风电安装船功能及经济性分析

郝金凤，强兆新，石俊令

(中船重工船舶设计研究中心有限公司，北京 100081）

风电安装船功能及经济性分析

郝金凤，强兆新，石俊令

(中船重工船舶设计研究中心有限公司，北京 100081）

随着海上风电产业迅猛发展，风电安装船需求越来越大，并且风电安装船是高附加值工程船，因此这一市场的吸引力越来越受到造船界重视，竞争越来越激烈。本文梳理了风电安装船当前在国内外的应用和订造情况，分析了风电安装船功能与造价的经济性，总结其功能配置的影响因素。为把握风电安装船发展趋势，推出适应市场需求的设计方案提供参考。

海上风电;风电安装船;风电安装船功能;风电安装船经济性;风电安装船造价

0 引言

风能是一种清洁的可再生能源，其发电成本稳定，没有碳排放等环境成本，在全球范围内分布广泛。随着风电技术的发展，海上风力发电已经成为世界新能源发展的热点。到目前为止，13个国家建立了海上风电场，其中10个在欧洲，另外3个分别在美国、中国和日本。欧盟风能协会 (EWEA）最新发布《洁净电力:2020和2030年风能目标》研究报告，该报告认为风能年投资额将从2010年的127亿欧元增长至2020年的266亿欧元，到2020年，40%的风电投资将流入海上 (离岸）风电场。至2012年欧盟新建海上风电发电量增长至5 000 MW，海上风电机组增长近300个，达1 662台。据美国《新科学家》杂志报道，为大力发展可再生能源，日本拟于今年7月起在距福岛市16 km的沿海建造共有143个风力涡轮机的全球最大海上风力发电场，进而摆脱对核能的依赖。

根据“十二五”规划，到2015年，全国风电规划装机90 GW，其中海上风电5 GW，形成海上风电的成套技术并建立完整产业链;2015年后，中国海上风电将进入规模化发展阶段，达到国际先进技术水平;到2020年全国风电规划装机150 GW，其中含海上风电30 GW。日前发布的《中国风电发展报告2012》指出，中国海上风电建设有序推进，上海、江苏、山东、河北、浙江、广东海上风电规划已经完成;辽宁大连、福建、广西、海南等地的海上风电规划正在完善和制定。完成的规划中初步确定了43 GW的海上风能资源开发潜力，目前已有38个项目、共16.5 GW在开展各项前期工作，其中除首轮特许招标的4个风电项目以外，还有8个项目已核准2013年开工建设或获得前期研究工作批复。

海上风电设备的运输与安装需要较高的技术支持，由具有可靠作业能力的装备来完成。风电安装船 (Wind Installation Vessel，WIV）是一种全新的海洋工程船舶，主要用于海上风电设备的运输和吊装，它将运输船、海上作业平台、起重船以及生活供给船的各项功能融为一体，可以独立完成上述运输和安装作业。风电安装船具有附加值高，造价高、设计建造难度大的特点。目前国内外建造的先进的第三代风电安装船的设计技术全部来自国外，因此，开展风电安装船功能影响因素及功能与经济性分析研究，为承接订单、进入风电安装船设计的市场做技术准备，进一步提升我国海洋工程船舶自主设计能力，满足未来海上风电设备安装、维护的需要。

1 风电安装船发展概述

1955年，由美国Dean兄弟公司设计建造的第1艘自升自航船问世。风电工程船发展可以分为3个阶段 (见表1）。第1代，没有专门的风电工程船，由已有的起重船和工作驳船等联合作业;第2代，具有自升功能的驳船或平台但不具有自航功能;第3代，具有自航、自升、起重功能的专用风电工程船。目前国外专业的海上风电安装公司建造的风电安装船属于第3代风电安装船，用于风电场的安装、维护工作及其他海上支持作业。具有安全性、高效率、长期使用性等优点。

表1 风电安装船发展阶段划分Tab.1 The division phases of wind turbine installation vessel

在第3代风电安装船发展之初，具有自升、自航、起吊功能的专用安装船都是由其他船舶改装而来。例如总部位于丹麦的A2SEA公司，与丹麦的主要风机制造商相毗邻，是专业提供海上风机运输、安装和维修服务的公司。目前该公司大约占据了世界75%的海上风机安装市场的份额。A2SEA公司在2001～2002年期间将2艘姊妹货船“Ocean Ady”号和“Ocean Hanne”号改装成2艘海上风电机组安装船“Sea Energy”号和“Seapower”号。

这些改装而来的风电安装船具有以下优点;

1）不需要拖航，效率高，价格低，可以单独完成海上作业任务;

2）海上作业时，桩腿立于海底，船体升到水面以上，工作稳定;

