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            海上風電,需要這樣的船舶!
            2023-05-23 來源:《風能》
             海上風電項目規?;?、機組大型化、選址深遠?;c電價平價化,決定了風電基礎安裝、機組吊裝、機組運維工程技術與船舶市場的發展趨向。
             
            從項目勘測、基礎安裝、電纜敷設、機組吊裝、機組運維到設備改造與拆解,海上風電開發經歷的所有工程環節,幾乎都有專業船舶的身影。
             
            “工欲善其事,必先利其器——作為海上風電開發的關鍵技術支撐環節,海上風電建設安裝工程成本較高,可達開發總成本的35%左右。專業安裝運維船舶技術的發展,必須跟上并適應海上風電市場與技術發展趨勢。”中國可再生能源學會風能專業委員會(CWEA)秘書長秦海巖日前談到。
             
            那么海上風電項目開發,到底需要什么樣的船舶?
             
            為找到問題的答案,“海上風電船舶前沿技術研討會”近日在汕頭召開。會議之所以選擇在汕頭舉行,是由于該市正在通過加強產業協同,打造汕頭國際風電創新港,建成全球首個在一個產業園區內,聚集從風電整機與關鍵零部件,到檢驗檢測實驗室和大型科研裝置等完整產業鏈的“四個一體化”的風電產業集群。汕頭也正在依托廣澳深水港,建設功能齊全的風電母港,成為面向全球的海上風電裝備及服務出口、運維、施工建設基地的“橋頭堡”。并且,汕頭將進一步拓展海上風電生態圈,延伸價值鏈,謀劃布局海工裝備制造產業園、新型儲能裝備制造產業園、新型輸配電裝備制造產業園及相關實驗與檢測中心,并打造國字號工程施工企業和船隊。
             
            這次會議引起了全球海上風電產業界的高度關注。來自全球海上風電工程技術與船舶等相關領域的專家,在會議中進行了充分交流,闡述對未來海上風電船舶發展問題的觀點。
             
             
             

            基礎安裝方案存在明顯差異
             
            基礎安裝、機組吊裝、機組運維是海上風電開發過程中,專業船舶大顯身手的三大關鍵環節。尤其是在風電機組的基礎安裝環節,因國內外市場需求、工程技術與海域環境差異,產生了多樣的工程技術方案,需采用截然不同的施工船舶。
             
            在海上風電項目規?;_發之初,我國不僅缺乏風電安裝船,也沒有可用于安裝單樁基礎的高能量液壓錘,為充分利用港口工程行業已有的打樁船和混凝土船作為基礎安裝主力船舶,不得不通過自主創新,創造出了多樁承臺基礎。
             
            “打樁船可從各個方向打斜樁,形成群樁基礎?;炷链脕戆韬匣炷?,并泵送向承臺。”中交第三航務工程局有限公司副總經理王曉冉解釋。
             
            可以說,作為我國風電產業為突破技術與裝備困境所創造的智慧結晶,多樁承臺基礎與打樁船的結合,在海上風電開發的初期階段立下了汗馬功勞。截至目前,我國共有7艘海上風電打樁船實現投運。但隨著機組向大型化,場址向深遠海發展,多樁承臺基礎已難以滿足海上風電開發需求,打樁船也在逐漸退出風電機組基礎安裝船舶市場。
             
            與中國的選擇所不同,歐洲的海上風電工程技術與船舶供給起點更高,一直傾向采用“單樁基礎+自升式風電平臺船+運裝一體”的基礎安裝方案。隨著市場不斷發展,單樁基礎已逐漸成為我國應用最多的基礎形式,但主要采用“單樁基礎+起重船+運裝分離”的工程方案。
             
            在王曉冉看來,這是具有必然性的。“起重船無需頻繁插拔腿作業,并且采用穩樁平臺進行大直徑單樁施工,可使起重船的運動與沉樁質量充分解耦,實現無過渡段設計。此外,還可以有效利用一批造價并不高昂的拔桿式起重船,極大提高施工效率。”
             
            “在2021年的海上機組安裝高峰時,因為建設成本與施工周期相對可控,單樁基礎被發揮到極致。但隨著機組容量達到10MW,項目水深超過40m,單樁基礎將不再具備市場優勢。未來深遠海主流基礎形式將是導管架。”中鐵大橋局新能源工程指揮部總工程師、教授級高工孫國光的觀點與大多數專家的判斷相一致。
             
            荷曲斯機械設備(上海)有限公司銷售經理馬小明則帶來了另一種思路。他認為,制造與運輸單樁基礎的成本將越來越低,一些業主與設計院仍將采用超大型單樁基礎。高效安裝超大型單樁基礎,需要更強的設備。目前歐洲已生產出6600kJ液壓打樁錘,我國部署的液壓打樁錘在1000~3600kJ,不久后將部署超過5500kJ的液壓打樁錘。
             
