海上风电安装技术及设备发展现状

◎汪瀚 中国铁建港航局集团有限公司

1.海上风电产业发展背景

1.1 我国海上风电发展现状

2010年7月，上海东海大桥海上风电示范项目顺利完工，代表了我国建成了第一个海上风电场。其后，江苏、广东、福建等各省的海上风电进入大规模试验和探索阶段，逐步形成较成熟的海上风电产业。

2020年9月，习近平主席向世界郑重承诺：我国力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。国家能源局最新数据显示，2021年，我国风电和光伏发电新增装机规模达到1.01亿kW，其中风电新增4757万kW。从发展情况看，2021年海上风电异军突起，全年新增装机1690万kW，是此前累计建成总规模的1.8倍，目前累计装机规模达到2638万kW，跃居世界第一。

1.2 我国海上风电发展趋势

截止2022年3月，全国各沿海地区海上风电规划及支持政策陆续出台，其中，广东、浙江、江苏、山东、海南、广西等地区已初步明确其海上风电发展目标。据不完全统计，“十四五”期间，全国海上风电规划总装机量超100GW，伴随着海上风机价格不断下探及施工成本逐步降低，海上风电在“十四五”阶段将迎来爆发式增长。

2.海上风电安装技术及设备发展现状

目前，风机安装方式主要有2种，一种是整体式安装，在后场基地将风机部件拼装成整体，通过加装座架的专用平板驳船整体运输（单次可运1～2台），到机位后采用起重船整体起吊安装；另一种是分体式安装，采用支腿船进点插桩至持力层，并通过升降系统使船体抬离水面，或者采用坐底平台通过压载系统下潜至海床，又或者直接采用起重船进行浮式分体安装。

两种安装方式的优缺点比较见表1。

表1 整体式与分体式安装方式比较

2.1 整体安装技术

风机整体安装技术先后在上海东海大桥海上风电示范项目、国电普陀、珠海桂山、国华东台、华能山东半岛等9座风场应用，适用基础形式涵盖了高桩承台、导管架和单桩基础。

整体安装采用“后场基地整机拼装、专用船舶运输、整体风机吊装、软着陆定位安装”的技术路线，重点需要1套完整的缓冲着陆定位安装系统来控制风机的下降速度和安装精度。该系统由平衡梁及索具系统、上部吊架系统、缓冲系统、下部就位系统以及中央控制系统组成。其中，平衡梁及索具系统用于完成风机的后场基地组拼、海上运输及吊装；上部吊架系统、缓冲系统和下部就位系统共同作用，完成塔筒对接的导向、缓冲、同步升降以及精准定位自动对中，使风机顺利安装在单桩基础上；中央控制系统则通过监测和控制来实现风机整体安装的自动化。

2.2 分体安装技术

分体安装技术指的是将风电机组中的分部构件（塔筒、轮毂、主机、叶片）通过运输船运送至风机机位，由安装船进行拼接安装。此技术是现阶段风电机组安装中最为常见的一种安装技术。根据安装船特点，具体可分为以下4种类型。

2.2.1 坐底式风电安装船

我国部分海域的海床有深厚的淤泥层，甚至像玉环、苍南风场有些淤泥层已达到40m深，极少有支腿船能在该海域进行安装作业，于是坐底安装解决了很多尤其长三角一带、包括近海潮间带这样的海上风电安装难题。

其工作原理是通过压载系统下潜至海床上，接着使用锚泊系统进行固定，使坐底船保持相对稳定状态，最后进行风机安装工作。该种类型安装船的优点是稳定性高、适用于深厚淤泥底质条件、极大降低施工成本。但缺点也比较明显，例如，受水深限制影响大、坐底不实易出现滑移、船底容易掏空造成船体断裂。

2.2.2 浮式分体安装（起重船）

在2021年“抢装潮”的推动下，为了加快风机安装工效，我国率先在世界范围内开发了固定机位的浮式分体安装。从效果来看，尤其在风浪相对较小的浙江北部海域和江苏海域具有适应性，配合坐底安装叶片形成流水作业可提高工效接近80%。目前，已有嘉兴1号、岱山4号、兴化湾、长乐、奉贤五座海上风场实现了浮式分体安装。

