王 菲，嚴輝煌，張 竹，方 晶，沈星星，王九華

（江蘇金風科技有限公司，江蘇鹽城 224000）

0 引言

隨著全球能源消費的增長和能源結構的不斷調整，各國均將發(fā)展新能源產業(yè)作為實施能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要途徑。無論是從當前生態(tài)環(huán)境治理的現(xiàn)實需求，還是從國家能源結構調整的長遠需要來看，都需要大力發(fā)展可再生能源。

風能作為一種重要的可再生能源，具有可再生、無污染、蘊藏量大、分布廣的特點。風力發(fā)電是風能利用的主要形式，也是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑之一。

我國海上風電潛力巨大，可開發(fā)容量達到30億千瓦，沿海各省市高度重視海上風電的發(fā)展。在“十四五”期間，我國海上風電新增裝機容量超過4 400萬千瓦，年均新增裝機容量超過1 000萬千瓦。截至2021 年末，中國海上風電累計投產裝機容量達到23.4 GW，成為全球最大的海上風電市場。2021年后，國家取消對海上風電的電價補貼，開啟了平價的新紀元[1]。

海上風電運維船是用于海上風力發(fā)電機組運行維護的船舶，承擔著運輸、儲藏、緊急救助等任務，其合理配備是海上風電高質量運維的必備條件，其運維能力更是海上風電場性價比的決定因素之一。

本文以國內海上風電運維船為研究對象，對風電運維船的發(fā)展現(xiàn)狀進行闡述，對當前存在的問題進行分析并提出相關改進建議。在此基礎上，對不同海域的運維船進行經濟性分析，根據(jù)分析結果確定最佳類型。

1 國內海上風電運維船簡介

1.1 發(fā)展歷程

作為海上風力發(fā)電場運行維護的專用船舶，海上風電運維船在一般海況中具有良好的操作性、穩(wěn)定性以及舒適性，并且能夠低速準確地靠泊到風力發(fā)電機組的基礎或升壓站基礎靠船樁上，使風機運維人員安全地登上風機或升壓站進行維護工作。此外，運維船舶的甲板區(qū)應具有存放工具、備品備件等物資的集裝箱，以及用于存放風力發(fā)電機組運維專用設備的區(qū)域。若近海風場離岸距離較遠，則運維船舶還應具有運維人員短期臨時住宿生活的條件和舒適的夜泊功能。

我國海上風電運維船的發(fā)展經歷了從無到有的艱難過程，在借鑒國外先進經驗并考慮實際風場使用情況后，國內運維船在設計和性能方面均有了顯著提升。我國海上風電運維船的發(fā)展歷程見圖1。

圖1 我國海上風電運維船發(fā)展歷程

如圖1 所示，在我國海上風電發(fā)展的初期，海上風電項目利用非專業(yè)船只（如木質漁船和鋼質漁船）進行人員、物資的運輸工作。該類船舶性能無法滿足專業(yè)運維船的功能性要求，導致人員上下風機風險高，易造成夾傷、人員落水、骨折等事故。隨著海上風電場離岸距離越來越遠，海況環(huán)境越來越惡劣，傳統(tǒng)的漁船或單體運維船因其安全性較低、航速較慢、舒適性較差，往往會造成部分人員身體和精神不適，進而影響運維工作效率。近年來，我國對海上風電運維安全的重視程度不斷提高，嚴禁單體漁船或非交通船性質的運維船從事風電運維工作，并強制要求使用具有交通船性質的船舶。直到2016—2017 年，國內才出現(xiàn)一批安全性較高的運維交通船。2018—2019 年，我國開始逐步在平均離岸距離45 km 以上的海域開發(fā)風電場。前期開發(fā)的運維船各方面的性能均難以滿足要求，在引進國外先進技術的基礎上，我國逐步建造出鋁質雙體船和高性能鋁質雙體船。

1.2 船型分類

海上風電運維船主要分為普通運維船、中高性能運維船和高性能運維船。

1）普通運維船

普通運維船主要以鋼質單體船和鋼質雙體船為主，船長范圍為26～40 m，航速不超過12 kn，采用普通舵槳推進，耐波性差，適合出海的最大有義波高為1.5 m，抗風等級為6 級。

2）中高性能運維船

中高性能運維船主要以鋼鋁混合和鋁質雙體船為主，船長范圍為20～35 m，航速不超過16 kn，采用普通舵槳推進，耐波性一般，適合出海的最大有義波高為2.0 m，抗風等級為7 級。