            事實上,無論是采用哪一類基礎形式,起重船在我國海上風電基礎安裝環節的重要作用在短期都是無法替代的。因為國內外對于普通導管架基礎與單樁基礎的施工方案基本保持了延續性。隨著水深增加,一些項目需要采用重量更大的吸力桶-導管架基礎,這要求起重船具備更強的起重能力。
             
            據CWEA研究數據顯示,全球現役的起重船約有109艘,但每年新增的起重船數量并不多,這是由于老舊的起重船起重能力差、作業效率低,正被逐漸替代。這些新增的起重船大部分訂單來自于中國。
             
            王曉冉也表達了一致的觀點。他認為,目前我國可用于海上風電建設的起重船數量近100艘,但整體性能一般。一是起重能力較大的船舶數量很少;二是大部分為駁船,無動力,耐波性差;三是固定吊多,具備全回轉能力的船舶較少。
             
            表1:海上固定式風電機組主流工程技術方案 
             
             
             
            超大容量機組吊裝船舶稀缺
             
            2007—2008年,龍源如東海上(潮間帶)試驗風電場和上海東海大橋100MW海上風電示范項目的相繼批復,推動我國海上風電進入試驗示范階段。由于兩者所處海域水深有著本質差異,機組吊裝方案與船舶的選擇大相徑庭。
             
            “在潮間帶風電場我們使用的是坐灘分體吊裝方案,最初的坐底安裝船采用駁船,之后發展到坐底浮吊船、坐底半淺駁以及坐底重吊船。”金風科技海上業務單元海上服務事業部副經理、金風海洋設備資產管理部部長嚴輝煌介紹。
             
            之所以采用坐底安裝船進行潮間帶項目機組安裝,是因為此類海域水深較淺,并且當時我國缺乏自升式風電安裝船。這種機組吊裝方式,也是我國在海上風電工程技術上不折不扣的創新成果,一直沿用至2021年前后。
             
            在水深更深的上海東海大橋示范項目中,我國采用的是“運裝分離+整體安裝+雙拔桿起重船”方案,先在陸上完成機組組裝,再通過運輸船運送至機位點,由雙拔桿起重船結合柔性緩沖和定位工裝將機組安裝到多樁承臺基礎上。正是從這時起,運裝分離的施工方式,成為具有中國特色并沿用至今的主流選擇。
             
            “此后,基于運裝分離的機組整體安裝方式被沿用到9個風電場,共安裝了257臺機組,最快只用47h就完成了4臺機組的整體安裝。無論是數量還是速度,均創造了全球第一。”王曉冉列舉了一系列數據。
             
            據介紹,目前我國共有7艘船舶具備整體安裝施工能力,但大容量機組在整體安裝時存在結構干涉,且受制于陸上拼裝場地不足、成本下降空間不大、開場外海作業窗口有限等問題,傳統整體安裝方式已不容樂觀。此后,我國海上機組的安裝工作,越來越多地采用了“運裝分離+分體安裝+自升式風電安裝船”方案。
             
            “2012年后國內出現了第一艘帶支腿的風電安裝船,今天叫做‘華電1001’號,標志著我國風電安裝船進入專業化發展時代。隨著機組迭代,2017年自升式風電安裝船進行了一輪更新,20多條新造船舶服役,代表是‘福船三峽’號。之后服役的‘龍源振華3號’,則是第一艘兼具基礎安裝與機組吊裝能力的安裝船。近兩年海上機組開始了新一輪升級,安裝船隨之出現一波建造高潮,代表有‘白鶴灘號’。”嚴輝煌舉例。
             
            現今,我國自升式風電安裝船正處在快速增長階段,新建船舶起重能力普遍超過1000t,最高達到2000t,并基本都配有先進的動力定位系統。
             
            “自2023年8月開始,國內市場將陸續出現一批能夠吊裝單機容量25MW、風輪直徑320米以上的風電船。”嚴輝煌給出一組數據:“國內存量和新造的安裝船累計達到104艘。”
             
            對此,中國工程院院士、中國中鐵首席科學家、中鐵大橋院首席專家、橋梁智能與綠色建造全國重點實驗室主任高宗余指出,為應對水深越來越深,單機容量越來越大,中鐵大橋局順勢而上,充分發揮跨海橋梁建造技術的深厚積累,投資10多億元,打造一艘最大吊重2000t的新一代風電安裝平臺,能夠實現在70m作業水深條件下,安裝25MW機組的能力。
             
            中國船舶工業行業協會統計信息部主任鄭一銘坦言,“自2014年國際原油價格大幅下跌后,海洋工程船舶市場斷崖式下降,全年訂單不超過100億美元。2020年海工船舶訂單開始回升,到2022年全球風電安裝船訂單達到26艘,其中中國船東有21艘。應該說,在過去的3年中,全球海工船舶市場都是由海上風電所驅動的。”
             
            據CWEA的一項報告分析,2022—2024年期間服役和在建的風電安裝船基本可滿足海上機組吊裝需求。但隨著未來大容量機組陸續推出,“十五五”期間我國海上風電吊裝船將開始出現缺口,到2030年預計達到16艘。
             