3）甲板空间大，能布放便携式或模块式海上施工设备，作业时将设备安放在船上，工作完成后卸下来，通用性好。

改装的风电安装船缺点是主尺度较小，甲板承载能力、吊装能力等有限。随着海上风电的发展，对专用的安装船需求越来越大，功能要求越来越高。世界上第1艘风电安装船“五月花 (现更名为MPI Resolution）”在2004年2月交付使用，该船在山海关船厂建造，由丹麦Knud.Hansen A/S公司设计，Gusto MSC负责桩腿液压设备设计。目前，已有21艘风力发电设备专用安装船和5艘在建的风电安装船 (见表2）。

国外船东专门建造的风电安装船集运输、自航、自升、起重、动力定位等功能于一体，独立完成海上风电设备安装工作。具有以下的特点:

1）配置有较大起重能力和起吊高度的起重机。

2）具有较大的甲板空间。以用于运输海上风电机组的各组成部分。

3）设置了定位或起升用桩腿，用以保证起吊和安装精度，并扩大了安装作业对环境条件的适应性。

4）作业就位和移位不需要拖轮拖行，节省大量拖航费用。

5）操作机动、灵活，可避开不良海况条件，安全可靠。

6）体现多用途功能，通用性好，可做很多其他工程，如:海上设备吊装、平台建造、海上维修等。

表2 专用风电安装船Tab.2 The specialwind turbine installation vessel

国内船东建造的风电安装船一般还处于第2代和第3代之间，起重船或自升安装平台的特点明显。另外无自升功能的专用双体风电安装船也是另辟蹊径的解决方案。

目前已建和在建的第3代风电安装船中，船东和设计公司均来自欧洲，与此同时，承担建造任务的船厂基本都在亚洲。只有新加坡吉宝远东船厂承建的风电安装船是自主设计。

2 风电安装船功能与造价经济性分析

海上风电设备安装作业所需要的六大功能包括:风机运输、动力定位、船体提升、吊装风机设备、打桩和作业人员起居。是建造六合一的全能型的先进的风电安装船还是建造二合一、三合一等的功能相对单一但是造价低的简易型风电安装船，这取决于投资预算、风场特点和吊装方式等因素的综合考虑。从表2所示的风电安装船资料可以看出，国内外船东订造的风电安装船的功能有较大差别，这也直接导致造价不同。

目前国外船东订购的都是功能先进的第3代风电安装船，并且配置800 t以上的重吊，具备搭载5 MW及以上大风机的能力，并且兼顾海洋平台维护等作业功能。一般采用分步式吊装方式，独立完成风电设备运输、安装、维护的任务。这些风电安装船订单造价较高，都在1亿美元以上，甚至超过2亿美元。国内船东建造的风电安装船主尺度小、具有自升功能或自航功能，需要其他工程船协助完成风电设备安装工作。特点是初投资小。风电安装船的功能与造价密切相关，在总造价预算一定的情况下需找到功能性与经济性的平衡点。因此国内外船东订造的风电安装船有很大差异。以1艘配置850 t起重机、采用4条壳体式液压桩腿的风电安装船为例，原材料和设备造价构成如图1所示。

图1 风电安装船原材料和设备造价百分比Fig.1 Material and equipments’percentage of wind installation vessel

从图1可看出，起重设备在总的设备造价中占比例最大，吊装对于风电安装来说是必需的功能，并且随着风电设备大型化的发展，起重设备的起吊能力要求越来越高，造价也随之提高。另外，桩腿、主机在原材料和设备总造价中也占有很大比重，国内船东为了降低总造价，在这2项功能中二选一。从表1可看出，国内船东订购的6艘风电安装船都反映了这一特点。

3 风电安装船功能影响因素分析

风电安装船形式多样，功能不尽相同，造价也有较大差异，需要综合考虑以下因素在功能性和经济性相互平衡中找到最佳方案。

3.1 风场情况

海上风场正在经历从浅水区域向深水区域发展。如图2和图3所示。

图2 海上风场水深示意图Fig.2 Sketchmap of offshore wind farm water depth

图3 海上风场水深预测 (资料来源:GL）Fig.3 Forecast of offshore wind farm water depth(source:GL）

不同的工作水深对风电安装船桩腿设计影响很大。在潮间带，风电安装船不需要安装桩腿，可以采用座底的方式为安装作业提供稳固的平台;在浅水区域可以采用壳体式或桁架式桩腿，当水深超过60 m时，则只能采用桁架式桩腿配备齿轮齿条升降系统，造价昂贵。从图3中可以看出在英国水深30～50 m的风场在未来的10年中将是主力，则价格较低的壳体式桩腿仍将占领主要市场。这也与表1的风电安装船桩腿形式的统计相符。除此之外，风场水深也决定了风机桩基的不同型式。海上风机基础型式主要包括单桩基础、重力式基础、吸力桶式基础、三腿支架式基础、导管架基础、浮式基础等，如图4所示。目前国内外所开发的风电场大都不超过40 m水深，一般采用的仍是单桩式基础，可承载2～5 MW风机。随着风场水深的加大和风机尺寸增加，三角架式和桁架式桩基将占更大的份额，如图5所示。不同的桩基形式对风电安装船的运载能力有影响并且决定了是否需要具有打桩功能。各国风场的发展一般都是从浅水区向深水区发展。

