王鑫，崔亞昆，薛海波，尚勇志，馬奇浩，姜正威，張旭升

國內(nèi)外海上風電平臺運維登靠系統(tǒng)概況

王鑫1，崔亞昆1，薛海波1，尚勇志1，馬奇浩2，姜正威2，張旭升2

（1.上海雄程海洋工程股份有限公司，上海 201306；2.上海海事大學 商船學院，上海 201306）

世界各國海上風電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，海上風力發(fā)電成為可再生能源開發(fā)的重要發(fā)展方向。隨著海上風力發(fā)電機組不斷的投入使用，海上運維船必然需要定期維護風力發(fā)電機組，并且運維服務(wù)范圍呈現(xiàn)出從近海向遠洋擴展的趨勢。在海上運維作業(yè)中，海上登乘系統(tǒng)通常用于人員和設(shè)備的安全便捷轉(zhuǎn)移。為了消除船舶外部環(huán)境引入的各種不穩(wěn)定因素，國內(nèi)外相繼開發(fā)了多種用于海上運維的設(shè)備和船舶。對國內(nèi)外不同風電運維設(shè)備以及登靠方式進行了詳細論述。中國目前的運維船仍以頂靠登靠為主，在風電向遠洋發(fā)展的大趨勢下，亟待開發(fā)具有運動補償功能的登靠裝置或船舶。

海上風電平臺；運維船；登靠系統(tǒng)；運動補償

1 前言

大量化石資源在促進世界經(jīng)濟蓬勃發(fā)展的同時，也帶來了諸多能源與環(huán)境問題。新型替代能源的發(fā)展已經(jīng)成為各國關(guān)注的焦點，其中海上風電是重要的組成部分，其占世界可再生能源發(fā)電量的16%。2017年世界海上風力發(fā)電的總?cè)萘?8.8 MW[1]。近年來中國海上風電裝機容量呈遞增趨勢，據(jù)統(tǒng)計，中國海上風電累計裝機容量為2 790 MW，同比增長71%[2]。海上風電市場的發(fā)展，需要配備更高效更安全的技術(shù)人員和貨物轉(zhuǎn)移的運維船及運維配套設(shè)施。雖然近海的海上風電場已經(jīng)推動了運維船的廣泛使用，但隨著遠洋海上風力發(fā)電場的進一步發(fā)展，需要引入更多的運維船和適合遠洋的新的運維配套設(shè)施。但是，遠洋的風力發(fā)電場為工作人員的維修與保養(yǎng)作業(yè)帶來了額外的挑戰(zhàn)。

考慮到風電運行和維護成本在能源成本中占比較大，所以開發(fā)適宜的、安全可靠的、服務(wù)范圍廣的運維船舶和系統(tǒng)就具有十分高的應(yīng)用價值。

2 海上風電維護形式和作業(yè)頻率

風電場的選址分為沿海和遠洋，離岸越遠，海況就越差，對于風電設(shè)備的運行維護要求就越高。一般來說，對于沿海（近岸）的風電設(shè)備，可以采用小型的運維船，以人員運輸為主。隨著風電場向遠洋布置，運輸過程占用時間增加，可能擠占風電設(shè)備的維護時間。所以針對遠洋風電場的工程師和貨物必須依托于的運維船來開展工作。除了采用船舶運輸之外，也可以采用直升機進行人員等的登靠，尤其在時間較短或者?？萍捌鋹毫拥那闆r下。但是從目前來看，國內(nèi)外對于風電平臺的維護主要采用運維船或登靠船的形式。

風電平臺的運行維護的關(guān)鍵因素是運維的成本和風電場的可作業(yè)性，而這兩者恰恰又是相互制約的關(guān)系，所以如果期望獲取最優(yōu)的運維策略，就需要在二者之間找到權(quán)衡點。從目前國內(nèi)外的研究來看，風電場每年的可作業(yè)頻率在50%～70%[3]。春夏季可作業(yè)天數(shù)顯著高于秋冬兩季，但是作業(yè)頻率也受到海況和波浪參數(shù)的影響。另外從風電系統(tǒng)設(shè)計的理念來看，也逐步從高可靠性向高可登靠性轉(zhuǎn)變。所以增加風電平臺的登靠性已經(jīng)成為風電場可靠運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與之對應(yīng)的運維登靠系統(tǒng)的研究開發(fā)就十分重要。

