海洋技术▏海上风电运维关键装备与技术

海上风能作为一种可再生、无污染且储量巨大的能源，具有风力平稳、风机利用率高、不占用土地资源、不受地形地貌影响、单机发电效率高、电力传输距离短且损失少等优点。另外，海上风能对于保障气候安全、发展低碳绿色经济、推动能源转型、减少CO2排放等也具有重要意义。
我国海岸线全长超过1.8万千米，300多万平方公里管辖海域，岛屿6000多个，近海风能资源主要集中在东南沿海及附属岛屿。东部沿海地区先天条件优越，经济发达、常规能源缺乏、环境保护要求高、海上风能资源丰富以及建设条件好、工业基础雄厚等现状已符合开发建设海上风电的条件。这些地区电力消纳能力充足，几乎不存在弃风、限电困扰，这也为风能提供了广阔的市场。
根据国家能源局最新发布的数据，2020年新增风电装机7167万千瓦。考虑到2030年国内96.12GW的开工计划，以及海上风电未来的成本下降幅度，对应的远期海上风电市场总空间有望超万亿。
' g% S5 x/ F% L* u) ]1 w# @; F/ ?一、海上风电安装运维市场简述
我国海上风电发展市场潜力大，然而目前海上风电施工设备主要关注点在风电安装设备上面，特别是风电安装平台以及起重船。5年～10年之后，风电运维市场将十分广阔，海上风电运维设备的短缺与我国海上风电市场的巨大需求和迅猛发展形成强烈反差，市场需求矛盾突出，风电运维设备将有广阔的市场。
风电运维主要是指风电机组的定期检修和日常维护，运维成本在整个海上风电成本构成中占据大量的份额，仅次于风机建设成本，大大超过安装成本和海缆成本。海上风机的工作环境更恶劣，除经受运转机械的机件磨损、电子电气器件的电气运行冲击、金属结构的振动疲劳损伤引起机组各部件故障外，还有可能遭遇海上飓风、超强雷暴等极端气象灾害的袭击等偶发事件，导致海上风电机组故障率更高。此外，海上气候多变，受大风、洋流以及大雾等天气影响大，导致风电机组可达性差。最终结果是，海上风电场运行维护费用更高，是陆地的2～3倍，因此风电运维在整个海上风电开发和后期运营中起着十分重要的作用。
# K0 ^8 [9 ?5 T  E( `$ p随着我国风电装机数量的增加，产业发展加快，海上风电装机规模逐步增大。风电运维市场越来越大，工作也越来越繁多复杂。运维作业主要分为以下3个类型。
⒈定期检修
" G' m: l6 L2 ?" C1 ~定期检修是指按照风电机组厂家的技术要求，根据运行时间对风电机组进行定期的检测、维护和保养等，工作内容相对比较固定，一般都有比较标准的程序和要求。通过定期检测可以让设备保持最佳的运行状态，并延长风电机组的使用寿命，产生更多的经济效率，充分利用资源，最大发挥效益。
⒉日常运维
日常运维工作主要是各类故障处置，对风电设备故障进行预判、检测和消除等，要求人员具有电气、通信方面的专业能力。该项工作也是风电机组运行维护最具技术、最富挑战的一项工作，人员的工作经验、技术水平和知识储备决定了处理的速度与效果，直接影响到风电的正常运行。
⒊事故检修
当风电机组一些大的部件损坏，如叶片、发电机和齿轮箱等，需要拆下来进行修理，这种故障一般都会产生较大数额的修理费用，修理过程也更加复杂。事故发生后，应立即组织专家分析原因及处理措施，制定详细的修理方案经充分评估后方可实施。
二、海上风电发展的关键装备
⒈风电运维平台
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$ @6 o, k7 o5 Y  L风电运维平台的主要作业工程包括风机的支撑塔架、机舱及叶片的维修及更换工作，在海上无论是风机还是基础的安装或者大型部件更换，都需要有相应能力的运输工具将其运送到风场，并配备相应的设备才能安装到位。风场建设后期的风电运维平台通常在几个相临近的风场之间来回穿梭作业，以最大限度发挥平台能力。风电运维平台（见图1）主要有以下3个特点。

