福建省海上风电场运维船论证研究

福建福船投资有限公司 李 达

福建省海上风电场运维船论证研究

福建福船投资有限公司 李 达

通过比较和分析欧洲海上风电场、国内海上风电场运维船的使用情况，结合福建省海上风电场运维的特性，研究海上风电场运维船的环境适应性、坐滩能力、船型论证、航船评估、护舷设计等问题，为福建省海上风电场运维船的设计、研发工作提供合理、可靠的论证方案。

风电场 运维船 选型

目前，国内海上风电场大多建在水深10m左右的近海，气候条件较陆地严酷，受到台风、海浪等恶劣自然环境影响，风机部件失效加快、机械及电气系统故障率上升[1]。与陆上风电场运维不同，海上风电场的运维涉及范围较广，其中海上作业内容包括海上风机主机、塔筒、基础、海底电缆、海上升压站的日常管理与维护，考虑到作业海况的不确定性，其日常运维需要专业运维船舶提供保障。

运维船需满足海上风电场运营维护的专业化及特殊性要求，为海上风电场提供快速通勤服务。特别是遇到复杂海况时，海上风电场失效率变高，故障停运时间增长，为确保风电场能够安全、高效的运行，需要依靠运维船将专业技术人员安全、快速的运抵现场，进行设备检修，为海上风电场正常作业提供保证。

1 欧洲海域载人运维船

目前，欧洲海上风电场运维船舶基本上为小型双体船，其船长范围为20～30m，设计航速能达25kn，可载运维人数12人，其作业海况一般为3级，船体结构通常采用铝合金或玻璃钢材质。此类船舶通常配有甲板吊机，用于日常运维货物吊装。由于具有较好的快速性、耐波性和操纵性，在欧洲海上风电运维市场得到了快速发展并成为主流日常运维船船型，如图1所示。欧洲某海上风电场运维船技术参数见表1。

图1 欧洲海上风场运维船

表1 欧洲某海上风电场运维船技术参数示例

考虑到港口环境、潮汐状况、风电场离岸距离的差异，目前欧洲海上风电场也配有一些特种双体船和快艇等运维船舶，形成了比较完整的日常运维配套船舶系列。如小水线面双体船，通过优化船体水下线型，减少船体阻力，此类船舶具有更好的耐波性、失速小、航速高、舒适性好、甲板作业面积等特点[2]，但相对而言，此类船舶续航能力较弱，造价成本较高，如图2所示。

图2 小水面线双体船

此外，鉴于特殊情况下只需要较少工作人员快速抵达现场即可完成运维作业，欧洲部分风电场还配有快艇，快艇在快速性和便捷性具有一定的优势，但由于限制于可携带工具有限、受波浪干扰较大、可作业天数较少、安全性不佳等因素影响，该类船舶无法大规模应用，可作为运维船的补充，如图3所示。

图3 海上风场运维快艇

2 国内海域载人运维船

国内海上风电场建设起步较晚，海上风电运维处于探索阶段，专用配套运维船舶也相对较为简单，数量较少，集中在江苏如东、上海东海大桥海上风电场。主要包括龙源运维1号、新能海装1201号、东海001号等海上风电场运维船。

龙源运维1号运维船主要用于江苏如东潮间带及近海风电场日常作业，该船为钢制双体船，其中船长13.4m，型宽4.2m，设计吃水0.95m，可搭载人员为12人，其最大航速为11kn，配有甲板吊机，具有一定的坐滩能力，可通过顶靠或侧停靠靠近桩基础并实现登靠，如图4所示。

图4 龙源运维1号运维船

新能海装1201号运维船主要用于江苏如东海上风电场运维作业，该船为铝制双体船，其中总长13.4m，型宽4.2m，设计吃水0.75m，可搭载人员为12人，最大航速15kn,如图5所示。

图5 新能海装1201号运维船

东海001风电运维船目前服务于上海东海大桥风电场项目，该船为复合型船舶，是集工程建造、施工、风机运维为一体的特种海洋工作船舶。该船船长34.6m，型宽8m，可搭载人员20人，最大航速13.5kn，该船为双机、双桨、双舵船舶，具有良好的操纵性和回转性，如图6所示。

