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海上风电,需要这样的船舶!
2023-05-23 来源:《风能》
 海上风电项目规模化、机组大型化、选址深远海化与电价平价化,决定了风电基础安装、机组吊装、机组运维工程技术与船舶市场的发展趋向。
 
从项目勘测、基础安装、电缆敷设、机组吊装、机组运维到设备改造与拆解,海上风电开发经历的所有工程环节,几乎都有专业船舶的身影。
 
“工欲善其事,必先利其器——作为海上风电开发的关键技术支撑环节,海上风电建设安装工程成本较高,可达开发总成本的35%左右。专业安装运维船舶技术的发展,必须跟上并适应海上风电市场与技术发展趋势。”中国可再生能源学会风能专业委员会(CWEA)秘书长秦海岩日前谈到。
 
那么海上风电项目开发,到底需要什么样的船舶?
 
为找到问题的答案,“海上风电船舶前沿技术研讨会”近日在汕头召开。会议之所以选择在汕头举行,是由于该市正在通过加强产业协同,打造汕头国际风电创新港,建成全球首个在一个产业园区内,聚集从风电整机与关键零部件,到检验检测实验室和大型科研装置等完整产业链的“四个一体化”的风电产业集群。汕头也正在依托广澳深水港,建设功能齐全的风电母港,成为面向全球的海上风电装备及服务出口、运维、施工建设基地的“桥头堡”。并且,汕头将进一步拓展海上风电生态圈,延伸价值链,谋划布局海工装备制造产业园、新型储能装备制造产业园、新型输配电装备制造产业园及相关实验与检测中心,并打造国字号工程施工企业和船队。
 
这次会议引起了全球海上风电产业界的高度关注。来自全球海上风电工程技术与船舶等相关领域的专家,在会议中进行了充分交流,阐述对未来海上风电船舶发展问题的观点。
 
 
 

基础安装方案存在明显差异
 
基础安装、机组吊装、机组运维是海上风电开发过程中,专业船舶大显身手的三大关键环节。尤其是在风电机组的基础安装环节,因国内外市场需求、工程技术与海域环境差异,产生了多样的工程技术方案,需采用截然不同的施工船舶。
 
在海上风电项目规模化开发之初,我国不仅缺乏风电安装船,也没有可用于安装单桩基础的高能量液压锤,为充分利用港口工程行业已有的打桩船和混凝土船作为基础安装主力船舶,不得不通过自主创新,创造出了多桩承台基础。
 
“打桩船可从各个方向打斜桩,形成群桩基础。混凝土船用来拌合混凝土,并泵送向承台。”中交第三航务工程局有限公司副总经理王晓冉解释。
 
可以说,作为我国风电产业为突破技术与装备困境所创造的智慧结晶,多桩承台基础与打桩船的结合,在海上风电开发的初期阶段立下了汗马功劳。截至目前,我国共有7艘海上风电打桩船实现投运。但随着机组向大型化,场址向深远海发展,多桩承台基础已难以满足海上风电开发需求,打桩船也在逐渐退出风电机组基础安装船舶市场。
 
与中国的选择所不同,欧洲的海上风电工程技术与船舶供给起点更高,一直倾向采用“单桩基础+自升式风电平台船+运装一体”的基础安装方案。随着市场不断发展,单桩基础已逐渐成为我国应用最多的基础形式,但主要采用“单桩基础+起重船+运装分离”的工程方案。
 
在王晓冉看来,这是具有必然性的。“起重船无需频繁插拔腿作业,并且采用稳桩平台进行大直径单桩施工,可使起重船的运动与沉桩质量充分解耦,实现无过渡段设计。此外,还可以有效利用一批造价并不高昂的拔杆式起重船,极大提高施工效率。”
 
“在2021年的海上机组安装高峰时,因为建设成本与施工周期相对可控,单桩基础被发挥到极致。但随着机组容量达到10MW,项目水深超过40m,单桩基础将不再具备市场优势。未来深远海主流基础形式将是导管架。”中铁大桥局新能源工程指挥部总工程师、教授级高工孙国光的观点与大多数专家的判断相一致。
 
荷曲斯机械设备(上海)有限公司销售经理马小明则带来了另一种思路。他认为,制造与运输单桩基础的成本将越来越低,一些业主与设计院仍将采用超大型单桩基础。高效安装超大型单桩基础,需要更强的设备。目前欧洲已生产出6600kJ液压打桩锤,我国部署的液压打桩锤在1000~3600kJ,不久后将部署超过5500kJ的液压打桩锤。
 
事实上,无论是采用哪一类基础形式,起重船在我国海上风电基础安装环节的重要作用在短期都是无法替代的。因为国内外对于普通导管架基础与单桩基础的施工方案基本保持了延续性。随着水深增加,一些项目需要采用重量更大的吸力桶-导管架基础,这要求起重船具备更强的起重能力。
 
