国内海上风电运维船发展现状与经济性评估1

2023-08-31严辉煌沈星星王九华

船舶标准化工程师 2023年4期

关键词：双体船船型黄海

王菲，严辉煌，张竹，方晶，沈星星，王九华

（江苏金风科技有限公司，江苏盐城 224000）

0 引言

随着全球能源消费的增长和能源结构的不断调整，各国均将发展新能源产业作为实施能源可持续发展战略的重要途径。无论是从当前生态环境治理的现实需求，还是从国家能源结构调整的长远需要来看，都需要大力发展可再生能源。

风能作为一种重要的可再生能源，具有可再生、无污染、蕴藏量大、分布广的特点。风力发电是风能利用的主要形式，也是实现“双碳”目标的重要途径之一。

我国海上风电潜力巨大，可开发容量达到30亿千瓦，沿海各省市高度重视海上风电的发展。在“十四五”期间，我国海上风电新增装机容量超过4 400万千瓦，年均新增装机容量超过1 000万千瓦。截至2021 年末，中国海上风电累计投产装机容量达到23.4 GW，成为全球最大的海上风电市场。2021年后，国家取消对海上风电的电价补贴，开启了平价的新纪元[1]。

海上风电运维船是用于海上风力发电机组运行维护的船舶，承担着运输、储藏、紧急救助等任务，其合理配备是海上风电高质量运维的必备条件，其运维能力更是海上风电场性价比的决定因素之一。

本文以国内海上风电运维船为研究对象，对风电运维船的发展现状进行阐述，对当前存在的问题进行分析并提出相关改进建议。在此基础上，对不同海域的运维船进行经济性分析，根据分析结果确定最佳类型。

1 国内海上风电运维船简介

1.1 发展历程

作为海上风力发电场运行维护的专用船舶，海上风电运维船在一般海况中具有良好的操作性、稳定性以及舒适性，并且能够低速准确地靠泊到风力发电机组的基础或升压站基础靠船桩上，使风机运维人员安全地登上风机或升压站进行维护工作。此外，运维船舶的甲板区应具有存放工具、备品备件等物资的集装箱，以及用于存放风力发电机组运维专用设备的区域。若近海风场离岸距离较远，则运维船舶还应具有运维人员短期临时住宿生活的条件和舒适的夜泊功能。

我国海上风电运维船的发展经历了从无到有的艰难过程，在借鉴国外先进经验并考虑实际风场使用情况后，国内运维船在设计和性能方面均有了显著提升。我国海上风电运维船的发展历程见图1。

图1 我国海上风电运维船发展历程

如图1 所示，在我国海上风电发展的初期，海上风电项目利用非专业船只（如木质渔船和钢质渔船）进行人员、物资的运输工作。该类船舶性能无法满足专业运维船的功能性要求，导致人员上下风机风险高，易造成夹伤、人员落水、骨折等事故。随着海上风电场离岸距离越来越远，海况环境越来越恶劣，传统的渔船或单体运维船因其安全性较低、航速较慢、舒适性较差，往往会造成部分人员身体和精神不适，进而影响运维工作效率。近年来，我国对海上风电运维安全的重视程度不断提高，严禁单体渔船或非交通船性质的运维船从事风电运维工作，并强制要求使用具有交通船性质的船舶。直到2016—2017 年，国内才出现一批安全性较高的运维交通船。2018—2019 年，我国开始逐步在平均离岸距离45 km 以上的海域开发风电场。前期开发的运维船各方面的性能均难以满足要求，在引进国外先进技术的基础上，我国逐步建造出铝质双体船和高性能铝质双体船。

1.2 船型分类

海上风电运维船主要分为普通运维船、中高性能运维船和高性能运维船。

1）普通运维船

普通运维船主要以钢质单体船和钢质双体船为主，船长范围为26～40 m，航速不超过12 kn，采用普通舵桨推进，耐波性差，适合出海的最大有义波高为1.5 m，抗风等级为6 级。