                               
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图1 风电运维平台

⑴升降速度
与海洋石油钻井平台作业方式不同，风电运维平台海上作业环境复杂，作业窗口时间短，并且海况恶劣。运维平台需要经常移船站桩，平台升降频繁，因此对平台配备的升降系统的升降速度以及可靠性、耐用性有较高的要求。目前世界主流的平台升降系统主要分为液压插销式和齿轮齿条式。与液压插销式升降系统相比，齿轮齿条式具有速度快、便于平台调平等特点。
⑵作业水深深
随着技术不断向前进步，海上风电将向更远、更深的海域发展，作业水深达到60m，未来海上风电将向深海迈进，目前已经规划的海上风场水深可达50m，因此作业水深将成为风电运维平台作业范围的决定性因素。此时桩腿长度的重要性就突显出来了，运维平台的桩腿形式主要分为圆筒式桩腿和桁架式桩腿。与圆筒式桩腿相比，桁架式桩腿因其镂空的结构能够有效减少浪涌、海流及海风对平台的作用力，使平台的稳定性和安全性大大增强。同时圆筒式桩腿由于其自身结构特性，一般适用于作业水深不超过40m的平台，而桁架式桩腿则可满足更深的作业水深。
8 H5 j5 p4 {1 l⑶具有自航和动力定位能力
运维平台具有自航能力，能够实现在风场之间以及风塔之间的快速移船就位。相较拖轮拖航、锚泊定位更加精确快捷，极大地节省了就位时间和拖轮锚艇成本，有效提高了平台作业效率。安装有动力定位系统（DP）的平台，可在规定的环境条件下，自动保持平台的位置和艏向，同时还设有独立的集中手动船位控制和自动艏向控制。不仅如此，动力定位系统因其能够对抗风浪、海流的作用而实现平台漂浮定位，对平台风暴自存的安全性和可靠性都有显著增强。
8 m" a' u' g' s% R2 V5 ~2 n( e  g8 {. Q⒉运维交通船
; B% B$ R& A, e2 B; K; z运维交通船是海上风电场施工、运行和维护的主要交通工具，起到平台载体的作用。它为海上风场风电机组运行和维护提供服务，最大限度缩短及降低运维时间和成本，减少风机故障与停机，提高发电效率，提高风电场经济效益，可以实现快速、舒适地到达风电柱现场，并且能靠得住、靠得稳，确保人能安全、快捷地上得去、下得来。运维交通船见图2。
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图2  运维交通船

运维交通船的主要用途如下：⑴物资运送，运输电气模块及备品备件，维修工具、日常供给物品等；⑵人员转运，运输技术人员、项目组工作人员及考察团人员等；⑶为工作人员提供短期的食宿休息和伤员紧急救助；⑷风场火灾紧急救助等。
运维交通船的主要性能特点如下：⑴快速性和灵活性，船舶要求航速高，减少中途航行时间，快速到达风场；⑵舒适性，船舶具备良好耐波性和低噪声，保持作业人员战斗力；⑶靠泊性，船舶操纵性要好，设备优良，具备靠得上、靠得稳风电柱的能力；⑷安全性，作业人员借助运维交通船能安全、顺利地上下风电柱。
国内海上风电运维刚起步，主要以小型运维船为主，数量不多，现有的这些运维船还只是普通运维船，航速较低、耐波性差、靠泊能力差（有效波高1.5m以下），主要作用是运送维护人员至机位，此外还可以携带小型的备品备件和工具等。
国外以大型运维母船为主，主要运用在欧洲大型的海上风场，这类风场离岸距离较远，作业水深较深。这类运维母船一般采用双体船型，满足在蒲氏7级风、2.5m波高、表面流速2kn恶劣海况下进行海上风电运维作业。具备DP2的动力定位功能，带波浪补偿舷梯，确保运维作业人员安全，具有大的生活区以满足运维人员的住宿需求，具备高航速和较长的续航力，能在海上长期作业，并可为风电场内小型作业船舶提供补给，也可以进行水下电缆及其他水下设施维护。随着国内海上风场的发展走向深水区，离岸距离较远区，大型运维母船的需求将在未来5年～10年内有一个大幅度增长。
⒊波浪补偿舷梯
众所周知，风场风浪大，暗流众多，人员上下风塔十分危险，如何确保人员上下风塔时的安全十分重要。传统人员上下风塔是借助运维船到达风塔上面，人员抓住时机爬上风塔。该方法十分危险，稍有不慎，就会引发安全故事，毕竟风场海况恶劣，气候环境复杂多变，运维船难以长时间保持一个相对平稳的状态。
普通舷梯在船舶海洋工程中得到使用普遍，但由于其沿舷边放置的局限性，只能适用于船舶或平台与小艇或码头之间的人员登乘。普通步桥也是一种船舶海洋工程中使用较普遍的人员登乘装置，但由于其设计局限性，波浪稍大就不可使用。
波浪补偿舷梯登乘系统可满足4级海况下将作业人员安全输送到风塔平台，在复杂多变的海上环境中具有自动控制能力，能保持相对平衡，见图3。

                               
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图3  波浪补偿舷梯

& J/ ^4 T& S' T9 K7 u; t波浪补偿舷梯主要包括补偿机构的六自由度补偿能力、可伸缩舷梯的伸缩能力和俯仰能力、舷梯的承重载荷能力。补偿结构基础部分为六自由度自平衡补偿平台，实现了集成化与模块化，在波浪时可对波浪造成的相对位移进行补偿。安装稳定性要求高的专用波浪补偿舷梯，在船舶与风机柱之间形成安全通道，方便人员安全上下，确保人员安全。此外，波浪补偿舷梯具有可伸缩性，收藏不用时占用空间小，可节约甲板面积，也可用于堆放其他物品。
三、结论
& d0 X* M! }( S2 _深远海运维模式和装备能力提升将是风电运维下一阶段发展重点，将有更多的深远海运维模式和装备出现，以实现运维效率的最大化。根据测算，每台海上风电机组平均每年有高达40次停机故障，整体故障率约3%，大约每30台海上风机就需要1艘专业的运维船。国外每15根风塔需要一条运维船，预计每15艘小船需要配套一艘大的运维母船。基于国内运维船的适配能力，中国海上风电运维业务将有一个大幅增长。在运维装备方面，研制推出空中维修更换大部件的工装工具、水下检测机器人、无人机智能巡检和波浪补偿栈桥等，可实现海上风电运维的降本增效，提高我国风电产业的发展能力和水平。
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