3）高性能運維船

高性能運維船主要以鋁質雙體船為主，船長范圍為26～35 m，航速在20 kn 以上，采用全回轉推進或噴水推進，耐波性較好，適合出海的最大有義波高為2.5 m，抗風等級為8 級。為提高惡劣海況下的安全性，國內運維船舶市場已出現(xiàn)小水線面高性能運維船型[2-3]。

目前，國內主流的運維船型仍為普通運維船，該類運維船只適用于海況相對良好的海域（如渤海、黃海等海域）。對于海況較為惡劣的海域（如福建海域和廣東海域），普通運維船的航速較低、頂靠力不足，無法滿足正常運維的要求。考慮到福建海域和廣東海域是我國海上風電產業(yè)未來發(fā)展的重點區(qū)域，故投入更加專業(yè)的風電運維船是必不可少的。

1.3 國內海域可出海率評估

海上風電運維船的可達性與所在海域的環(huán)境條件（如風速、有義波高、雷暴、臺風、海霧等）密切相關。通常情況下，若風速超過6 級，海事局會發(fā)布航行通告，禁止所有船舶出海，已經出海的船舶強制要求回港避風。

普通運維船、中高性能運維船和高性能運維船適合出海的最高風速分別為10.8 m/s、13.8 m/s、17.1 m/s，適合出海的最大有義波高分別為1.5 m、2.0 m、2.5 m。在雷暴、臺風、海霧等惡劣天氣條件下，任何船舶均不允許出海。

對于中國海及周邊海域，6 級以上大風出現(xiàn)的高頻區(qū)域主要包括臺灣海峽（25%～30%）、呂宋海峽（25%～30%）、琉球群島附近海域（15%～20%）、傳統(tǒng)的南海大風區(qū)（15%～20%）。渤海和黃海西部海域的大風頻率在5%以內，黃海東部海域的大風頻率在10%左右。

有義波高是影響船舶出海的重要因素之一，國內沿海及近海海域的有義波高主要集中在1.0～1.5 m。渤海及黃海北部海域全年有義波高均低于1.5 m。對于黃海中南部和東海北部海域，除冬季有義波高達到1.5～2.0 m 外，其余3 個季節(jié)均在1.5 m 以下。對于臺灣海峽和南海北部海域，除夏季波高小于1.5 m外，其余3 個季節(jié)有義波高均超1.5 m，臺灣海峽在冬季時的有義波高甚至會超過2.5 m。

綜合考慮不同海域的水文氣象和天氣條件，計算不同船型的運維船的可達率預估值，見表1。

表1 各海域不同船型運維船的可達率預估值

2 國內海上風電運維船存在的問題及改進措施

目前，國內海上風電場配備的海上風電運維船主要包括單體船和雙體船。

單體風電運維船由早期漁船演化而來，其優(yōu)點是結構質量輕、吃水小、工藝簡單、建造成本相對低、建造周期短。然而，單體船存在以下致命缺點：

1）艏艉甲板面積小。

2）艏部線型尖瘦，難以滿足船舶頂靠的需求，只有特定的方艏船型才具備安全頂靠風機的能力。

3）單體船的完整穩(wěn)性較差，在惡劣海況時，其安全性不如雙體船。然而，在海況較為溫和的風電場（特別是長江口以北的海上風電場），單體船仍具有一定適用性。

為滿足海上風電運維的需求，單體船的尺度隨著風電場離岸距離和水深的增加逐漸加大。此外，單體船還增加了住宿、餐飲、娛樂等功能，可滿足12 個運維人員3～7 天的食宿需求。然而，大型單體船無法滿足大批量人員的住宿需求，往往需要大型化居住性裝備進行協(xié)助，如遠距離區(qū)域化運維基地、運維母船（Service Operation Vessel，SOV）以及固定式生活平臺等（見圖2）。

圖2 大型化居住性裝備

國內早期雙體風電運維船是在模仿國外專業(yè)海上風電運維船型的基礎上進行設計建造的，雖外形相似，但實際功能差異較大，存在實船航速遠低于設計航速、部分實船吃水嚴重超出設計吃水等問題。由于在型線設計、設備選型和材質等方面與國外先進船型存在較大差距，國內早期雙體風電運維船的性能相較國際先進水平存在明顯不足。

盡管存在諸多不足，我國雙體風電運維船仍具備較強的適用性，主要有以下原因：1）雙體船的長寬比一般為單體船的2/3～3/4，其船寬一般為同級別單體船的1.25 倍及以上，充足的船寬保證了充裕的甲板面積和優(yōu)良的完整穩(wěn)性。2）雙體船單個片體的長寬比較大，其摩擦阻力較小，能耗比相較單體船存在優(yōu)勢。3）雙體船采用雙機雙槳推進，充足的軸間距保障了其優(yōu)秀的操縱性，這對于在低航速狀態(tài)下船舶頂靠風機基礎靠船樁是非常有利的。