2）中高性能运维船

中高性能运维船主要以钢铝混合和铝质双体船为主，船长范围为20～35 m，航速不超过16 kn，采用普通舵桨推进，耐波性一般，适合出海的最大有义波高为2.0 m，抗风等级为7 级。

3）高性能运维船

高性能运维船主要以铝质双体船为主，船长范围为26～35 m，航速在20 kn 以上，采用全回转推进或喷水推进，耐波性较好，适合出海的最大有义波高为2.5 m，抗风等级为8 级。为提高恶劣海况下的安全性，国内运维船舶市场已出现小水线面高性能运维船型[2-3]。

目前，国内主流的运维船型仍为普通运维船，该类运维船只适用于海况相对良好的海域（如渤海、黄海等海域）。对于海况较为恶劣的海域（如福建海域和广东海域），普通运维船的航速较低、顶靠力不足，无法满足正常运维的要求。考虑到福建海域和广东海域是我国海上风电产业未来发展的重点区域，故投入更加专业的风电运维船是必不可少的。

1.3 国内海域可出海率评估

海上风电运维船的可达性与所在海域的环境条件（如风速、有义波高、雷暴、台风、海雾等）密切相关。通常情况下，若风速超过6 级，海事局会发布航行通告，禁止所有船舶出海，已经出海的船舶强制要求回港避风。

普通运维船、中高性能运维船和高性能运维船适合出海的最高风速分别为10.8 m/s、13.8 m/s、17.1 m/s，适合出海的最大有义波高分别为1.5 m、2.0 m、2.5 m。在雷暴、台风、海雾等恶劣天气条件下，任何船舶均不允许出海。

对于中国海及周边海域，6 级以上大风出现的高频区域主要包括台湾海峡（25%～30%）、吕宋海峡（25%～30%）、琉球群岛附近海域（15%～20%）、传统的南海大风区（15%～20%）。渤海和黄海西部海域的大风频率在5%以内，黄海东部海域的大风频率在10%左右。

有义波高是影响船舶出海的重要因素之一，国内沿海及近海海域的有义波高主要集中在1.0～1.5 m。渤海及黄海北部海域全年有义波高均低于1.5 m。对于黄海中南部和东海北部海域，除冬季有义波高达到1.5～2.0 m 外，其余3 个季节均在1.5 m 以下。对于台湾海峡和南海北部海域，除夏季波高小于1.5 m外，其余3 个季节有义波高均超1.5 m，台湾海峡在冬季时的有义波高甚至会超过2.5 m。

综合考虑不同海域的水文气象和天气条件，计算不同船型的运维船的可达率预估值，见表1。

表1 各海域不同船型运维船的可达率预估值

2 国内海上风电运维船存在的问题及改进措施

目前，国内海上风电场配备的海上风电运维船主要包括单体船和双体船。

单体风电运维船由早期渔船演化而来，其优点是结构质量轻、吃水小、工艺简单、建造成本相对低、建造周期短。然而，单体船存在以下致命缺点：

1）艏艉甲板面积小。

2）艏部线型尖瘦，难以满足船舶顶靠的需求，只有特定的方艏船型才具备安全顶靠风机的能力。

3）单体船的完整稳性较差，在恶劣海况时，其安全性不如双体船。然而，在海况较为温和的风电场（特别是长江口以北的海上风电场），单体船仍具有一定适用性。

为满足海上风电运维的需求，单体船的尺度随着风电场离岸距离和水深的增加逐渐加大。此外，单体船还增加了住宿、餐饮、娱乐等功能，可满足12 个运维人员3～7 天的食宿需求。然而，大型单体船无法满足大批量人员的住宿需求，往往需要大型化居住性装备进行协助，如远距离区域化运维基地、运维母船（Service Operation Vessel，SOV）以及固定式生活平台等（见图2）。

图2 大型化居住性装备

国内早期双体风电运维船是在模仿国外专业海上风电运维船型的基础上进行设计建造的，虽外形相似，但实际功能差异较大，存在实船航速远低于设计航速、部分实船吃水严重超出设计吃水等问题。由于在型线设计、设备选型和材质等方面与国外先进船型存在较大差距，国内早期双体风电运维船的性能相较国际先进水平存在明显不足。

