在全球倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟的背景下，風(fēng)能正成為綠色能源的主角。日前，全球風(fēng)能理事會(GWEC)公布了最新《全球風(fēng)能報告》：2019年，中國以1.98GW再次成為海上風(fēng)電新增裝機最多的國家。
近年來，我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，沿海省市相繼擁有了海上風(fēng)電場。相較于陸上，海上的施工難度要高很多，風(fēng)電安裝船作為海上風(fēng)電的核心裝備，其重要性不言而喻。
“‘三航風(fēng)和’號風(fēng)電安裝船的打造源自中交三航局進軍海上風(fēng)電領(lǐng)域的剛需，以適應(yīng)目前海上風(fēng)電單機容量大型化、風(fēng)電場建設(shè)遠海化以及海上風(fēng)電場運營維護的需求。”中交三航局工程管理部執(zhí)行總經(jīng)理沈火群告訴記者，10多年來，三航局領(lǐng)先的海上施工能力有效支撐了海上風(fēng)電板塊業(yè)務(wù)的全面開拓，至今已累計完成16個海上風(fēng)電場建設(shè)，目前有23個海上風(fēng)電場項目在建，占有國內(nèi)海上風(fēng)電市場60%左右的份額，成為海上風(fēng)電裝備領(lǐng)域主要裝備供應(yīng)商。
海上“利器”展現(xiàn)強大性能
蔚藍的大海、白色的巨型“風(fēng)車”，航行在海面上的船舶……這樣美麗的畫面可不是哪個海濱度假區(qū)，而是中交三航局在福清興化灣海上風(fēng)電場二期項目B區(qū)的海上作業(yè)場景。
安裝一套海上風(fēng)電場的風(fēng)電機組，需要哪些最基本的裝備?首先，需要一艘能將所有設(shè)備送到指定地點的運輸船;其次，需要一個可以上下升降的作業(yè)平臺;最后，至少還需要吊裝風(fēng)機的起重設(shè)備、打樁施工設(shè)備和定位系統(tǒng)。
近年來，我國海上風(fēng)電安裝船的設(shè)計建造能力不斷提升，逐步擁有了一系列有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。據(jù)介紹，作為國內(nèi)最先進、技術(shù)含量最高、設(shè)計最合理的第三代風(fēng)電安裝船之一，“三航風(fēng)和”號船上所有設(shè)備均實現(xiàn)國產(chǎn)化，起重機、升降系統(tǒng)、海水塔等核心設(shè)備均由上海振華重工自主研發(fā)設(shè)計建造。
比如，早期用于風(fēng)電安裝的自升式起重平臺，可通過升降裝置自我調(diào)整作業(yè)高度，但操縱不便。而“三航風(fēng)和”號釆用目前國內(nèi)最先進的雙環(huán)梁液壓插銷式連續(xù)升降系統(tǒng)，升降速度達每小時30米，大大提高了操船效率。另外，抬升系統(tǒng)采用油缸直接與船體連接，極大減輕了船體和抬升系統(tǒng)的重量。
海上風(fēng)機的起重設(shè)備主要是起重機，起重能力和起重高度決定可以吊裝風(fēng)機的量級。“三航風(fēng)和”號配備了1200噸和360噸兩臺液壓繞樁全回轉(zhuǎn)型式起重機，為國內(nèi)首創(chuàng)。
海上風(fēng)機基礎(chǔ)安裝需要沉樁。以往，我國的一些風(fēng)電安裝船沒有打樁設(shè)備，不具備獨立打樁能力。該船不僅能實現(xiàn)海上風(fēng)電大型單樁基礎(chǔ)沉樁時直接翻身的功能，其船樁腿長90米，為目前國內(nèi)最長，可適用水深達60米。1200噸主吊機甲板以上安裝高度達130米，為目前國內(nèi)最高，可安裝8至10兆瓦風(fēng)機，大大提高了海上風(fēng)機的安裝效率。
“我們評價一艘風(fēng)電安裝船的性能，一般主要從運輸能力、抬升能力、起重吊裝能力、抗風(fēng)浪能力等方面來衡量。從這些角度來看，‘三航風(fēng)和’號的能力毋庸置疑。”沈火群表示。
海上風(fēng)電單機容量大型化是趨勢
