分享丨海上風電運維服務探索之運維船

我國海岸線長，海上風資源豐富，海上
風電又具有占地面積少，開發規模大，發電利用小時數高等特點，加上陸上風電又面臨困境，以及國家政策利好，海上風電將成為我國新能源發展的重要途徑。
隨之而來的海上風電運維過程中我們會遇到許多問題，運維船就是其中一個。本文主要介紹了海上風電運維船的分類及其發展趨勢、海上風電運維船的配置原則以及海上風電運維船的調度。


文丨曾佑清  閆中杰

海上運維現狀不盡如人意

2016年全球海上風電新增裝機近2200MW，累計裝機容量近14300MW，全球90%以上的海上風電在歐洲。2016年德國和荷蘭分列新增裝機容量第一和第二，2016年中國海上風電新增裝機容量592MW，
排名第三，累計裝機容量1627MW。

歐洲持續引領海上風電市場，海上風電的平均單機功率逐漸增大，海上風電場的平均水深也在增加。盡管歐洲目前處于領先地位，但中國的海上風電也在逐步發展，2016年12月，國家發改委印發《可再生能源發展“十三五”規劃》，提出加快推進已開工海上風電項目建設進度，
積極推動后續海上風電項目開工建設，鼓勵沿海各省區市和主要開發企業建設海上風電示范項目，帶動海上風電產業化進程。

同時，國家能源局出臺的《風電發展“十三五”規劃》也提出，要積極穩妥地推進海上風電建設，到2020年，全國海上風電開工建設規模達到1000萬千瓦，
力爭累計并網容量達到500萬千瓦以上。我國海上風電發展趨勢是穩中求進。在未來幾年，隨著海上風電技術的不斷進步，海上風電開發成本會進一步降低，我國海上風電可能會取得更快的發展。

海上風電市場在我國是新興市場，真正成規模開發是從2015年開始的。
隨之而來的海上風電運維市場也是欣欣向榮。然而海上風電運維有著一些特點和難點，主要包括：

• 閃電等惡劣海洋環境影響，機組容易出現故障
• 受風浪影響，運維人員難以到達機組，故障待修時間長，發電損失大
• 缺乏專業裝備，運維效率低，安全風險大
• 海上維修困難，尤其是大部件更換
• 智能化低，預防維護少
• 缺乏運維管理經驗
• 海洋氣象監測不精確

由于一切都在起步階段，海上運維的現狀不盡如人意，在我國某離岸較近的海上風電場，機組可利用率遠低于陸上風電場的可利用率，隨著在建和未來的海上風電場離岸距離的增加，
如果采用現有運維模式，采用現有運維船，將導致機組可利用率難以達標，嚴重影響發電收益。 歐洲的海上風電已經大規模開展，提高海上風電運維能力成為降低停機損失，提高發電量的重要保障措施。風電運維港口和運維船構成了海上風電運維的主要設施和裝備。


專業運維船市場不可小覷

海上風電運維船是用于海上風力發電機組運行維護的專用船舶。該船舶在波浪中應具有良好的運動性能，在航行中具有很好的舒適性，能夠低速精準的靠泊到風力發電機組的基礎，防止對基礎造成較大沖擊，并能夠與基礎持續接觸，
能夠安全便利地將人員和設備運送到風力發電機組；船舶甲板區應具有存放工具、備品備件等物資的集裝箱或風力發電機組運維專用設備的區域，并可以進行脫卸；
船舶還應具有運維人員短期住宿生活的條件和優良、舒適的夜泊功能。

根據國外海上風電的發展，風電運維船主要分為四類：


（1）普通運維船

泛指用于海上風電工程或運維的交通艇，典型特征為航速較低(20節以下)，普通舵槳推進，耐波性差，靠泊能力差（有效波高1.5米以下）


（2）專業運維船

指用于海上風電工程或運維的專業船舶，典型特征為航速較高（20節以上），全回轉推進（噴水或全回轉舵槳），耐波性好，靠泊能力強（有效波高1.5米至2.5米），抗風浪強。


（3）運維母船

指用于海上風電運維，供人員住宿，存放備件的較大型船舶，典型特征為：可提供40人以上的住宿，具備一個月以上自持力，靠泊能力優異（有效波高2.5米以上），具備DP定位及補償懸梯傳送人員功能。

在國外運維船的發展史上，并非一開始就是這么專業的運維母船。開始采用商船改造，隨著需求的提高，針對海上風電運維進行了適應性改造。


（4）自升式運維船

指主要用于海上風電運維的大部件更換（齒輪箱、發電機等）的船舶。典型特征為：具備一定的起重能力，擁有自升式平臺，能
適應水深40米以內大多數海域作業，具備DP定位及較長的自持能力。


