备的研发力度，以摆脱对进口设备的依赖。endprint