海上风电运维服务探索之运维船
我国海岸线长，海上风资源丰富，海上风电又具有占地面积少，开发规模大，发电利用小时数高等特点，加上陆上风电又面临困境，以及国家政策利好，海上风电将成为我国新能源发展的重要途径。随之而来的海上风电运维过程中我们会遇到许多问题，运维船就是其中一个。本文主要介绍了海上风电运维船的分类及其发展趋势、海上风电运维船的配置原则以及海上风电运维船的调度。
文丨曾佑清 闫中杰
海上运维现状不尽如人意
2016年全球海上风电新增装机近2200MW，累计装机容量近14300MW，全球90%以上的海上风电在欧洲。2016年德国和荷兰分列新增装机容量第一和第二，2016年中国海上风电新增装机容量592MW，排名第三，累计装机容量1627MW。
欧洲持续引领海上风电市场，海上风电的平均单机功率逐渐增大，海上风电场的平均水深也在增加。尽管欧洲目前处于领先地位，但中国的海上风电也在逐步发展，2016年12月，国家发改委印发《可再生能源发展“十三五”规划》，提出加快推进已开工海上风电项目建设进度，积极推动后续海上风电项目开工建设，鼓励沿海各省区市和主要开发企业建设海上风电示范项目，带动海上风电产业化进程。
同时，国家能源局出台的《风电发展“十三五”规划》也提出，要积极稳妥地推进海上风电建设，到2020年，全国海上风电开工建设规模达到1000万千瓦，力争累计并网容量达到500万千瓦以上。我国海上风电发展趋势是稳中求进。在未来几年，随着海上风电技术的不断进步，海上风电开发成本会进一步降低，我国海上风电可能会取得更快的发展。
海上风电市场在我国是新兴市场，真正成规模开发是从2015年开始的。随之而来的海上风电运维市场也是欣欣向荣。然而海上风电运维有着一些特点和难点，主要包括：
闪电等恶劣海洋环境影响，机组容易出现故障
受风浪影响，运维人员难以到达机组，故障待修时间长，发电损失大
缺乏专业装备，运维效率低，安全风险大
海上维修困难，尤其是大部件更换
智能化低，预防维护少
缺乏运维管理经验
海洋气象监测不精确
由于一切都在起步阶段，海上运维的现状不尽如人意，在我国某离岸较近的海上风电场，机组可利用率远低于陆上风电场的可利用率，随着在建和未来的海上风电场离岸距离的增加，如果采用现有运维模式，采用现有运维船，将导致机组可利用率难以达标，严重影响发电收益。
欧洲的海上风电已经大规模开展，提高海上风电运维能力成为降低停机损失，提高发电量的重要保障措施。风电运维港口和运维船构成了海上风电运维的主要设施和装备。
专业运维船市场不可小觑
海上风电运维船是用于海上风力发电机组运行维护的专用船舶。该船舶在波浪中应具有良好的运动性能，在航行中具有很好的舒适性，能够低速精准的靠泊到风力发电机组的基础，防止对基础造成较大冲击，并能够与基础持续接触，能够安全便利地将人员和设备运送到风力发电机组；船舶甲板区应具有存放工具、备品备件等物资的集装箱或风力发电机组运维专用设备的区域，并可以进行脱卸；船舶还应具有运维人员短期住宿生活的条件和优良、舒适的夜泊功能。
根据国外海上风电的发展，风电运维船主要分为四类：
（1）普通运维船
泛指用于海上风电工程或运维的交通艇，典型特征为航速较低(20节以下)，普通舵桨推进，耐波性差，靠泊能力差（有效波高1.5米以下）
（2）专业运维船
指用于海上风电工程或运维的专业船舶，典型特征为航速较高（20节以上），全回转推进（喷水或全回转舵桨），耐波性好，靠泊能力强（有效波高1.5米至2.5米），抗风浪强。
（3）运维母船
指用于海上风电运维，供人员住宿，存放备件的较大型船舶，典型特征为：可提供40人以上的住宿，具备一个月以上自持力，靠泊能力优异（有效波高2.5米以上），具备DP定位及补偿悬梯传送人员功能。
在国外运维船的发展史上，并非一开始就是这么专业的运维母船。开始采用商船改造，随着需求的提高，针对海上风电运维进行了适应性改造。
（4）自升式运维船
指主要用于海上风电运维的大部件更换（齿轮箱、发电机等）的船舶。典型特征为：具备一定的起重能力，拥有自升式平台，能适应水深40米以内大多数海域作业，具备DP定位及较长的自持能力。
风电运维船是海上风电运维的主要装备。国外海上风电运维过程中，专业运维船作为最重要的可达性装备被普遍应用到各海上风电场，由单体船、双体船以及三体船等船型组成。
国内海上风电刚刚起步，国内运维船处于起步阶段，目前使用的是普通运维船，主要由交通艇和渔船发展而来，近年以来逐渐出现简易功能的双体船。现有的运维船基本可以达到每年200天的出行天数，然而随着离岸距离加大，以及天气更加恶劣的南方区域海上风电的开发，出行天数将会降低。风电运维船专业化必将是未来的趋势。
根据发改委能源研究院的数据，结合BTM海上运维成本构成来推算，海上风电的运维成本占总成本的20%左右，运维船舶相关的费用又占了运维成本的20%左右。从现阶段的实际情况来看，国内在运维船上的投入是不足的，应进一步加大。然而这个情况正在变化，由于前期使用交通艇无法满足风电场需求，现已经开始建造更好的运维船，可是目前建造的运维船仍难以满足风电场的需求，而后会建造更好的专业运维船，这是一个循序渐进的过程。