由于雙體船具有兩片體及連接橋的結構形式，故其不必設計尖瘦的艏部線型，可設計為平頭式艏部，這對于船舶頂靠和人員上下都是極大利好。

近年來，國內沿近海中小型運維船舶持續(xù)發(fā)展，涌現(xiàn)出一批具備設計建造中小型雙體船能力的企業(yè)，國內造船產業(yè)逐漸具備了大批量建造雙體運維船舶的能力。雖然雙體運維船的成本仍高于單體船，但綜合考慮船舶性能，雙體船在海上風電運維市場依舊具備很強的競爭力。

針對我國單體船和雙體船存在的問題，本文提出如下改進措施：

1）在運維船的設計與建造過程中，根據(jù)實際應用海域選擇合理的船體線型、材質和設備，優(yōu)化主尺度比，以實現(xiàn)較高的航速和較強的頂靠能力。

2）嚴格控制運維船舶的質心高度及船舶受風面積，使船舶具有足夠的穩(wěn)性，確保船舶在使用過程中的安全性。

3）由于雙體船的橫搖周期較短，故在雙體船的設計中提高質心高度并盡量減少片體的鋼材使用量，可有效延長橫搖周期，進而減輕運維工程人員的暈船現(xiàn)象。

4）加裝舭龍骨，使船產生附加阻尼，進而實現(xiàn)減搖的目的。

5）船舶艙室采用合理的降噪阻尼材料，減少噪聲和振動對人體的傷害，以提高人員在運維船航行時的舒適性。

6）船舶乘員艙室和住宿艙室采用大視野設計理念，以減輕運維工程人員因視覺產生的暈船現(xiàn)象。

7）乘員艙內布置減搖座椅，以提高運維人員長時間乘坐的舒適性。

8）運維船的艏部應選擇摩擦因數(shù)較大的專用橡膠，以增大艏部與靠船樁的摩擦力，保障人員的安全轉移。

3 海上風電運維船經濟性評估

在進行海上風電運維船的經濟性評估時，要考慮內因和外因。內因主要包括船舶主體材質、主機功率大小、主尺度等因素，外因主要包括所在海域、離岸距離、水文氣象條件等因素。下面結合具體案例對海上風電運維船的經濟性評估工作進行介紹。

3.1 計算依據(jù)

本案例將國內海域分為渤海及黃海北部、黃海中南部、東海南部內灣、東海南部外海、南海海域。假定在各個海域均布置裝機容量300 MW的海上風電場，風機型號和穩(wěn)定性參照市場主流標準，計算運維船類型與船舶成本、機組發(fā)電量損失之間的關系。

3.2 船舶分類及技術參數(shù)

本案例中風電運維船的分類情況及技術參數(shù)信息見表2。

表2 風電運維船分類及技術參數(shù)

3.3 渤海及黃海北部海域

渤海及黃海北部屬于半遮蔽型海域，其海況條件相對較好，對船舶性能的要求相對較低。然而，該海域冬季存在浮冰，要求運維船滿足B 級冰區(qū)加強的要求，并且要求主機馬力大。渤海及黃海北部海域運維船成本及發(fā)電量損失情況見圖3。

圖3 渤海及黃海北部海域運維船成本及發(fā)電量損失情況

由圖3 可知，CTV-2 和CTV-3 是較為適合渤海及黃海北部海域的船型，在滿足風電運維要求的同時，盡量降低運維船成本和發(fā)電量損失。

3.4 黃海中南部海域

黃海中南部海域屬于淺海型海域，有義波高常年在1.5 m 以下。該海域對運維船舶性能的要求與渤海及黃海北部海域相似，但不需要滿足B 級冰區(qū)加強的要求。黃海中南部海域近海和潮間帶運維船成本及發(fā)電量損失情況見圖4 和圖5。

圖4 黃海中南部海域近海運維船成本及發(fā)電量損失情況

圖5 黃海中南部海域潮間帶運維船成本及發(fā)電量損失情況

由圖4 可知，CTV-2、CTV-3 和CTV-4 是較為適合黃海中南部海域近海區(qū)域的船型。

因受到潮汐影響，黃海中南部海域潮間帶區(qū)域的日平均候潮時間約為6 h，且該區(qū)域的離岸距離在45 km 以上，航行時間在3 h 以上。

雖然CTV-5 可使發(fā)電量損失達到最小，但由于受到潮汐影響，落潮后的水深條件不滿足鋁質船舶停泊的需要，且鋁質船舶無法坐灘，故該船無法在潮間帶海域正常運行。