3 國外主要的海上風電運維方式

3.1 對接沿海風機爬梯的快速登靠方式

3.1.1 不帶運動補償系統(tǒng)的登靠船

對于近岸風電平臺，采用小型船舶，直接頂靠風機基座爬梯，并與海上風機平臺塔基相互接觸，利用普通登乘裝置登上海上風機平臺，實現(xiàn)作業(yè)人員的轉(zhuǎn)送。此類小型運維船舶具有性價比高、響應(yīng)迅速的特點。一般此類船舶僅適用于在風浪變化小，天氣狀況良好的情況下作業(yè)。具有此類快速登靠裝置的運維船如圖1所示。船舶形式有單體船、雙體船和三體船，應(yīng)用的海浪波高可達3 m。但是這類登乘裝置對船舶的運動補償效果差，有一定的危險性，現(xiàn)在正在逐步被專業(yè)運維船或?qū)I(yè)運維配套設(shè)施所取代。

圖1 快速登靠的運維船

3.1.2 帶運動補償?shù)倪\維登靠裝置

為了延長風機平臺運維的可作業(yè)時間，需要提高登靠裝置的穩(wěn)定性和安全性。對于沿海風電場來說，海況相對穩(wěn)定。海浪波高較小的情況下，在無船舶動力定位的基礎(chǔ)上，為了提高登靠的穩(wěn)定性，可針對波浪引起的船舶運動設(shè)計補償裝置。一般采用若干個自由度的補償舷梯系統(tǒng)來實現(xiàn)，此類裝置或系統(tǒng)主要安裝在船舶甲板上。國外著名的產(chǎn)品有Ampelmann公司的L形登靠系統(tǒng)（如圖2所示）、Houlder公司的風機登靠系統(tǒng)、Autobrow公司的登靠系統(tǒng)等。

圖2 Ampelmann公司的L型登靠系統(tǒng)

此類補償舷梯主要針對運維船舶的橫搖、縱搖、升沉三個自由度的運動，舷梯做伸縮、俯仰、轉(zhuǎn)動等三維運動實現(xiàn)有效補償，從而使工作人員及貨物運輸通過橋梯時更加安全可靠。此類運維船的設(shè)計主要針對沿海風電平臺，所以小型化、可靠性好和性價比高是其設(shè)計特點。運輸人員為主，也可實現(xiàn)小量的貨物運輸。

3.2 對接風機平臺的登靠方式

從爬梯的登靠方式來看，其主要針對沿海風電場，無法滿足遠洋風電場服務(wù)的需求。同時更加惡劣的?？圃黾恿俗鳂I(yè)工程師在登靠過程中的危險性，同時未補償?shù)拇斑\動也會引起身體不適。針對這些問題，此類運維船舶的設(shè)計尺寸更大，配備了動力定位系統(tǒng)，同時引入不同形式的補償系統(tǒng)，基本可以消除船舶和風機平臺的相對運動。典型的產(chǎn)品有Ampelmann公司A和E型產(chǎn)品、Barge Master公司的產(chǎn)品、Kenz Figee集團的產(chǎn)品等。

Ampelmann公司A型系統(tǒng)是經(jīng)典的六自由度運動補償舷梯系統(tǒng)，如圖3所示。其依靠安裝在甲板上的六自由度液壓補償平臺，對傳感器提供的實時準確的船舶運動進行主動運動補償，有效地消除所有運動。其系列產(chǎn)品中除了可以進行人員輸送外，可以兼顧大型貨物的轉(zhuǎn)運。

Barge Master生產(chǎn)的海上換乘舷梯如圖4所示，適用于船與風機平臺之間的換乘。它是具有三自由度補償?shù)南咸?，可補償3.5 m以內(nèi)的有效波高，可有效提高風機平臺的可作業(yè)頻率。同時該海上換乘舷梯擁有吊運功能，可吊裝2 t重的貨物。