到2020年，按开工建设规模1000万千瓦，累计并网容量500万千瓦，平均单机功率按5MW计算，我国开工建设规模约有2000台海上风力发电机组，累计并网约有1000台海上风力发电机组。按照每30台机组需要一艘专业运维船，再加上海上风电场开发区域不同和海上风电运维主体不同等因素，海上风电专业运维船的需求会近百艘。海上风电专业运维船也将是一个不可小觑的市场。
运维成本随运输距离增加
海上风电场运行维护需综合考虑离岸距离、气象海况、机组故障率，维护行为、发电能力、运维经济性等因素来进行运维船的配置。一般来说较大规模的风电场采用船队形式，包括不同形式的船舶，如交通艇、专业运维船、专业运维母船、救援监护船及其他专用工程船舶。
运维船配置的一般原则是：天气较好、离岸较近的采用普通运维船，天气复杂、离岸较近的采用先进的专业运维船，天气较好、离岸较远的采用普通运维船或专业运维船和运维母船，天气较复杂、离岸较远的采用专业运维船和运维母船。
影响运维船主要参数的环境因素主要包括，距离，水深，波高，风况等等。一般而言抗风能力超过抗浪能力，所以波高是更关键的因素。国内风电场主要集中在黄海北部，渤海湾，黄海，福建和广东等区域。各区域环境情况（见表1、表2）。
风电场距离 km 水深 m 平均风速 m/s 波高m 特殊天气 D
黄海北部
10～30 10～30 6.5～7.5 1.3～3.5 90
黄海
5～60 0.5～25 7～7.7 1.6～4.4 73.5
福建
5～30 3～30 8～10 1.0～4.5 134
广东
5～30 3～30 7～8 1.0～4.4 130
表1：各区域环境概况
风速m/s 黄海北部% 黄海（江苏）% 福建% 广东%
1 0.5 2 2.0 1.2
2 6 4 2.8 3.2
3 10.5 7 4.6 5.4
4 11 8.5 5.9 7.4
5 11.4 10.5 6.7 9.6
6 11 11.5 6.1 11.9
7 9.9 12.5 7.0 14.6
8 9 10.5 7.4 12.6
9 7.5 9 8.3 12.4
10 6.5 7 8.9 8.5
11 5 5.5 8.1 5.6
12 3.5 4.5 7.4 3.4
13 3 3 6.7 1.8
14 2.2 2 5.4 1.2
15及以上 3 2.5 12.8 1.3
表2：各区域风频分布
我们根据环境情况、运维船的航速、运维船环境适应能力等条件、机组数量、机组性能、运维能力等因素建立了一个可利用率的估算模型，通过该模型计算出来的某海上风电场的相关数据（见表3）。
单台年故障次数 专业运维船 普通运维船
3 98.16 97.44
4 97.43 96.42
5 96.61 95.28
6 95.59 93.86
7 94.37 92.15
8 93.11 90.4
9 91.74 88.49
10 90.05 86.13
11 88.15 83.48
12 86.48 81.17
表3：某海上风电场模型计算数据
从表3可以看出，机组单台年故障次数超过5次时采用普通运维船可利用率小于95%；如果采用专业运维船，单台年故障次数为5次时可利用率超过96%，当机组单台年故障次数3次，可利用率可以达到98%。
海上风电机组相对于陆上来说故障率更高，因为它们面临的是一个更加恶劣的环境、更高难度的维护方式等。随着海上风电的发展，海上风电场建设不得不需要转移到离岸更远的地方，更深的水域。由于这个变化，运维成本将会增加，同时面临更远的运输距离，更恶劣的气候条件和更严峻的物流挑战。为降低海上风电场运维成本及提高风电场可利用率，需要合理的规划海上风电场运维工作，针对不同的故障信息，选择最优维护方案。模型的建立需要考虑运维船配置、气候参数、风机具体故障、处理故障需要时长及人数等要素。图1是一个非常典型海上风电运维船配置和调度的模型。
图1：海上风电运维船配置和调度的模型
重点考虑气象、运维船模式、机组故障模型、相关费用来制定运维策略，建立模型进行分析，最终计算风场的发电量、故障时间及运维费用等，以综合收益最大来选择合适的运维策略。
创新海上风电运维模式
海上风电运维船作为海上风电运维重要的装备，它对我国海上风电的发展具有一定的影响。运维船智能调度是海上风电智能运维的必备条件，高效合理的船队配置和调度技术是降低海上运维成本，提高发电量的关键措施之一。在发展我们的海上风电运维船的过程中，我们应该借鉴国外成熟的经验，同时，我们还应该根据我国的实际情况来发展适用于特定环境、特定工作模式的海上风电运维船。
海上风电运维的目标是在全寿命周期内，降低运维成本，降低发电损失，提高风电机组的发电量，从而提高客户收益。海上风电运维与陆上风电运维最大的区别在于可达性差，造成的运维难度的加大和运维成本的提升。为了解决海上风电运维的难题，我们需要创新海上风电运维模式，围绕服务调度展开相关工作，从而形成全面的海上风电运维解决方案。
（曾佑清系重庆还装风电工程技术公司海上运维中心技术总监；闫中杰系盛东如东海上风力发电有限责任公司副总经理）