尽管存在诸多不足，我国双体风电运维船仍具备较强的适用性，主要有以下原因：1）双体船的长宽比一般为单体船的2/3～3/4，其船宽一般为同级别单体船的1.25 倍及以上，充足的船宽保证了充裕的甲板面积和优良的完整稳性。2）双体船单个片体的长宽比较大，其摩擦阻力较小，能耗比相较单体船存在优势。3）双体船采用双机双桨推进，充足的轴间距保障了其优秀的操纵性，这对于在低航速状态下船舶顶靠风机基础靠船桩是非常有利的。

由于双体船具有两片体及连接桥的结构形式，故其不必设计尖瘦的艏部线型，可设计为平头式艏部，这对于船舶顶靠和人员上下都是极大利好。

近年来，国内沿近海中小型运维船舶持续发展，涌现出一批具备设计建造中小型双体船能力的企业，国内造船产业逐渐具备了大批量建造双体运维船舶的能力。虽然双体运维船的成本仍高于单体船，但综合考虑船舶性能，双体船在海上风电运维市场依旧具备很强的竞争力。

针对我国单体船和双体船存在的问题，本文提出如下改进措施：

1）在运维船的设计与建造过程中，根据实际应用海域选择合理的船体线型、材质和设备，优化主尺度比，以实现较高的航速和较强的顶靠能力。

2）严格控制运维船舶的质心高度及船舶受风面积，使船舶具有足够的稳性，确保船舶在使用过程中的安全性。

3）由于双体船的横摇周期较短，故在双体船的设计中提高质心高度并尽量减少片体的钢材使用量，可有效延长横摇周期，进而减轻运维工程人员的晕船现象。

4）加装舭龙骨，使船产生附加阻尼，进而实现减摇的目的。

5）船舶舱室采用合理的降噪阻尼材料，减少噪声和振动对人体的伤害，以提高人员在运维船航行时的舒适性。

6）船舶乘员舱室和住宿舱室采用大视野设计理念，以减轻运维工程人员因视觉产生的晕船现象。

7）乘员舱内布置减摇座椅，以提高运维人员长时间乘坐的舒适性。

8）运维船的艏部应选择摩擦因数较大的专用橡胶，以增大艏部与靠船桩的摩擦力，保障人员的安全转移。

3 海上风电运维船经济性评估

在进行海上风电运维船的经济性评估时，要考虑内因和外因。内因主要包括船舶主体材质、主机功率大小、主尺度等因素，外因主要包括所在海域、离岸距离、水文气象条件等因素。下面结合具体案例对海上风电运维船的经济性评估工作进行介绍。

3.1 计算依据

本案例将国内海域分为渤海及黄海北部、黄海中南部、东海南部内湾、东海南部外海、南海海域。假定在各个海域均布置装机容量300 MW的海上风电场，风机型号和稳定性参照市场主流标准，计算运维船类型与船舶成本、机组发电量损失之间的关系。

3.2 船舶分类及技术参数

本案例中风电运维船的分类情况及技术参数信息见表2。

表2 风电运维船分类及技术参数

3.3 渤海及黄海北部海域

渤海及黄海北部属于半遮蔽型海域，其海况条件相对较好，对船舶性能的要求相对较低。然而，该海域冬季存在浮冰，要求运维船满足B 级冰区加强的要求，并且要求主机马力大。渤海及黄海北部海域运维船成本及发电量损失情况见图3。

图3 渤海及黄海北部海域运维船成本及发电量损失情况

由图3 可知，CTV-2 和CTV-3 是较为适合渤海及黄海北部海域的船型，在满足风电运维要求的同时，尽量降低运维船成本和发电量损失。

3.4 黄海中南部海域

黄海中南部海域属于浅海型海域，有义波高常年在1.5 m 以下。该海域对运维船舶性能的要求与渤海及黄海北部海域相似，但不需要满足B 级冰区加强的要求。黄海中南部海域近海和潮间带运维船成本及发电量损失情况见图4 和图5。

