海上風(fēng)電安裝船技術(shù)發(fā)展趨勢及突圍路徑

田榮華

（中交第一航務(wù)工程局有限公司總承包工程分公司，天津 300461）

海上風(fēng)電安裝船是指將海上風(fēng)機運輸至相應(yīng)的海上風(fēng)電場進行安裝的運輸及安裝工具，此類工具中往往有一定的定位設(shè)備和起重設(shè)備，以滿足不同情況下海上風(fēng)電項目的施工需求[1]。基于對運輸和安裝效率、安全性、性能和穩(wěn)定性等多方位的要求，還應(yīng)從強承載力、大甲板可使用面積、船只功能性拓展、不同工程下船只的普遍適用性與成本控制等方面出發(fā)，進一步優(yōu)化與發(fā)展風(fēng)電安裝船技術(shù)[2]。

1 海上風(fēng)電安裝船技術(shù)的基本特點與重要意義

1.1 提升海上風(fēng)機運輸與安裝效率

海上風(fēng)機運輸與安裝是海上風(fēng)電項目有效開展的重要環(huán)節(jié)。隨著海上風(fēng)電項目進入深遠海，海上風(fēng)電安裝船技術(shù)的發(fā)展和適配應(yīng)用都需要逐步加快。海上風(fēng)機的運輸與安裝效率，可以結(jié)合不同的海情及時運輸?shù)斤L(fēng)場進行適配安裝，讓安裝人員根據(jù)運輸船所配備的相關(guān)設(shè)備進行高效率安裝、維修與保養(yǎng)，從而保障項目的初期施工和長期維護[3]。

1.2 為海上風(fēng)電項目發(fā)展提供多元化可能

海上風(fēng)電項目在實際發(fā)展過程中除了風(fēng)機運輸、安裝外，還包括周邊環(huán)境的實時監(jiān)測以及其他基礎(chǔ)性設(shè)施的建設(shè)等方面。海上風(fēng)電安裝船技術(shù)的逐步發(fā)展，不僅可以在實際完成海上風(fēng)電項目時為工作人員提供更多便利，還可以進一步豐富項目功能，真正讓海上風(fēng)電發(fā)展多元化，打破現(xiàn)有條件的約束，從而得到更深層次的發(fā)展和突破[4]。

1.3 強化海上風(fēng)力資源的深度挖掘

海上風(fēng)電安裝船技術(shù)的進一步發(fā)展與革新，意味著可以結(jié)合不同海情挖掘更為廣闊海域的風(fēng)力資源。結(jié)合安裝船可駛?cè)氲牡攸c和安裝作業(yè)開展的相關(guān)保護措施進行綜合考量，讓更多海域項目的實施成為可能，進一步強化與實現(xiàn)海上風(fēng)力資源的深度挖掘。技術(shù)是決定工程項目發(fā)展上限的關(guān)鍵內(nèi)容，除了安裝船的相關(guān)技術(shù)革新外，風(fēng)機的具體研發(fā)、海上風(fēng)電建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的進一步優(yōu)化等都對海上風(fēng)力資源的深度挖掘具有積極意義。

2 海上風(fēng)電安裝船技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 產(chǎn)品設(shè)計與制造缺乏溝通

目前，安裝船技術(shù)發(fā)展過程中，產(chǎn)品設(shè)計與制造存在一定程度的溝通缺失。從已建成的風(fēng)電安裝船來看，很多船型設(shè)計是根據(jù)沿海或近海航區(qū)小兆瓦風(fēng)機擬實施的。但是，隨著我國海上風(fēng)電建設(shè)的迅猛發(fā)展，施工海域邁向深遠海，風(fēng)機也向著大兆瓦主機發(fā)展，這意味著在現(xiàn)有的風(fēng)電安裝船中，有很大一部分無法滿足我國海上風(fēng)電未來的發(fā)展趨勢[5]。由于安裝船的技術(shù)發(fā)展未能跟上海上風(fēng)電技術(shù)研發(fā)的步伐，近年來國內(nèi)海上風(fēng)電安裝船面臨出廠即需返廠改造的情況，以適應(yīng)新項目中施工海域離岸更遠、水深更深、吊重需求更大的要求。在安裝船實際應(yīng)用過程中，出現(xiàn)部分技術(shù)不夠完善、功能性體現(xiàn)不夠全面等情況，造成相應(yīng)成本增加[6]。