近年來，中交三航局深耕海上風(fēng)電建設(shè)領(lǐng)域，創(chuàng)造了風(fēng)電施工領(lǐng)域的多個“首次”。如在建的大連莊河項目為國內(nèi)北方海域首次規(guī)模化采用大直徑嵌巖單樁基礎(chǔ)，國內(nèi)首個單機容量6.45兆瓦風(fēng)機的風(fēng)場，首次實施抗冰錐基礎(chǔ)設(shè)計與施工的項目;平海灣一期項目是國產(chǎn)大直徑嵌巖鉆機首次實踐;陽江南鵬島項目為國內(nèi)首個規(guī)模采用深水導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的海上風(fēng)電場;平海灣海上風(fēng)電場二期項目成功安裝世界首個海上風(fēng)電樁桶復(fù)合基礎(chǔ)……
“單機容量大型化是海上風(fēng)電發(fā)展的趨勢。”在中交三航局風(fēng)電發(fā)展部研發(fā)部經(jīng)理王其標(biāo)看來，提高單機容量可以減少用海，提高風(fēng)能利用效率，從而降低單位功率造價及并網(wǎng)成本。
據(jù)介紹，2015年，全球有17個海上風(fēng)場投入運轉(zhuǎn)，總發(fā)電量為384萬千瓦，其中有4個風(fēng)場采用5MW以上風(fēng)力機，這4個風(fēng)場皆位于歐洲，而我國海上風(fēng)機容量主要以3—4MW風(fēng)電機組為主，6MW機組還處于樣機試驗階段。
目前，我國也正朝著大功率海上風(fēng)機方向邁進。
國家發(fā)改委、國家海洋局2017年5月聯(lián)合發(fā)布《全國海洋經(jīng)濟發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，規(guī)劃指出，要加強5MW、6MW及以上大功率海上風(fēng)電設(shè)備研制。截至2018年底，在所有吊裝的海上風(fēng)電機組中單容量4MW機組最多， 累計裝機容量達到234.8萬千瓦，占總裝機容量52.8%。日前，在福建三峽海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)園區(qū)，10兆瓦、8兆瓦海上風(fēng)電機組也陸續(xù)下線。這是我國自主研發(fā)的、單機容量最大的海上風(fēng)電機組，標(biāo)志著我國已基本掌握大容量海上風(fēng)電研發(fā)制造關(guān)鍵核心技術(shù)。
與此同時，單機容量大型化將對海上風(fēng)電的施工裝備、施工技術(shù)提出更高的要求。據(jù)了解，海上風(fēng)場一般都建在風(fēng)資源豐富的海域，施工條件往往非常惡劣。單機容量增大，一方面基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的尺度將隨著風(fēng)機荷載水平的提高而提高，如直徑6.5—9m的超大直徑單樁基礎(chǔ)、深水導(dǎo)管架等逐漸在海上風(fēng)電工程中得到應(yīng)用;另一方面，風(fēng)機機艙的重量、葉片的長度、塔筒的高度也會相應(yīng)提高。
針對單機容量大型化趨勢，三航局加大在安裝船方面的投入，繼2016年3月建成國內(nèi)首座具有“抬升、安裝、打樁、居住、運輸和動力定位”六大功能的第三代自升式風(fēng)電安裝船“三航風(fēng)華”號后，再造“三航風(fēng)和”號。“三航風(fēng)和”號的安裝能力在“三航風(fēng)華”號的基礎(chǔ)上又上新臺階。同時，利器加身的三航局也同步升級了風(fēng)機安裝方案，從國內(nèi)第一個海上風(fēng)電示范項目——東海大橋100兆瓦風(fēng)電項目的風(fēng)機采用整體吊裝方案到目前風(fēng)機分體安裝的普遍運用。三航局在海上風(fēng)電領(lǐng)域從無到有，從有到精，不斷創(chuàng)新提升。
未來風(fēng)電機組的建設(shè)與維護應(yīng)并重
在全球倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟的背景下，風(fēng)能正逐步成為綠色能源的主角。海上風(fēng)電作為一種快速發(fā)展的新能源發(fā)電形態(tài)，近年來發(fā)展勢頭迅猛，前景廣闊。
海上風(fēng)電在推動我國風(fēng)電裝機方面正發(fā)揮著越來越重要的作用。2019年，我國新增并網(wǎng)裝機容量接近2.4吉瓦，穩(wěn)居世界首位。風(fēng)電技術(shù)水平也在大幅提升：機組單機容量不斷增大;風(fēng)輪直徑從20米擴大到180米;葉尖高度從最初的33米左右到如今的234米……