KENZ-FIGEE公司的風機平臺登靠裝置如圖5所示，該裝置在起重機的輔助下可以實現(xiàn)全自由度的主動運動補償。登靠采用的典型著陸裝置包括著陸錐和主動緩沖器兩種。主動緩沖器通過兩個小型液壓缸對舷梯換乘點施加恒張力來使舷梯末端固定，可以提高著陸的準確性。

圖3 Ampelmann公司A型帶運動補償?shù)南咸菹到y(tǒng)

圖4 Barge Master的三自由度補償?shù)膿Q乘舷梯

圖5 KENZ-FIGEE公司的登靠裝置

3.3 針對大型貨物轉(zhuǎn)運的起重設(shè)備

前面闡述的登靠設(shè)備主要實現(xiàn)人員的轉(zhuǎn)運和一定量貨物的運輸。但是如果考慮到遠洋風電場的需求以及風機功率的逐步增大，需要運維轉(zhuǎn)運的貨物重量就更大。傳統(tǒng)起重設(shè)備疊加運動補償功能后，就基本具備了風機平臺維修所需的轉(zhuǎn)運登靠功能，即將之前的舷梯替換為起重機。國外典型的產(chǎn)品有CargoSafe、Kenz、SMST等公司的海上起重機。

此類海上起重機具備多自由度的運動補償，從而可以基本消除船舶運動的影響。由于補償準確性取決于船舶運動測量的準確性，Kenz公司采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行船舶運動測量。另外海上起重機的使用，可適應(yīng)的海浪波高也得到進一步提高，比如SMST公司的起重機可達4.5 m。起重機的型號不同，承載能力也不同的?？紤]到海上登靠潛在的碰撞事故，CargoSafe公司的產(chǎn)品還加入了激光防碰撞系統(tǒng)、視頻成像、手動和自動過載保護系統(tǒng)等。海上平臺用大型起重設(shè)備如圖6所示。

3.4 其他登靠方式和設(shè)備

3.4.1 吊籃換乘

使用海上起重機輔助吊籃進行風機平臺的登靠。此起重機一般具有波浪補償功能，安裝在甲板上或風機平臺上。為了保證人員和物資的安全，此吊籃的保護性框架具有抗沖擊性和漂浮特性。需要運輸?shù)娜藛T和物資通過起重機吊運，如圖7所示。

圖7 起重機輔助吊籃換乘

3.4.2 軟梯登靠方式

借鑒對石油平臺維護的登乘方式，該種登乘方式不泊靠海上風機平臺，屬于純?nèi)斯さ浅朔绞?。其主要特點是在風機平臺上安裝可遠程控制的伸縮舷梯，維護人員通過舷梯或與舷梯相連的掛梯（或軟梯）登靠風機平臺，僅可實現(xiàn)人員的轉(zhuǎn)移[4]。

該類型登乘方式適用于大型的海上發(fā)電機組平臺，平臺空間大，易于安裝直梯或者可遠程控制的伸縮舷梯。同時滿足船舶可尾靠海域空間，但不泊靠不接觸基座，如圖8所示。

圖8 伸縮軟梯登靠換乘

3.4.3 直升機登靠風機平臺

直升機可以在20 m/s風速下在風機渦輪機頂部的平臺登靠。此類方式對于人員輸送來說，具有安全穩(wěn)定和快捷高效的特點，但是運送人數(shù)極為有限（3人左右），也可攜帶少量設(shè)備。

4 中國的海上風電運維船介紹

中國的海上風電開發(fā)主要集中在沿海省份，目前以近海風電場為主。根據(jù)2017年之前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看[5]，運維船主要采用頂靠的方式來實現(xiàn)登靠。其中有些船舶加裝了起重吊臂，可以實現(xiàn)貨物的吊裝。新建船舶也逐步引入了主動補償?shù)强垦b置。另外從船舶船型的設(shè)計來看，逐步采用雙體船和鋁制材料，提高航速和穩(wěn)定性。