图6 东海001号运维船

此外，由于如东潮间带风电场建设时间较早，普遍使用的是安全系数较低的渔船代替专业的运维船。租用临时运输船舶成本较高，且难以满足海上风电场运营维护的专业化及特殊要求，其主要问题是不能够提供快速、专业化的维修服务[3]。此外，该类渔船为单体船，稳性差、航速低，对于海况较恶劣的区域，该类船舶风险系数较高，无法完成运维作业，不适于风电场大规模应用，如图7所示。

图7 如东潮间带渔船

3 福建海域运维船

福建省所属的台湾海域受“狭管效应”影响，是东南沿海风能资源最为丰富的地区，同时海况环境也极为恶劣，而国内海上风电产业也刚刚起步，技术成熟度比较低，尚无成熟的技术经验可供借鉴，面临开发成本高、海上施工维护能力不足等困难。鉴于福建省内海上风电场运维能力相对较弱，且台湾海峡台风频率高，近海水文地质条件相对较差，投资风险较大，遇到的难题也是非常突出。需结合福建省海域的特殊情况及海上风电场的分布状况对载人运维船的船型参数、性能指标进行综合研究，确保海上风电载人运维船的安全性、适用性及经济性。

3.1 环境适应性

台湾海峡海域属于台风多发区，常年风速大，风浪条件恶劣，潮汐变化较大，此类因素对运维船的船舶性能提出了较高的要求。其中，5～10月为台风多发期，风能资源也较为丰富，机组发电效率较高，而故障率也明显提升，对运维船舶的可达性提出了较高的要求。

作业波高是运维船设计重要指标，大部分的运维船运行波高在0.5～1.5m，考虑福建海况的特殊性，需要更高指标的海上风电场运维船舶。性能指标的提升会增加运维船的成本投入，因此，应该权衡考虑建造、运营成本和作业能力的关系。

对于福建海上风电场来说，台风特殊天气引起的暴风增水及波高攀升，不同海域波高集中的频率范围也不尽相同，因此需要综合考虑各风电场的特点，依据以下两个典型海上风电场波高的分布情况统计数据进行分析。

福建莆田平海湾海上风电场项目H1/10波高出现频率分级数据统计，全年H1/10波高以3级浪（波高范围在0.5～1.5m)占多数，年频率为61.60%，其次为2级浪（波高范围在0.1～0.5m)，年频率为32.15%。2级浪所占频率以春季43.86%为最高，其次为夏季的32.88%，冬季为29.96%，秋季为18.42%；3级浪所占频率以秋季67.16%为最高，其次为夏季的64.49%，冬季为61.01%，春季为54.20%。

平潭长江澳海上风电场项目的波高分布频率数据统计，该风电场在3m以下的波高所占频率为91.72%，但是5级浪（波高范围在3.0～5.0m)主要在秋冬季出现的频率较高，分别为19.03%和23.75%，因此，秋冬季运维条件比较恶劣。

综合波浪、洋流、风力大小等因素，福建省海域内的运维船需满足2.0m设计波高的使用要求。同时，可根据作业海况、运维要求的不同，采用不同运载能力、不同船型的运维船舶差异化作业，既可节约运维成本，又可提升运维效率。如波高较小时，可以采用快艇出海维修作业。对于2.5m甚至2.5m以上的波高，可建造较大的船型或者采用工程运维支持船进行运维，并配备特种作业设备，提高海上风电运维的可行性。

3.2 坐滩能力

用于潮间带海上风电场运维的船舶需考虑运维船的坐滩能力。福建省部分海上风电场，如平潭海清海峡、莆田南日岛、东山石埔等场内区域处于潮间带区域，潮差大，海域水深较浅，退潮时出现滩涂。此外，福建省规划的大部分海上风电场所属海域海底土质为软土，需要考虑船底触滩以后，运维船整体的洼陷，如果洼陷太深，船体可能会出现倾斜，风险较大，须综合考虑运维船的坐滩功能。

3.3 航程评估

运维码头到海上风电场的距离以及运维船的到场时间是影响运维船航速和续航能力设计的重要指标。海上风电场离运维码头越近，载人运维船的航程也就相对较短，海上运输的时间就越短，可通过平衡快速性与航程的关系，优化运维船的运维作业时间，减低运维成本，为运维人员提供更加充裕的海上运维作业时间。