有專家表示，這些技術(shù)進步，有效增強了風(fēng)電機組的捕風(fēng)性能與可靠性，也使得風(fēng)電成本穩(wěn)步下降。正是這些天然的優(yōu)勢，使得海上風(fēng)電目前呈現(xiàn)出了逐鹿之勢。
然而，發(fā)展背后也有隱憂。
據(jù)了解，我國有關(guān)部門制定的風(fēng)力機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10300-2001《風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計要求》中要求，“在規(guī)定的外部條件，設(shè)計工況和載荷情況下，應(yīng)保證風(fēng)力發(fā)電機組在其設(shè)計使用壽命期內(nèi)安全正常地工作” “設(shè)計壽命至少20年”。上述標(biāo)準(zhǔn)注明是等效采用國際上IEC61400-1/E2標(biāo)準(zhǔn)制定的，中國船級社(CCS)制定的《風(fēng)力發(fā)電機組規(guī)范》中，也有同樣的要求。
“目前海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的設(shè)計使用年限一般為20—25年，而事實上，一些陸上風(fēng)電場在建成不到10年已經(jīng)面臨維修問題，而海上風(fēng)電的工作環(huán)境更惡劣，國內(nèi)對這一領(lǐng)域尚無任何系統(tǒng)的研究。”王其標(biāo)在接受記者海上風(fēng)電機組在其使用壽命期內(nèi)需經(jīng)受20—25年的各種惡劣環(huán)境條件的考驗：除經(jīng)受運轉(zhuǎn)機械的機件磨損、電子電氣器件的電氣運行沖擊、金屬結(jié)構(gòu)的振動疲勞損傷引起機組各部件故障外，有可能遭遇海上颶風(fēng)、超強雷暴等極端氣象災(zāi)害的襲擊和電網(wǎng)故障引起的高強電涌沖擊等偶發(fā)事件，從而造成機組的整體性致命損毀，需要進行機組若干部件乃至整機的拆裝。
根據(jù)DNV的測算，每臺海上風(fēng)電機組平均每年有高達40次停機故障，整體故障率約3%。“我國海上風(fēng)電場在不到10年的運營過程中已經(jīng)出現(xiàn)了多個機組需要拆修、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)需要維護的需求，隨著‘十三五’以來海上風(fēng)場的大規(guī)模建設(shè)，裝機容量的不斷攀升，未來海上運營維護的需求必將越來越大。”王其標(biāo)表示。
業(yè)內(nèi)人士表示，相較于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電整體運行維護成本較高。一方面是海上風(fēng)電特殊環(huán)境影響(如高鹽霧高濕度對設(shè)備的影響，天氣因素對維修窗口期的影響)，另一方面也受到機組可靠性尚未充分驗證、運維團隊專業(yè)性還需提升、遠程故障診斷和預(yù)警能力還不健全等。
“深遠海運維模式和裝備能力提升將是下一階段發(fā)展重點。”沈火群表示，海上風(fēng)電將向更遠、更深的海域發(fā)展，將有更多的深遠海運維模式和裝備出現(xiàn)，以實現(xiàn)運維效率的最大化。在運維裝備方面，如研制推出空中維修更換大部件的工裝工具、水下檢測機器人、無人機智能巡檢、波浪補償棧橋、海上換油裝備等，從而實現(xiàn)海上運維的降本增效。
此外，深遠海域的海上風(fēng)電場建設(shè)條件的復(fù)雜程度、技術(shù)難度、工程投資等均遠超近海風(fēng)電場，所涉及的技術(shù)領(lǐng)域更加廣泛。目前國內(nèi)尚沒有實施經(jīng)驗，是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要開展系統(tǒng)的研究。
“解決深遠海漂浮式風(fēng)電的風(fēng)機基地拼裝、海上整體運輸、水下基礎(chǔ)施工、風(fēng)機現(xiàn)場安裝等關(guān)鍵技術(shù)難題，從而實現(xiàn)海上風(fēng)電從潮間帶、近海到深海、遠海的發(fā)展是我們將要面臨的挑戰(zhàn)。”沈火群說。