图4 海上风机桩基型式示意图Fig.4 Sketchmap of offshore wind turbine foundation

图5 海上风机桩基型式变化趋势 (资料来源:GL）Fig.5 Development trend of offshore wind turbine foundation(source:GL）

为了降低海上风电运营成本，风机单机发电量越来越大，风机大型化，对风电安装船起重能力、装载风机能力要求越来越高;另外随着风电并网等技术的逐步成熟，风场规模越来越大，如表3所示。初期安装作业、后期维护作业工作量越来越大，多功能单船独立作业还是多条单功能工程船配合作业的性价比也在不断变化，这都影响风电安装船功能配置、设计方案的定型。

表3 风场规模 (资料来源:GL）Tab.3 The scale of offshore wind farm(source:GL）

3.2 上部机组安装方式

目前国内外海上风机安装方式主要有整体吊装和分体安装2种。

整体吊装方式是将塔架、机舱和叶片在陆地上组装好，利用船舶运输到安装现场，采用“一体式”的整体起吊安装到基础上，可减少海上的高空作业，缩短海上安装的时间，但对安装船的起吊能力和机组的运输提出了很高的要求。我国东大桥风电项目就是采用这种安装方式。一般采用大型重吊船、拖船配合施工，如图6所示。

图6 海上整体吊装方式Fig.6 Integer installationmode for offshore wind turbine

分步吊装方案中塔筒单独安装，而机舱和叶片安装又有多种方式，主要包括“三叶式”和“兔耳式”2种。分体安装海上作业时间长，尤其是“兔耳式”安装对天气条件敏感，优点是对起吊能力要求低。现在国外船东主要采用分步吊装这种安装方式，如图7所示。

图7 海上分体吊装方式Fig.7 Step-by-step installationmode for offshore wind turbine

目前出现了一种整体运输、整体安装的方式或称为“一步式”安装方法。这催生出新型风电安装船 (见图8），这种船具有自航能力，能搭载1～3台组装好的风机 (包括塔筒、机舱、叶片），配置专门固定设备、起重设备或专门的安装设备，如图8所示。这种安装方式最大限度地减少了海上作业时间及作业人数，效率高，成本低。但是这种特定的安装船用作其他海上作业的通用性受限制。

图8 “一步式”安装方法 (双体安装船）Fig.8 One-step installationmode for offshore wind turbine

除了上面介绍的风场、安装方式这2个主要影响因素以外，投资预算、其他海洋作业兼顾性等因素也会导致风电安装船功能的差异，最终反映到造价的不同。

4 结语

风电安装船是高附加值的工程船，并且随着海上风电的发展其市场吸引力越来越大。目前国内外船东订购的风电安装船各有特点，其决定因素仍是造价。在满足海上风场实际需求的基础上，合理配置其功能，掌握核心设计、建造技术，逐步实现设备国产化，降低总造价是争取国内外订单的有效手段。可以从以下几方面采取措施:

1）根据海上风场实际情况，自航、自升功能二选一。“华尔辰”号双体风电安装船是有益的探索。

2）在满足使用要求的基础上，自主设计造价低的桩腿及升降系统。如中国船舶及海洋工程设计研究院设计的“摩擦式绞车钢丝绳复滑轮组”升降系统和壳体式桩腿。

3）通过与国外知名设计公司合作，掌握关键设备的核心设计、建造技术。如中船重工船舶设计研究中心有限公司与F＆G进行的“大负荷升降系统”国际合作项目是有效、快捷的填补该领域国内技术空白的有效途径。

4）研制适用于风电安装船的高效的专用设备，提高其船上设备国产化，降低总造价。如海上大负荷吊装设备、专用打桩机、专用风机塔筒安装设备等。

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Functionality and econom ic analysis of wind turbine installation vessel

HAO Jin-feng，QIANG Zhao-xin，SHIJun-ling
(China Ship Design and Research Center Co.，Ltd，Beijing 100081，China）

With the rapid development of offshore wind industry，the wind turbine installation vessel(WTIV）growing demand，and this type of ship is the high value-added engineering ships，so themarket for the shipping industry has been more and more attractive，more and more intense competition.This paper reviewsWTIV applications and custom-made situation at home and abroad，analyzes the functional and economy ofWTIV and summarizes the influence factors of functional configuration.Offering a reference to grasp the development trend ofWTIV and introduce the design tomeet themarked demand.

offshore wind farm;offshore wind installation vessel;functions of WIV;economic of WIV;cost ofWIV

U674.3

A

1672－7649(2014）05－0049－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.010

2013－02－20;

2013－07－24

科学技术部国家国际科技合作项目

郝金凤(1978－），女，工学硕士，高级工程师，从事船舶及海洋工程设计与研究工作。