綜合考慮上述情況，選擇SOV 或遠距離區(qū)域化運維基地來進行黃海中南部海域的運維工作。

3.5 東海南部內灣海域

東海南部內灣海域處在臺灣海峽內，受狹管效應的影響，該海域平均風速9～10 m/s，風能資源豐富。由于該海域處于灣內，海浪條件較外海優(yōu)越，不受外海涌浪的影響，其有義波高常年處于1.5～2.5 m 范圍內。東海南部內灣海域運維船成本及發(fā)電量損失情況見圖6。

圖6 東海南部內灣海域運維船成本及發(fā)電量損失情況

由圖6 可知，CTV-3 和CTV-4 是較為適合東海南部內灣海域的船型，在滿足風電運維要求的同時，盡量降低運維船成本和發(fā)電量損失。

3.6 東海南部外海海域

由于受到東太平洋洋流和臺灣海峽狹管效應的影響，東海南部外海海域的水文氣象條件是我國各海域中最為惡劣的。該海域的平均風速約為10 m/s，有義波高一般不低于1.8 m，可供一般運維船出海作業(yè)的天氣窗口較小，而一旦運維船發(fā)生故障將會造成較大的發(fā)電量損失。東海南部外海海域運維船成本及發(fā)電量損失情況見圖7。

圖7 東海南部外海海域運維船成本及發(fā)電量損失情況

由圖3 可知，CTV-6 和CTV-7 是較為適合東海南部外海海域的船型，在滿足風電運維要求的同時，盡量降低運維船成本和發(fā)電量損失。

3.7 南海海域

由于受到南太平洋洋流和波浪的影響，南海海域的海況條件較差。該海域春季的有義波高為1.5～2.0 m，而冬季可達到2.2～2.5 m。南海海域運維船成本及發(fā)電量損失情況見圖8。

圖8 南海海域運維船成本及發(fā)電量損失情況

由圖8 可知，CTV-5 和CTV-6 是較為適合南海海域的船型，在滿足風電運維要求的同時，盡量降低運維船成本和發(fā)電量損失。

海上風電運維工作包含預防性維護和事故修復。其中，預防性維護屬于計劃性運維活動，主要由定期檢修和狀態(tài)檢修組成。定期檢修和維護保養(yǎng)可讓設備保持最佳的狀態(tài)，并延長風機的使用壽命。為了提高風電場風資源的利用率，定期維護一般安排在風速較小的4 月—7 月實施，單臺維護時間為3～5 天。因此，運維船舶必須具有短期住宿和夜泊的能力，但一般鋁質高性能運維船舶無法在海況惡劣的海域夜泊。盡管運維人員可在應急艙內臨時夜宿，但船員的生命安全無法得到保障。為降低運維船在惡劣海域運維的風險性，對于離岸距離較遠且裝機臺數(shù)超過200 臺的惡劣海域，均采用具有舷梯的SOV 進行運維。經計算，一艘SOV 的全年租賃價格約為4 800 萬元/年，可覆蓋200 臺機組。按照目前國內主流機型（6 MW 機組）進行計算，SOV 的租賃成本約為37 元/(千瓦·年)。若使用鋁質雙體船進行運維，租賃價格約為6 336 萬元/年，交通成本約為49 萬元/千瓦。除臺風外，其他天氣對SOV 的影響較小，SOV 幾乎不會產生發(fā)電量損失，而鋁質雙體船會產生較大的發(fā)電量損失。綜合來看，SOV相較鋁質雙體船更具經濟性。福建外海和廣東外海等惡劣海域的風電場可考慮使用適應性更強的SOV 進行運維工作。

4 結論

本文以國內海上風電運維船為研究對象，對風電運維船的發(fā)展現(xiàn)狀進行闡述，對當前存在的問題進行分析并提出相關改進建議。在此基礎上，對不同海域的運維船進行經濟性分析，根據(jù)分析結果確定最佳類型，得出如下結論：

1）國內大部分運維船只能滿足江蘇及江蘇以北海域風電場的運維要求，而能滿足福建外海和廣東海域的運維船的存量不足。

2）國內運維船的造價不菲，很難適應未來海上風電的平價時代。

3）單純依靠高性能運維船無法適應未來深遠海風電建設和運維工作，研制性能好、運營成本低的海上風電運維船舶是未來海上風電向中遠海大規(guī)模快速發(fā)展的重要舉措。