该种类型的安装船优点突出，起重船资源较为丰富，操作性能高，而且能与沉桩分项工程一起摊销施工成本。但也存在一定不足，起重船对海况要求较高，风机安装的稳定性较差，而且起重吊高也可能成为此工艺发展的限制因素。

2.2.3 自升式风电安装船

自升式风电安装船是目前海上风电最常见的一种风电安装船，该类型安装船有配备4个桩腿（圆柱钢桩腿或三角桁架腿）的安装平台，也有通过钻井平台进行改造的海上施工安装平台，可利用钻井平台自身拥有的深海作业特性的优势，满足更深海域定位作业。工作原理是抵达施工机位后，插桩至持力层，并通过升降系统使船体抬离水面，进行风机的安装。

该种类型的安装船最大优点是作业稳定性强，但缺点比较明显，因该类型安装船其自身没有自航能力，只能通过拖轮辅助其进点安装，增加了在施工现场进行机位转换消耗的时间，操作灵活性差。

2.2.4 自航自升式风电安装船

自航自升式风电安装船是目前国内外最先进的风电安装船类型，已成为全球海上风电建设的最优装备选择。与前面3种安装船比较，自航自升式风电安装船拥有优异的自航能力和灵活的动力定位系统，在进行风机安装和移位作业时，效率相对较快，且自身能够搭载多套风机组件，能够进行高效的安装作业。缺点是若采用运、装一体的施工路线，将承受更大成本压力，且需要风电母港的配合。

2.3 目前存在的问题

国内海上风电的吊装技术及设备基本成熟，但面对目前海上风电飞速发展的压力，当前的安装技术及设备仍有待提高。从国内看，我国在自主研发大容量机组方面已取得了重大突破。2020年8月，东方风电10MW机型已正式交付，开始应用于福建兴化湾二期海上风电场。

在国外风电安装市场，GE 等12 MW风机机组已经投入使用。2021年，在北京国际风能大会上，明阳智能、金风科技、上海电气、中国海装等风机供货商分别发布了10MW级以上的风电机组。海上风电机组大型化已是必然趋势。

2.3.1 安装技术工艺不合理

①技术要求通用性不强。目前，国内海上风电行业对安装的要求基本上以风机供货厂家的安装手册为主，几乎每种机型的安装要求均不统一，可归纳性不强，不便于参建人员对技术标准的掌握。

②吊装工艺对成品保护、安装安全造成较大风险。近几年，国内海上风电的安装工艺大同小异，多数工艺的选定完全结合现有船机设备的性能而敲定，所以会出现为满足纯技术的可行性而忽视起重安全风险、成品保护的现象。

③设计理念仍存在偏离工程实际，造成安装工艺的局限性。目前，海上风电的设计理念缺少对安装工艺的充分考虑，进而增大安装的难度系数，使良好的技术工艺得不到实现。

④安装工序仍以人力辅助控制为主。国内大型船机设备吊装施工的过程中，多数仍采用人力辅助定位、对接。安装技术中对人力的节省、人员安全的考虑不够完善。

2.3.2 设备性能停滞不前

①安装船舶自身性能针对风机安装这一领域的专业性不足，尤其是针对风电安装的特殊工艺要求没有在船机设备上充分响应。

②专业的吊索具、工器具的合理性不强。不同的风机机型会配套专业吊索具，目前国内自行研发的遥控、智能专用吊索具数量甚微，多数仍以笨重刚性控制方式为主。

2.3.3 缺少成熟的风电母港

以全球海上风电第一港丹麦埃斯比约港为例，该港已经形成完整的海上风电产业链，拥有良好的靠泊条件、专业化的组装设施和广阔的预装配堆场，可为整个欧洲海域内的海上风电项目提供运输、安装及运维支持，欧洲每年70～80%新制造的海上风机均从埃斯比约港运往世界各地辐射全球市场。