            隨著海上風電開發向深遠海挺進,我國傳統運裝分離施工方式開始面臨新的挑戰。例如,深遠海強涌浪環境和淤泥黏土層厚度等問題,將影響到船舶安全與相互之間的配合。因此王曉冉綜合考慮工程建設的經濟性與在建船舶資源判斷,今后一段時期我國將呈現運裝分離與運裝一體并行發展的局面,并最終可能走向運裝一體。
             
            “深遠海風浪、水文條件比較惡劣,將更需要工程能力強的一體化船舶。”克拉克森海工專家邱東杰也給出了相似觀點。對于未來需要什么樣的安裝船,邱東杰認為:第一,樁腿要為整個安裝船提供有利支撐;第二,吊機能夠吊得更高、更重,滿足大型化機組吊裝要求;第三,甲板面積應盡量大一些,減少運輸成本并提高安裝效率。
             
            表2:中國起重能力在800t以上的機組安裝船\平臺



             
             
             
            運維母船成為新市場增長點
             
            在邱東杰看來,運維轉運船(CTV)和運維母船(SOV)能實現完美結合,根據風電場距離與規模進行協調配合,將恰當的運維人員,在不同的季節中,運送至各異的風電場進行機組運維工作。兩者可滿足項目運維工作中的絕大多數通達需求。
             
            我國海上風電規?;_發之初,項目離岸距離近、規模小,運維工作基本采用的是小型舢板作運維轉運船,通過手搖柴油機提供動力,長度基本在10m左右,這可稱之為第一代風電運維船。隨著江蘇潮間帶風電以及福建、廣東海灣內風電的大規模開發,運維轉運船逐漸演變為由交通艇或漁船改裝的單體運維船,長度達到了20m,航速接近10節,可稱之為第二代風電運維船。近年來,隨著海上風電開發區域的變化,福建、廣東、山東等近海海域風電裝機量快速增長,離岸越來越遠,海水越來越深,對運維轉運船提出了更專業化的要求,被譽為第三代運維船的雙體運維轉運船逐漸成為主流。
             
            據專業機構統計,目前我國共有170余艘運維轉運船,除去備用與維修船只,平均每艘必須服務40臺機組。而在國際市場中,一艘運維轉運船對應服務的機組數量僅為20臺。
             
            據克拉克森數據顯示,全球(未含中國)20m以上在船級社入級的運維轉運船有300余艘,約80%服務北歐市場。
             
            “歐洲的海上風電項目離岸距離越來越遠,對運維人員的數量要求越來越多,CTV的乘客人數正從12名向24名過渡,對船舶長度與動力等方面的需求在增加。”邱東杰認為。
             
            那么,海上風電項目運維對運維轉運船與運維母船之間的需求邊界在哪里?烏斯坦公司中國區副總裁杜可在會議中給出了答案:“歐洲的經驗是,如果一個項目的機組超過了100臺,離岸距離超過30海里,可能就需要運維母船來提供全生命周期的服務。”
             
            上海電氣風電集團股份有限公司SOV技術總監王圣品談到:“目前歐洲實際情況是離岸50km以外的海上風電場均采用了SOV,離岸距離在30~50km的項目正在采用SOV替代傳統CTV運維。”
             
            王圣品以荷蘭某項目舉例:該項目共裝有150臺4MW風電機組,僅用一條類似于載客量100人的運維母船就能滿足全部運維工作需要。在特殊情況下,需要配置1~2條運維轉運船輔助作業。
             
            據了解,目前全球運維母船的來源分為三種:一是專業化定制;二是由海工輔助船(PSV)通過加裝登乘棧橋等設施改造而成;三是臨時性改造與租用。其中,前兩類將成為日后中國風電運維母船市場的主流選擇。
             
            有數據顯示,截至2022年年底,全球投運的運維母船達到了32艘。另據鄭一銘介紹,2022年全球共簽約運維母船24艘。
             
            對于未來中國需要多少運維母船,杜可表達了自己的觀點。他相信江蘇與廣東海域都是未來工程運維母船(CSOV)需要重點服務的領域,“所以我們對中國運維母船的潛在需求非常抱有信心,估計在未來10年,需要有超過30艘運維母船。”
             
            挪威創新署綠色海事中國項目負責人倪凱安認為,需求和供應永遠沒有終點,此類船舶的建造速度已非常之快,可制造成本在不斷增加。因此在進行船舶投資以前,必須考慮好其退役后進入二手市場的潛力。提高船舶設計靈活性,在設計之初就做到盡可能先進。
             
            “我們能看到市場缺少什么樣的資源,卡在哪些地方。”邱東杰坦言,“風電產品的港口儲運需要專業的機械、設備和基礎設施,對地面強度要求也比較高。在這方面,汕頭對國際風電創新港及其風電母港的產業規劃是一個很好的范例,且已在開展相關工作。包括為廣東甚至更大范圍的海上風電運維提供SOV與CTV??糠?,甚至支持大部件更換工作,將解決很大的問題。” 
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