2.2 船只數(shù)量存在需求缺口

海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度迅猛，存在多個項目共用海上風(fēng)電安裝船的情況。目前海上風(fēng)電安裝船的數(shù)量、技術(shù)性能已經(jīng)很難滿足我國海上風(fēng)電施工項目的實際使用需求，在后續(xù)的維修及檢查過程中，風(fēng)電安裝船的實際應(yīng)用需要通過一定的合作與商議實現(xiàn)[7]。同時，在船只數(shù)量上仍然存在一定的需求缺口，這是因為風(fēng)電安裝船受到各項技術(shù)參數(shù)的限制，很難在未來深遠海海域、大兆瓦主機吊裝的需求下進行使用，而且使用局限性較強。

2.3 跨領(lǐng)域合作交流不足

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，機械設(shè)備在其他領(lǐng)域的應(yīng)用融合也屢見不鮮。但是，海上風(fēng)電安裝船在實際安裝過程中，由于兼顧保密性和功能性等原因，跨領(lǐng)域合作相對有限，這使得風(fēng)電安裝船在技術(shù)研發(fā)和功能開發(fā)與實現(xiàn)過程中很難與其他領(lǐng)域優(yōu)勢相結(jié)合，使得安裝船為項目提供的幫助存在維度限制。

3 海上風(fēng)電安裝船技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 適應(yīng)條件寬容化

海上風(fēng)電安裝船為了滿足不同情況下的使用要求，讓更多的項目能夠應(yīng)用同一安裝船進行作業(yè)，需要進一步調(diào)整海上風(fēng)電建設(shè)過程中安裝船的適用水深。通過優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)、提升船身可承載的側(cè)面壓力以及有效選擇所用材料，使得安裝船除了適應(yīng)淺水區(qū)的作業(yè)外，還能夠開展深海區(qū)域的風(fēng)電項目，讓更多海域的海上風(fēng)力資源得到有效利用，為可再生能源的開發(fā)和技術(shù)發(fā)展提供良好的先決條件[8]。我國海上風(fēng)電正逐漸走向深遠海，截至2022 年12 月，已有82 個平價海上風(fēng)電項目共計51 GW 穩(wěn)步推進中。這些平價海上風(fēng)電項目離岸距離在2.6 ～120 km，水深范圍在5 ～90 m。從離岸距離看，這些海上風(fēng)電項目有近1/2超過30 km。從水深角度看，這些海上風(fēng)電項目有近1/2 超過30 m。從省份角度看，這些平價海上風(fēng)電項目中，江蘇省項目離岸距離均超過30 km，廣東省項目水深大部分在30 m 以上，遼寧省項目離岸距離在30 km 左右，海南省水深大部分超過30 m，離岸距離超過30 km[2]。未來風(fēng)電場的適用水深范圍將進一步擴大，這意味著海上風(fēng)電安裝船需要滿足更大范圍的作業(yè)水深。

在現(xiàn)有投入使用的風(fēng)電安裝船中，以啟東中遠海運為比利時海上風(fēng)電巨頭Jan De Nul 集團建造的“Voltaire”號最為領(lǐng)先?！癡oltaire”號船長181 m、船寬60 m、型深14.6 m、樁腿高度131.94 m，主吊起重能力3 200 t，項目設(shè)計4 條樁腿，配備DP2 動力定位系統(tǒng)，適用于18 ～20 MW 海上風(fēng)機安裝。項目甲板有效載荷約14 000 t，生活區(qū)可容納110人居住，可在80 m 以下水深內(nèi)進行作業(yè)[9]。該自升式起重機專為運輸、吊裝和安裝下一代海上風(fēng)機、過渡件和基礎(chǔ)而設(shè)計。

相較于初代海上風(fēng)電安裝船，當(dāng)前的安裝船進行了相應(yīng)優(yōu)化，在采用自升式船型的同時，將船只長度控制在50 ～200 m。通過裝配式技術(shù)的引用和可升降裝載量的實際調(diào)整，讓海上風(fēng)電安裝船的適用條件更加寬容，這也是未來海上風(fēng)電安裝船技術(shù)發(fā)展的一大趨勢。