图4 黄海中南部海域近海运维船成本及发电量损失情况

图5 黄海中南部海域潮间带运维船成本及发电量损失情况

由图4 可知，CTV-2、CTV-3 和CTV-4 是较为适合黄海中南部海域近海区域的船型。

因受到潮汐影响，黄海中南部海域潮间带区域的日平均候潮时间约为6 h，且该区域的离岸距离在45 km 以上，航行时间在3 h 以上。

虽然CTV-5 可使发电量损失达到最小，但由于受到潮汐影响，落潮后的水深条件不满足铝质船舶停泊的需要，且铝质船舶无法坐滩，故该船无法在潮间带海域正常运行。

综合考虑上述情况，选择SOV 或远距离区域化运维基地来进行黄海中南部海域的运维工作。

3.5 东海南部内湾海域

东海南部内湾海域处在台湾海峡内，受狭管效应的影响，该海域平均风速9～10 m/s，风能资源丰富。由于该海域处于湾内，海浪条件较外海优越，不受外海涌浪的影响，其有义波高常年处于1.5～2.5 m 范围内。东海南部内湾海域运维船成本及发电量损失情况见图6。

图6 东海南部内湾海域运维船成本及发电量损失情况

由图6 可知，CTV-3 和CTV-4 是较为适合东海南部内湾海域的船型，在满足风电运维要求的同时，尽量降低运维船成本和发电量损失。

3.6 东海南部外海海域

由于受到东太平洋洋流和台湾海峡狭管效应的影响，东海南部外海海域的水文气象条件是我国各海域中最为恶劣的。该海域的平均风速约为10 m/s，有义波高一般不低于1.8 m，可供一般运维船出海作业的天气窗口较小，而一旦运维船发生故障将会造成较大的发电量损失。东海南部外海海域运维船成本及发电量损失情况见图7。

图7 东海南部外海海域运维船成本及发电量损失情况

由图3 可知，CTV-6 和CTV-7 是较为适合东海南部外海海域的船型，在满足风电运维要求的同时，尽量降低运维船成本和发电量损失。

3.7 南海海域

由于受到南太平洋洋流和波浪的影响，南海海域的海况条件较差。该海域春季的有义波高为1.5～2.0 m，而冬季可达到2.2～2.5 m。南海海域运维船成本及发电量损失情况见图8。

图8 南海海域运维船成本及发电量损失情况

由图8 可知，CTV-5 和CTV-6 是较为适合南海海域的船型，在满足风电运维要求的同时，尽量降低运维船成本和发电量损失。

海上风电运维工作包含预防性维护和事故修复。其中，预防性维护属于计划性运维活动，主要由定期检修和状态检修组成。定期检修和维护保养可让设备保持最佳的状态，并延长风机的使用寿命。为了提高风电场风资源的利用率，定期维护一般安排在风速较小的4 月—7 月实施，单台维护时间为3～5 天。因此，运维船舶必须具有短期住宿和夜泊的能力，但一般铝质高性能运维船舶无法在海况恶劣的海域夜泊。尽管运维人员可在应急舱内临时夜宿，但船员的生命安全无法得到保障。为降低运维船在恶劣海域运维的风险性，对于离岸距离较远且装机台数超过200 台的恶劣海域，均采用具有舷梯的SOV 进行运维。经计算，一艘SOV 的全年租赁价格约为4 800 万元/年，可覆盖200 台机组。按照目前国内主流机型（6 MW 机组）进行计算，SOV 的租赁成本约为37 元/(千瓦·年)。若使用铝质双体船进行运维，租赁价格约为6 336 万元/年，交通成本约为49 万元/千瓦。除台风外，其他天气对SOV 的影响较小，SOV 几乎不会产生发电量损失，而铝质双体船会产生较大的发电量损失。综合来看，SOV相较铝质双体船更具经济性。福建外海和广东外海等恶劣海域的风电场可考虑使用适应性更强的SOV 进行运维工作。