据CWEA研究数据显示,全球现役的起重船约有109艘,但每年新增的起重船数量并不多,这是由于老旧的起重船起重能力差、作业效率低,正被逐渐替代。这些新增的起重船大部分订单来自于中国。
 
王晓冉也表达了一致的观点。他认为,目前我国可用于海上风电建设的起重船数量近100艘,但整体性能一般。一是起重能力较大的船舶数量很少;二是大部分为驳船,无动力,耐波性差;三是固定吊多,具备全回转能力的船舶较少。
 
表1:海上固定式风电机组主流工程技术方案 
 
 
 
超大容量机组吊装船舶稀缺
 
2007—2008年,龙源如东海上(潮间带)试验风电场和上海东海大桥100MW海上风电示范项目的相继批复,推动我国海上风电进入试验示范阶段。由于两者所处海域水深有着本质差异,机组吊装方案与船舶的选择大相径庭。
 
“在潮间带风电场我们使用的是坐滩分体吊装方案,最初的坐底安装船采用驳船,之后发展到坐底浮吊船、坐底半浅驳以及坐底重吊船。”金风科技海上业务单元海上服务事业部副经理、金风海洋设备资产管理部部长严辉煌介绍。
 
之所以采用坐底安装船进行潮间带项目机组安装,是因为此类海域水深较浅,并且当时我国缺乏自升式风电安装船。这种机组吊装方式,也是我国在海上风电工程技术上不折不扣的创新成果,一直沿用至2021年前后。
 
在水深更深的上海东海大桥示范项目中,我国采用的是“运装分离+整体安装+双拔杆起重船”方案,先在陆上完成机组组装,再通过运输船运送至机位点,由双拔杆起重船结合柔性缓冲和定位工装将机组安装到多桩承台基础上。正是从这时起,运装分离的施工方式,成为具有中国特色并沿用至今的主流选择。
 
“此后,基于运装分离的机组整体安装方式被沿用到9个风电场,共安装了257台机组,最快只用47h就完成了4台机组的整体安装。无论是数量还是速度,均创造了全球第一。”王晓冉列举了一系列数据。
 
据介绍,目前我国共有7艘船舶具备整体安装施工能力,但大容量机组在整体安装时存在结构干涉,且受制于陆上拼装场地不足、成本下降空间不大、开场外海作业窗口有限等问题,传统整体安装方式已不容乐观。此后,我国海上机组的安装工作,越来越多地采用了“运装分离+分体安装+自升式风电安装船”方案。
 
“2012年后国内出现了第一艘带支腿的风电安装船,今天叫做‘华电1001’号,标志着我国风电安装船进入专业化发展时代。随着机组迭代,2017年自升式风电安装船进行了一轮更新,20多条新造船舶服役,代表是‘福船三峡’号。之后服役的‘龙源振华3号’,则是第一艘兼具基础安装与机组吊装能力的安装船。近两年海上机组开始了新一轮升级,安装船随之出现一波建造高潮,代表有‘白鹤滩号’。”严辉煌举例。
 
现今,我国自升式风电安装船正处在快速增长阶段,新建船舶起重能力普遍超过1000t,最高达到2000t,并基本都配有先进的动力定位系统。
 
“自2023年8月开始,国内市场将陆续出现一批能够吊装单机容量25MW、风轮直径320米以上的风电船。”严辉煌给出一组数据:“国内存量和新造的安装船累计达到104艘。”
 
对此,中国工程院院士、中国中铁首席科学家、中铁大桥院首席专家、桥梁智能与绿色建造全国重点实验室主任高宗余指出,为应对水深越来越深,单机容量越来越大,中铁大桥局顺势而上,充分发挥跨海桥梁建造技术的深厚积累,投资10多亿元,打造一艘最大吊重2000t的新一代风电安装平台,能够实现在70m作业水深条件下,安装25MW机组的能力。
 
中国船舶工业行业协会统计信息部主任郑一铭坦言,“自2014年国际原油价格大幅下跌后,海洋工程船舶市场断崖式下降,全年订单不超过100亿美元。2020年海工船舶订单开始回升,到2022年全球风电安装船订单达到26艘,其中中国船东有21艘。应该说,在过去的3年中,全球海工船舶市场都是由海上风电所驱动的。”
 
据CWEA的一项报告分析,2022—2024年期间服役和在建的风电安装船基本可满足海上机组吊装需求。但随着未来大容量机组陆续推出,“十五五”期间我国海上风电吊装船将开始出现缺口,到2030年预计达到16艘。
 