福建省的海上风电场相对集中，除了连江定湾海上风电场、泉州海上风电场、漳浦六鳌海上风电场和东山西埔海上风电场外，大部分海上风电场集中在福建的莆田平海湾海域[4]。就目前发展情况而言，单程距离不超过30海里，可考虑同时提升运维船的快速性与续航能力，以实现海上风机平台的快速抵达。待海上风电场发展中期通过节点优化方式实现海上风电场运维船舶的运维管理，通过制定运维计划，合理安排运维航线，研究应急预案等专项措施，从软硬件上提升运维船舶航程及可作业时间。

3.4 船型研究

欧洲海上风电场运维起步较早，运维船配套体系较为完备，以下以英国运维船应用情况为例，论述、论证运维船船型方案。

英国有50%的载人运维船入籍MCA Cat2（英国海事和海岸警卫署关于风电运维服务船(WFSV)船舶航区的规范要求)，船长在12～24m以内，可携带维护人员数量一般为12人，最大船舶航程为60海里，航速一般在20～25节。如果需要更远的航程，需要入籍MCA Cat1或者DNV-GL船级社等，航程最远可达150海里，一般欧洲标准的合作方式是船舶运营商提供运维船的同时，也提供船长和船员给风电场业主。

由于超过60海里航程的运维船的建造费用较高，所以租赁费用也较贵，早期英国的海上风电场离岸较近，偏向于采用船长在24m以内的运维船，后续由于海上风电场不断向外海推进，配置了船长大于24m的运维船。福建省的海上风电开发普遍离岸较近，从经济性上考虑，运维船船长24m以内比较合适。在配备运维船的同时，配置一定数量的快艇，形成配套差异化，以适应不同海况的要求。

从船型上来看，运维船宜采用双体船，双体船比单体船较稳定，舒适度较好。小水面线双体船潜体做成鱼雷状，具有耐波性好、波浪中失速小、高速航行时阻力小等优点。但由于该船型吃水较深，福建海上风电场潮差大，很多场址水位较浅，因此，这种高速船并不适合福建海域的海上风电运维服务，如图8所示。

图8 DAMEN运维船

3.5 护舷设计

目前国内开发的海上风电场，如东海大桥海上风电场的日常维护，前期主要靠一艘渔政船和一艘海监船作为海上的日常运维交通工具，后来又建造了东海001号运维船进行日常作业，主要采取侧靠的方式，当浪涌较大时，停靠比较困难。在欧洲风塔基础上一般都设计安装有靠船装置，对运维船进行防撞保护。因此，最佳的靠船选择应该是顶靠方式，如图9所示。

图9 靠船装置

4 结语

依据福建省“十三五”能源发展专项规划，到2020年整个福建省海上风电项目将会超过200万kW以上，如果按照风机目前平均功率5MW考虑，“十三五”期间安装风机数量将达到400台。欧洲的一个500MW海上风电项目，投资成本大约15亿英镑，每年在运维船上的花费达到200～300万英镑，占整个项目投资的0.15%～0.2%。按照此比例评估中国的运维船使用成本，“十三五”期间福建海上风电场将达到200万kW，总的投资建设规模一般在400亿元左右，那么在运维船上的花费将在6000～8000万元，运维市场前景十分广阔。

另一方面，相比欧洲而言，目前国内的海上风电运维配套、运维策略、运维基础设施等都不是很完善，在役的江苏潮间带海上风电场、东海大桥1期海上风电场已经在运维方面做出了积极探索。

虽然当前国内大部分的海上风电场正在处于安装阶段，但应尽早未雨绸缪，做好风电运维整体规划，以利于后期大规模开展海上风电运维工作。特别是对于风电运维最常用的载人运维船，应当加大调研、研发及设计投入，确保该船未来能有效克服恶劣海况，提升海上运维可及性，为海上风电运维提供安全、高效、经济的海上运维交通工具。针对福建海上风电场运维的特点，其船型选择应重点考虑以下几个方面：（1）抗风浪等级高，确保较高出航率；（2）安全性好，具有较高的稳定性和舒适性；（3）具有一定载货甲板面积及能力，配起重机；（4）装配海上风电场运维船专用登靠系统。

[1] 何炎平，杨启.离岸风电机组运输、安装和维护船方案[J].船海工程，2009.

[2] 陶晖，顾晓童.小水线面双体船片体的兴波阻力研究[J].造船技术，2006

[3] 张亮，朱荣华，牛福维，郭军等.离岸风电运维船（WFSV）设计要点分析[J].国际海上风电，2014.

[4] 福建省海上风电场工程规划报告[R]. 福建省水利水电勘测设计研究院，2014.