中交三航局发力深远海域的海上风电安装和运维装备

在全球倡导低碳经济的背景下，风能正成为绿色能源的主角。日前，全球风能理事会（GWEC）公布了最新《全球风能报告》：2019年，中国以1.98GW再次成为海上风电新增装机最多的国家。

近年来，我国海上风电产业发展迅猛，沿海省市相继拥有了海上风电场。相较于陆上，海上的施工难度要高很多，风电安装船作为海上风电的核心装备，其重要性不言而喻。

“‘三航风和’号风电安装船的打造源自中交三航局进军海上风电领域的刚需，以适应目前海上风电单机容量大型化、风电场建设远海化以及海上风电场运营维护的需求。”中交三航局工程管理部执行总经理沈火群告诉记者，10多年来，三航局领先的海上施工能力有效支撑了海上风电板块业务的全面开拓，至今已累计完成16个海上风电场建设，目前有23个海上风电场项目在建，占有国内海上风电市场60%左右的份额，成为海上风电装备领域主要装备供应商。

海上“利器”展现强大性能

蔚蓝的大海、白色的巨型“风车”，航行在海面上的船舶……这样美丽的画面可不是哪个海滨度假区，而是中交三航局在福清兴化湾海上风电场二期项目B区的海上作业场景。

安装一套海上风电场的风电机组，需要哪些最基本的装备？首先，需要一艘能将所有设备送到指定地点的运输船；其次，需要一个可以上下升降的作业平台；最后，至少还需要吊装风机的起重设备、打桩施工设备和定位系统。

近年来，我国海上风电安装船的设计建造能力不断提升，逐步拥有了一系列有自主知识产权的产品。据介绍，作为国内最先进、技术含量最高、设计最合理的第三代风电安装船之一，“三航风和”号船上所有设备均实现国产化，起重机、升降系统、海水塔等核心设备均由上海振华重工自主研发设计建造。

比如，早期用于风电安装的自升式起重平台，可通过升降装置自我调整作业高度，但操纵不便。而“三航风和”号釆用目前国内最先进的双环梁液压插销式连续升降系统，升降速度达每小时30米，大大提高了操船效率。另外，抬升系统采用油缸直接与船体连接，极大减轻了船体和抬升系统的重量。

海上风机的起重设备主要是起重机，起重能力和起重高度决定可以吊装风机的量级。“三航风和”号配备了1200吨和360吨两台液压绕桩全回转型式起重机，为国内首创。

海上风机基础安装需要沉桩。以往，我国的一些风电安装船没有打桩设备，不具备独立打桩能力。该船不仅能实现海上风电大型单桩基础沉桩时直接翻身的功能，其船桩腿长90米，为目前国内最长，可适用水深达60米。1200吨主吊机甲板以上安装高度达130米，为目前国内最高，可安装8至10兆瓦风机，大大提高了海上风机的安装效率。

“我们评价一艘风电安装船的性能，一般主要从运输能力、抬升能力、起重吊装能力、抗风浪能力等方面来衡量。从这些角度来看，‘三航风和’号的能力毋庸置疑。”沈火群表示。

海上风电单机容量大型化是趋势

近年来，中交三航局深耕海上风电建设领域，创造了风电施工领域的多个“首次”。如在建的大连庄河项目为国内北方海域首次规模化采用大直径嵌岩单桩基础，国内首个单机容量6.45兆瓦风机的风场，首次实施抗冰锥基础设计与施工的项目；平海湾一期项目是国产大直径嵌岩钻机首次实践；阳江南鹏岛项目为国内首个规模采用深水导管架基础结构的海上风电场；平海湾海上风电场二期项目成功安装世界首个海上风电桩桶复合基础……

“单机容量大型化是海上风电发展的趋势。”在中交三航局风电发展部研发部经理王其标看来，提高单机容量可以减少用海，提高风能利用效率，从而降低单位功率造价及并网成本。

据介绍，2015年，全球有17个海上风场投入运转，总发电量为384万千瓦，其中有4个风场采用5MW以上风力机，这4个风场皆位于欧洲，而我国海上风机容量主要以3—4MW风电机组为主，6MW机组还处于样机试验阶段。

目前，我国也正朝着大功率海上风机方向迈进。

国家发改委、国家海洋局2017年5月联合发布《全国海洋经济发展“十三五”规划》，规划指出，要加强5MW、6MW及以上大功率海上风电设备研制。截至2018年底，在所有吊装的海上风电机组中单容量4MW机组最多， 累计装机容量达到234.8万千瓦，占总装机容量52.8%。日前，在福建三峡海上风电产业园区，10兆瓦、8兆瓦海上风电机组也陆续下线。这是我国自主研发的、单机容量最大的海上风电机组，标志着我国已基本掌握大容量海上风电研发制造关键核心技术。