随着海上风电开发向深远海挺进,我国传统运装分离施工方式开始面临新的挑战。例如,深远海强涌浪环境和淤泥黏土层厚度等问题,将影响到船舶安全与相互之间的配合。因此王晓冉综合考虑工程建设的经济性与在建船舶资源判断,今后一段时期我国将呈现运装分离与运装一体并行发展的局面,并最终可能走向运装一体。
 
“深远海风浪、水文条件比较恶劣,将更需要工程能力强的一体化船舶。”克拉克森海工专家邱东杰也给出了相似观点。对于未来需要什么样的安装船,邱东杰认为:第一,桩腿要为整个安装船提供有利支撑;第二,吊机能够吊得更高、更重,满足大型化机组吊装要求;第三,甲板面积应尽量大一些,减少运输成本并提高安装效率。
 
表2:中国起重能力在800t以上的机组安装船\平台



 
 
 
运维母船成为新市场增长点
 
在邱东杰看来,运维转运船(CTV)和运维母船(SOV)能实现完美结合,根据风电场距离与规模进行协调配合,将恰当的运维人员,在不同的季节中,运送至各异的风电场进行机组运维工作。两者可满足项目运维工作中的绝大多数通达需求。
 
我国海上风电规模化开发之初,项目离岸距离近、规模小,运维工作基本采用的是小型舢板作运维转运船,通过手摇柴油机提供动力,长度基本在10m左右,这可称之为第一代风电运维船。随着江苏潮间带风电以及福建、广东海湾内风电的大规模开发,运维转运船逐渐演变为由交通艇或渔船改装的单体运维船,长度达到了20m,航速接近10节,可称之为第二代风电运维船。近年来,随着海上风电开发区域的变化,福建、广东、山东等近海海域风电装机量快速增长,离岸越来越远,海水越来越深,对运维转运船提出了更专业化的要求,被誉为第三代运维船的双体运维转运船逐渐成为主流。
 
据专业机构统计,目前我国共有170余艘运维转运船,除去备用与维修船只,平均每艘必须服务40台机组。而在国际市场中,一艘运维转运船对应服务的机组数量仅为20台。
 
据克拉克森数据显示,全球(未含中国)20m以上在船级社入级的运维转运船有300余艘,约80%服务北欧市场。
 
“欧洲的海上风电项目离岸距离越来越远,对运维人员的数量要求越来越多,CTV的乘客人数正从12名向24名过渡,对船舶长度与动力等方面的需求在增加。”邱东杰认为。
 
那么,海上风电项目运维对运维转运船与运维母船之间的需求边界在哪里?乌斯坦公司中国区副总裁杜可在会议中给出了答案:“欧洲的经验是,如果一个项目的机组超过了100台,离岸距离超过30海里,可能就需要运维母船来提供全生命周期的服务。”
 
上海电气风电集团股份有限公司SOV技术总监王圣品谈到:“目前欧洲实际情况是离岸50km以外的海上风电场均采用了SOV,离岸距离在30~50km的项目正在采用SOV替代传统CTV运维。”
 
王圣品以荷兰某项目举例:该项目共装有150台4MW风电机组,仅用一条类似于载客量100人的运维母船就能满足全部运维工作需要。在特殊情况下,需要配置1~2条运维转运船辅助作业。
 
据了解,目前全球运维母船的来源分为三种:一是专业化定制;二是由海工辅助船(PSV)通过加装登乘栈桥等设施改造而成;三是临时性改造与租用。其中,前两类将成为日后中国风电运维母船市场的主流选择。
 
有数据显示,截至2022年年底,全球投运的运维母船达到了32艘。另据郑一铭介绍,2022年全球共签约运维母船24艘。
 
对于未来中国需要多少运维母船,杜可表达了自己的观点。他相信江苏与广东海域都是未来工程运维母船(CSOV)需要重点服务的领域,“所以我们对中国运维母船的潜在需求非常抱有信心,估计在未来10年,需要有超过30艘运维母船。”
 
挪威创新署绿色海事中国项目负责人倪凯安认为,需求和供应永远没有终点,此类船舶的建造速度已非常之快,可制造成本在不断增加。因此在进行船舶投资以前,必须考虑好其退役后进入二手市场的潜力。提高船舶设计灵活性,在设计之初就做到尽可能先进。
 
“我们能看到市场缺少什么样的资源,卡在哪些地方。”邱东杰坦言,“风电产品的港口储运需要专业的机械、设备和基础设施,对地面强度要求也比较高。在这方面,汕头对国际风电创新港及其风电母港的产业规划是一个很好的范例,且已在开展相关工作。包括为广东甚至更大范围的海上风电运维提供SOV与CTV停靠服务,甚至支持大部件更换工作,将解决很大的问题。” 
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