2017年底的“廣核1號”將大推力全回轉(zhuǎn)導(dǎo)管舵槳應(yīng)用于小型雙體船，提高操控性能，能夠低速精準地靠泊到風機基礎(chǔ)；配備動力自動靠泊系統(tǒng)（DAP），實現(xiàn)船舶在各種海浪狀況中的自動定位，能使船首與風機樁保持持續(xù)接觸。“廣核1號”運維船如圖9所示。

圖9 “廣核1號”運維船

2018年下水的風電運維船“國海01”是全鋁合金雙體高速船舶。船艏配裝Maxccess波浪補償舷梯，航速可達25節(jié)?！皣?1”運維船如圖10所示。

5 結(jié)論與展望

從國內(nèi)外風電運維設(shè)備和船舶的建造現(xiàn)狀來看，中國風電平臺運維設(shè)備的開發(fā)主要集中于運維船舶的設(shè)計?？紤]到中國風電場的建設(shè)和分布現(xiàn)狀，運維船舶主要服務(wù)于沿海地區(qū)的風電平臺。采用平臺基礎(chǔ)爬梯登靠的方式，安裝起重吊機完成貨物轉(zhuǎn)運的部分功能。新型的船舶逐步引入了補償舷梯裝置?？偟膩砜?，中國的風電運維船的設(shè)計充分考慮了運維船的經(jīng)濟性和維修響應(yīng)速度。

圖10 “國海01”運維船

國外風電的起步和發(fā)展較早，運維相關(guān)的問題也介入較早，所以在風電運維設(shè)備的開發(fā)和儲備方面相對較為成熟，而且開發(fā)的技術(shù)產(chǎn)品種類也較多。其中Ampelmann公司在2008年就推出了多自由度補償?shù)牡强吭O(shè)備，而且進一步改進的設(shè)計也已經(jīng)滿足了遠洋風電的需求。

與國外風電運維設(shè)備相比較，中國風電運維設(shè)備和船舶，運維船的建造基本落后國外5～10年，同時多自由度運動補償?shù)牡强吭O(shè)備在技術(shù)上仍存在較大的差距。如果直接從國外引進先進設(shè)備，目前的引進費用還比較高。所以亟需國內(nèi)自主開發(fā)風機平臺和海上平臺的登靠系統(tǒng)。并且與運維相關(guān)的船舶設(shè)計與開發(fā)已經(jīng)得到重點關(guān)注，其中“可伸縮式登船棧橋系統(tǒng)研制”也已經(jīng)納入《高技術(shù)船舶科研幾乎項目指南（2016年版）》[6]。

從中國風電場的實際出發(fā)，各個海域的特點不同，福建海域受臺風影響最為明顯，所以不同海域服務(wù)的運維設(shè)備要求不一致，對于技術(shù)的要求存在差異。新的運維船舶的設(shè)計不能局限于沿海區(qū)域的現(xiàn)狀，需要更具有前瞻性，向遠洋風電場的更大服務(wù)范圍輻射，緊跟甚至趕超國際水平，推進風電產(chǎn)業(yè)的進一步深度和廣度發(fā)展。越來越可靠的風電場的運營，也必將推動中國能源格局的進一步變革，為新時期中國經(jīng)濟的發(fā)展注入新的活力。

［1］羅承先.世界海上風力發(fā)電現(xiàn)狀［J］.中外能源，2019，24（2）：22-27.

［2］舟丹.全球海上風電發(fā)展趨勢［J］.中外能源，2019，24（2）：98.

［3］高巍，周華.風電運維船登靠作業(yè)概率評估［J］.中國海洋平臺，2018，33（6）：77-84.

［4］王建文.無人駐守平臺登乘方式［J］.中國造船，2009（50）：71-74.

［5］陳釔西，柯逸思，張忠中，等.國內(nèi)海上風電運維船發(fā)展現(xiàn)狀及分析［J］.風能，2017（12）：40-44.

［6］徐佳.具有波浪補償功能的海上換乘舷梯設(shè)計與仿真［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學機電工程學院，2018.

U674.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.023

2095－6835（2019）20－0055－04

王鑫（1991—），男，碩士，工程師，研究方向為船舶與海洋工程相關(guān)設(shè)備開發(fā)設(shè)計。

〔編輯：嚴麗琴〕