風電運維船是海上風電運維的主要裝備。國外海上風電運維過程中，專業運維船作為最重要的可達性裝備被普遍應用到各海上風電場，由單體船、雙體船以及三體船等船型組成。

國內海上風電剛剛起步，國內運維船處于起步階段，目前使用的是普通運維船，主要由交通艇和漁船發展而來，近年以來逐漸出現簡易功能的雙體船。
現有的運維船基本可以達到每年200天的出行天數，然而隨著離岸距離加大，以及天氣更加惡劣的南方區域海上風電的開發，出行天數將會降低。風電運維船專業化必將是未來的趨勢。

根據發改委能源研究院的數據，結合BTM海上運維成本構成來推算，海上風電的運維成本占總成本的20%左右，
運維船舶相關的費用又占了運維成本的20%左右。從現階段的實際情況來看，國內在運維船上的投入是不足的，應進一步加大。然而這個情況正在變化，由于前期使用交通艇無法滿足風電場需求，現已經開始建造更好的運維船，
可是目前建造的運維船仍難以滿足風電場的需求，而后會建造更好的專業運維船，這是一個循序漸進的過程。

到2020年，按開工建設規模1000萬千瓦，累計并網容量500萬千瓦，平均單機功率按5MW計算，我國開工建設規模約有2000臺海上風力發電機組，累計并網約有1000臺海上風力發電機組。
按照每30臺機組需要一艘專業運維船，再加上海上風電場開發區域不同和海上風電運維主體不同等因素，
海上風電專業運維船的需求會近百艘。海上風電專業運維船也將是一個不可小覷的市場。


運維成本隨運輸距離增加

海上風電場運行維護需綜合考慮離岸距離、氣象海況、機組故障率，維護行為、發電能力、運維經濟性等因素來進行運維船的配置。一般來說較大規模的風電場采用船隊形式，包括不同形式的船舶，如交通艇、專業運維船、專業運維母船、救援監護船及其他專用工程船舶。

運維船配置的一般原則是：天氣較好、離岸較近的采用
普通運維船，天氣復雜、離岸較近的采用先進的
專業運維船，天氣較好、離岸較遠的采用
普通運維船或專業運維船和運維母船，天氣較復雜、離岸較遠的采用
專業運維船和運維母船。

影響運維船主要參數的環境因素主要包括，
距離，水深，波高，風況等等。一般而言抗風能力超過抗浪能力，所以波高是更關鍵的因素。國內風電場主要集中在
黃海北部，渤海灣，黃海，福建和廣東等區域。各區域環境情況（
見表1、表2）。

表1：各區域環境概況

表2：各區域風頻分布

我們根據環境情況、運維船的航速、運維船環境適應能力等條件、機組數量、機組性能、運維能力等因素建立了一個可利用率的估算模型，通過該模型計算出來的某海上風電場的相關數據（
見表3）。

表3：某海上風電場模型計算數據

從表3可以看出，
機組單臺年故障次數超過5次時采用普通運維船可利用率小于95%；如果采用專業運維船，單臺年故障次數為5次時可利用率超過96%，
當機組單臺年故障次數3次，可利用率可以達到98%。

海上風電機組相對于陸上來說故障率更高，因為它們面臨的是一個更加惡劣的環境、更高難度的維護方式等。隨著海上風電的發展，海上風電場建設不得不需要轉移到離岸更遠的地方，更深的水域。
由于這個變化，運維成本將會增加，同時面臨更遠的運輸距離，更惡劣的氣候條件和更嚴峻的物流挑戰。為降低海上風電場運維成本及提高風電場可利用率，需要合理的規劃海上風電場運維工作，針對不同的故障信息，選擇最優維護方案。
模型的建立需要考慮運維船配置、氣候參數、風機具體故障、處理故障需要時長及人數等要素。圖1是一個非常典型海上風電運維船配置和調度的模型。

圖1：海上風電運維船配置和調度的模型

重點考慮氣象、運維船模式、機組故障模型、相關費用來制定運維策略，建立模型進行分析，最終計算風場的發電量、故障時間及運維費用等，以綜合收益最大來選擇合適的運維策略。


創新海上
風電運維模式

海上風電運維船作為海上風電運維重要的裝備，它對我國海上風電的發展具有一定的影響。運維船智能調度是海上風電智能運維的必備條件，
高效合理的船隊配置和調度技術是降低海上運維成本，提高發電量的關鍵措施之一。在發展我們的海上風電運維船的過程中，我們應該借鑒國外成熟的經驗，同時，
我們還應該根據我國的實際情況來發展適用于特定環境、特定工作模式的海上風電運維船。

海上風電運維的目標是在全壽命周期內，降低運維成本，降低發電損失，提高風電機組的發電量，從而提高客戶收益。海上風電運維與陸上風電運維最大的區別在于可達性差，造成的運維難度的加大和運維成本的提升。為了解決海上風電運維的難題，我們需要創新海上風電運維模式，圍繞服務調度展開相關工作，從而形成全面的海上風電運維解決方案。

（曾佑清系重慶還裝風電工程技術公司海上運維中心技術總監；閆中杰系盛東如東海上風力發電有限責任公司副總經理）