在全球倡導低碳經(jīng)濟的背景下，風能正成為綠色能源的主角。日前，全球風能理事會(GWEC)公布了最新《全球風能報告》：2019年，中國以1.98GW再次成為海上風電新增裝機最多的國家。
近年來，我國海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，沿海省市相繼擁有了海上風電場。相較于陸上，海上的施工難度要高很多，風電安裝船作為海上風電的核心裝備，其重要性不言而喻。
“‘三航風和’號風電安裝船的打造源自中交三航局進軍海上風電領域的剛需，以適應目前海上風電單機容量大型化、風電場建設遠?；约昂Ｉ巷L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，三航局領先的海上施工能力有效支撐了海上風電板塊業(yè)務的全面開拓，至今已累計完成16個海上風電場建設，目前有23個海上風電場項目在建，占有國內(nèi)海上風電市場60%左右的份額，成為海上風電裝備領域主要裝備供應商。
海上“利器”展現(xiàn)強大性能
蔚藍的大海、白色的巨型“風車”，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電場二期項目B區(qū)的海上作業(yè)場景。
安裝一套海上風電場的風電機組，需要哪些最基本的裝備?首先，需要一艘能將所有設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，至少還需要吊裝風機的起重設備、打樁施工設備和定位系統(tǒng)。
近年來，我國海上風電安裝船的設計建造能力不斷提升，逐步擁有了一系列有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品。據(jù)介紹，作為國內(nèi)最先進、技術含量最高、設計最合理的第三代風電安裝船之一，“三航風和”號船上所有設備均實現(xiàn)國產(chǎn)化，起重機、升降系統(tǒng)、海水塔等核心設備均由上海振華重工自主研發(fā)設計建造。
比如，早期用于風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。
海上風機的起重設備主要是起重機，起重能力和起重高度決定可以吊裝風機的量級。“三航風和”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)。
海上風機基礎安裝需要沉樁。以往，我國的一些風電安裝船沒有打樁設備，不具備獨立打樁能力。該船不僅能實現(xiàn)海上風電大型單樁基礎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10兆瓦風機，大大提高了海上風機的安裝效率。
“我們評價一艘風電安裝船的性能，一般主要從運輸能力、抬升能力、起重吊裝能力、抗風浪能力等方面來衡量。從這些角度來看，‘三航風和’號的能力毋庸置疑。”沈火群表示。
海上風電單機容量大型化是趨勢
近年來，中交三航局深耕海上風電建設領域，創(chuàng)造了風電施工領域的多個“首次”。如在建的大連莊河項目為國內(nèi)北方海域首次規(guī)?；捎么笾睆角稁r單樁基礎，國內(nèi)首個單機容量6.45兆瓦風機的風場，首次實施抗冰錐基礎設計與施工的項目;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)模采用深水導管架基礎結(jié)構的海上風電場;平海灣海上風電場二期項目成功安裝世界首個海上風電樁桶復合基礎……
“單機容量大型化是海上風電發(fā)展的趨勢。”在中交三航局風電發(fā)展部研發(fā)部經(jīng)理王其標看來，提高單機容量可以減少用海，提高風能利用效率，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個海上風場投入運轉(zhuǎn)，總發(fā)電量為384萬千瓦，其中有4個風場采用5MW以上風力機，這4個風場皆位于歐洲，而我國海上風機容量主要以3—4MW風電機組為主，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電設備研制。截至2018年底，在所有吊裝的海上風電機組中單容量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，在福建三峽海上風電產(chǎn)業(yè)園區(qū)，10兆瓦、8兆瓦海上風電機組也陸續(xù)下線。這是我國自主研發(fā)的、單機容量最大的海上風電機組，標志著我國已基本掌握大容量海上風電研發(fā)制造關鍵核心技術。
與此同時，單機容量大型化將對海上風電的施工裝備、施工技術提出更高的要求。據(jù)了解，海上風場一般都建在風資源豐富的海域，施工條件往往非常惡劣。單機容量增大，一方面基礎結(jié)構的尺度將隨著風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、深水導管架等逐漸在海上風電工程中得到應用;另一方面，風機機艙的重量、葉片的長度、塔筒的高度也會相應提高。
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電安裝船“三航風華”號后，再造“三航風和”號。“三航風和”號的安裝能力在“三航風華”號的基礎上又上新臺階。同時，利器加身的三航局也同步升級了風機安裝方案，從國內(nèi)第一個海上風電示范項目——東海大橋100兆瓦風電項目的風機采用整體吊裝方案到目前風機分體安裝的普遍運用。三航局在海上風電領域從無到有，從有到精，不斷創(chuàng)新提升。
未來風電機組的建設與維護應并重
在全球倡導低碳經(jīng)濟的背景下，風能正逐步成為綠色能源的主角。海上風電作為一種快速發(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。
海上風電在推動我國風電裝機方面正發(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。風電技術水平也在大幅提升：機組單機容量不斷增大;風輪直徑從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，這些技術進步，有效增強了風電機組的捕風性能與可靠性，也使得風電成本穩(wěn)步下降。正是這些天然的優(yōu)勢，使得海上風電目前呈現(xiàn)出了逐鹿之勢。
然而，發(fā)展背后也有隱憂。
據(jù)了解，我國有關部門制定的風力機械行業(yè)標準JB/T10300-2001《風力發(fā)電機組設計要求》中要求，“在規(guī)定的外部條件，設計工況和載荷情況下，應保證風力發(fā)電機組在其設計使用壽命期內(nèi)安全正常地工作” “設計壽命至少20年”。上述標準注明是等效采用國際上IEC61400-1/E2標準制定的，中國船級社(CCS)制定的《風力發(fā)電機組規(guī)范》中，也有同樣的要求。
“目前海上風力發(fā)電設施的設計使用年限一般為20—25年，而事實上，一些陸上風電場在建成不到10年已經(jīng)面臨維修問題，而海上風電的工作環(huán)境更惡劣，國內(nèi)對這一領域尚無任何系統(tǒng)的研究。”王其標在接受記者海上風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、超強雷暴等極端氣象災害的襲擊和電網(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、基礎結(jié)構需要維護的需求，隨著‘十三五’以來海上風場的大規(guī)模建設，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。”王其標表示。
業(yè)內(nèi)人士表示，相較于陸上風電，海上風電整體運行維護成本較高。一方面是海上風電特殊環(huán)境影響(如高鹽霧高濕度對設備的影響，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，深遠海域的海上風電場建設條件的復雜程度、技術難度、工程投資等均遠超近海風電場，所涉及的技術領域更加廣泛。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電的風機基地拼裝、海上整體運輸、水下基礎施工、風機現(xiàn)場安裝等關鍵技術難題，從而實現(xiàn)海上風電從潮間帶、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。