相比较我国的江苏南通如东小洋口风电母港、广东阳江海上风电母港等，虽然借鉴了国外成功经验，纷纷布局由海入陆，建起庞大的海上风电企业产业链，但产业链的适应性、融合性、服务性仍需提高，无法覆盖全国需求。

3.未来海上风电安装技术及设备发展趋势

3.1 未来海上风电安装技术

目前，我国海上风电主流施工特点是装、运分离的工艺路线，国内将近40条风电安装船大部分没有自航能力，只能在场内进行转运，所有的分体部件均依靠运输船来提供。优点是对船机装备要求低，缺点显而易见，辅助船过多，容易出现木桶的短板理论，也可能不适应深水大浪的环境条件。

参考欧洲海上风场，装、运一体化吊装实践比较成功，在风机设备供应充足的情况下，A2SEA所属的一艘自升自航式风电安装船曾经在2019年创下单艘船“45天安装26套海上风机设备”的世界记录，产生了良好的效益，核心施工船机和海上风电产业形成了良好的互动。Scylla号在英国外海风电场的作业也十分成功，由于单船作业，船舶尺度大，耐波性好，作业窗口期长；配置齐，作业效率高；无需配套船组配合，海上作业安全性提升显著，对工程整体成本控制也更有利。

对未来做预测，结合目前国内新造安装船计划来看，均考虑了装运一体的工艺路线。因此，海上风电安装的一体化吊装作业是节约施工成本和提高安装效率的关键方案。

3.2 海上风电设备的发展趋势

（1）海上风电建设向深水区迈进是大势所趋，从沿海的滩涂和浅水区向50m水深区域以至更深的区域都要考虑。

（2）一体化吊装作业可以节约成本并减少施工时间，这就需要主吊能力越来越大。一方面随着海上风电机组大型化，风机越来越重；另一方面2000t的主吊能力已成为目前新建风电安装船的主流趋势。

（3）主甲板的承载能力、利用面积直接影响运输风机设备的安全和数量，故提高主甲板的承载能力和可利用面积能极大提高运输和安装效率。

（4）随着海上风电建设的日趋成熟和复杂化，海上风电安装船的功能仍需完善，如打桩、安装一体化作业，配备DP2以上的动力定位系统和其他相关功能。

4.如何助推海上风电安装的发展

4.1 培养专业建设队伍

对建设团队人员进行严格的筛选，不仅要求具有风电专业素养，也应掌握外海自然条件、施工船舶专业知识。在海上风电安装施工中，往往需要多船只、多任务协同操作，应根据海上风电安装经验，结合实际自然条件选择合适的安装设备，制定最优的施工技术方案。同时，伴随着海上风电安装经验的不断积累，制定针对海上风电的通用性技术标准，通过精细化施工提高工程质量和降低施工成本，实现降本增效。

4.2 统筹优化船舶装备能力

针对海上风电安装特点打造专业的施工船舶，降低风电安装的难度系数，破除工艺的局限性，将复杂的工艺简单化。同时，应将智能设备应用到海上风电安装工程中，在对风力变化、设备磨损度的检测、专用吊装工具上运用最先进的设备，以提升安装灵活度和准确度。选用最合适的装备工具，为工序衔接增效。

4.3 加强科技创新

进一步加强科技创新，推动施工生产，实现降本增效。充分发挥海洋工程基础实验室科技攻关作用，针对未来深水远海大兆瓦风机安装开展课题研究，在风机基础、风机安装、海上升压站施工、海缆施工等方面超前谋划，力争取得技术突破，优化工艺流程，加强施工生产组织管理，全面提升海上风电施工效率，提高平价时代的核心竞争力。

5.结束语

伴随着海上风机价格不断下探及施工成本逐步降低，相关人员更应该突破传统思维，大胆走向“深远海”，开发合理的风机机型，打造先进的风电施工船舶，推崇智能化吊装工具及控制系统，选定编制合理适用有效的安装技术方案，做到技术与设备的高端结合，实现高科技、高水平、高智能化的安装工艺，才能使国内海上风电安装技术走向世界，创造辉煌。