与此同时，单机容量大型化将对海上风电的施工装备、施工技术提出更高的要求。据了解，海上风场一般都建在风资源丰富的海域，施工条件往往非常恶劣。单机容量增大，一方面基础结构的尺度将随着风机荷载水平的提高而提高，如直径6.5—9m的超大直径单桩基础、深水导管架等逐渐在海上风电工程中得到应用；另一方面，风机机舱的重量、叶片的长度、塔筒的高度也会相应提高。

针对单机容量大型化趋势，三航局加大在安装船方面的投入，继2016年3月建成国内首座具有“抬升、安装、打桩、居住、运输和动力定位”六大功能的第三代自升式风电安装船“三航风华”号后，再造“三航风和”号。“三航风和”号的安装能力在“三航风华”号的基础上又上新台阶。同时，利器加身的三航局也同步升级了风机安装方案，从国内第一个海上风电示范项目——东海大桥100兆瓦风电项目的风机采用整体吊装方案到目前风机分体安装的普遍运用。三航局在海上风电领域从无到有，从有到精，不断创新提升。

未来风电机组的建设与维护应并重

在全球倡导低碳经济的背景下，风能正逐步成为绿色能源的主角。海上风电作为一种快速发展的新能源发电形态，近年来发展势头迅猛，前景广阔。

海上风电在推动我国风电装机方面正发挥着越来越重要的作用。2019年，我国新增并网装机容量接近2.4吉瓦，稳居世界首位。风电技术水平也在大幅提升：机组单机容量不断增大；风轮直径从20米扩大到180米；叶尖高度从最初的33米左右到如今的234米……

有专家表示，这些技术进步，有效增强了风电机组的捕风性能与可靠性，也使得风电成本稳步下降。正是这些天然的优势，使得海上风电目前呈现出了逐鹿之势。

然而，发展背后也有隐忧。

据了解，我国有关部门制定的风力机械行业标准JB/T10300-2001《风力发电机组设计要求》中要求，“在规定的外部条件，设计工况和载荷情况下，应保证风力发电机组在其设计使用寿命期内安全正常地工作” “设计寿命至少20年”。上述标准注明是等效采用国际上IEC61400-1/E2标准制定的，中国船级社（CCS）制定的《风力发电机组规范》中，也有同样的要求。

“目前海上风力发电设施的设计使用年限一般为20—25年，而事实上，一些陆上风电场在建成不到10年已经面临维修问题，而海上风电的工作环境更恶劣，国内对这一领域尚无任何系统的研究。”王其标在接受记者海上风电机组在其使用寿命期内需经受20—25年的各种恶劣环境条件的考验：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，有可能遭遇海上飓风、超强雷暴等极端气象灾害的袭击和电网故障引起的高强电涌冲击等偶发事件，从而造成机组的整体性致命损毁，需要进行机组若干部件乃至整机的拆装。

根据DNV的测算，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%。“我国海上风电场在不到10年的运营过程中已经出现了多个机组需要拆修、基础结构需要维护的需求，随着‘十三五’以来海上风场的大规模建设，装机容量的不断攀升，未来海上运营维护的需求必将越来越大。”王其标表示。

业内人士表示，相较于陆上风电，海上风电整体运行维护成本较高。一方面是海上风电特殊环境影响（如高盐雾高湿度对设备的影响，天气因素对维修窗口期的影响），另一方面也受到机组可靠性尚未充分验证、运维团队专业性还需提升、远程故障诊断和预警能力还不健全等。

“深远海运维模式和装备能力提升将是下一阶段发展重点。”沈火群表示，海上风电将向更远、更深的海域发展，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。在运维装备方面，如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、波浪补偿栈桥、海上换油装备等，从而实现海上运维的降本增效。

此外，深远海域的海上风电场建设条件的复杂程度、技术难度、工程投资等均远超近海风电场，所涉及的技术领域更加广泛。目前国内尚没有实施经验，是一个庞大而复杂的系统工程，需要开展系统的研究。

“解决深远海漂浮式风电的风机基地拼装、海上整体运输、水下基础施工、风机现场安装等关键技术难题，从而实现海上风电从潮间带、近海到深海、远海的发展是我们将要面临的挑战。”沈火群说。