3.2 承載能力更強與甲板面積擴大

海上風(fēng)機需要占用的體積相對較大，而且在實際風(fēng)機設(shè)計與運輸過程中需考慮運輸安全性、穩(wěn)定性以及在主甲板上進行操作時的可調(diào)整性等，主甲板的面積應(yīng)得到進一步的擴大，才能滿足多樣化的設(shè)備運輸和安裝需求。因此，在安裝船設(shè)計與技術(shù)開發(fā)過程中應(yīng)合理增大主甲板的可利用面積，同時提升主甲板的綜合承載力，提高安裝船可運輸?shù)娘L(fēng)機設(shè)備種類和數(shù)量，讓工作人員能夠在更寬大的主甲板上進行較高自由度的工作實施，進一步提高風(fēng)機設(shè)備運輸與安裝過程中的容錯率。例如，“Voltaire”風(fēng)電安裝船的甲板有效載荷約14 000 t，可以有效增加海上風(fēng)電安裝船所能承載的海上風(fēng)機數(shù)量，也可以讓海上風(fēng)機的研發(fā)與制作有更大的調(diào)整空間。

3.3 應(yīng)急技術(shù)的優(yōu)化與發(fā)展

海上風(fēng)電運輸船在實際作業(yè)過程中，基于船只狀態(tài)和周邊海域綜合情況的變化，需要合理應(yīng)對多類緊急情況，如船只碰撞后的緊急修復(fù)、海上風(fēng)機的緊急轉(zhuǎn)移和遇險保存、船上工作人員的緊急逃生與疏散等，這些都是應(yīng)急技術(shù)優(yōu)化與發(fā)展的考慮方向。只有充分優(yōu)化海上風(fēng)電安裝船應(yīng)急技術(shù)，才能為海上風(fēng)電項目施工人員的人身安全提供更加良好的保障，進一步降低海上風(fēng)電項目實施時的風(fēng)險，從而將緊急情況下造成的損失降至最低。

4 海上風(fēng)電安裝船技術(shù)突圍路徑

4.1 強化技術(shù)交流與合作

海上風(fēng)電安裝船在實際使用過程中會涉及不同領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)要點探討，而其中的技術(shù)瓶頸也需要通過更為合理的分析予以突破。例如，目前常見的海上風(fēng)電安裝船適用水域僅能達到60 m，在可抵抗壓力和風(fēng)險因素等方面的考慮還不夠深刻。相關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以與其他國家的企業(yè)進行信息分享與交流，通過技術(shù)合作，使得風(fēng)電安裝船的制造和使用能夠符合不斷發(fā)展的新能源開發(fā)與使用的時代性要求。通過增進交流與互信，為海上風(fēng)電項目的長期發(fā)展與可再生能源的深度挖掘奠定良好基礎(chǔ)[10]。

4.2 實現(xiàn)跨領(lǐng)域技術(shù)融合

為了真正實現(xiàn)海上風(fēng)電安裝船技術(shù)的突破與發(fā)展，要結(jié)合其他領(lǐng)域的技術(shù)進一步豐富安裝船的功能。通過有效手段提升主甲板的承載力和可利用面積后，對于生活區(qū)域的具體劃分與結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用人工智能技術(shù)提升海上風(fēng)電安裝船的條件監(jiān)測與信息交互，以大數(shù)據(jù)技術(shù)對當(dāng)前情況進行風(fēng)險評估。另外，航行時間的預(yù)測等可以在一定程度上提高海上風(fēng)電安裝船的工作效率，為海上風(fēng)電項目的持續(xù)開展提供良好保障。只有真正融合多領(lǐng)域技術(shù)，通過多維度進行考量，實現(xiàn)功能更為豐富、運輸及安裝效率更高的海上風(fēng)電安裝船研發(fā)，才能真正讓更多的海上風(fēng)電項目構(gòu)想成為可能[11]。

4.3 實現(xiàn)海上風(fēng)電安裝船研發(fā)和使用的規(guī)范化管理

海上風(fēng)電安裝船實際研發(fā)和使用過程中，往往需要通過嚴格的參數(shù)和具體的使用驗證才能夠滿足不同的使用要求，使得使用中的安全性和功能性得到更為良好的保證。在“十四五”規(guī)劃中，對于可再生能源的發(fā)展規(guī)劃也涉及海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的相關(guān)內(nèi)容。但是，我國海上風(fēng)電安裝船的實際設(shè)計、制造與使用還缺乏相關(guān)的可執(zhí)行規(guī)范，在實際操作和應(yīng)用中，會使得人員在進行海上風(fēng)電安裝船的具體使用、日常維修和緊急情況處理時缺乏可參照性的具體內(nèi)容，因此需要對海上風(fēng)電安裝船的研發(fā)和使用進行規(guī)范化管理，制定具有普遍使用意義的規(guī)范和標(biāo)準，使得海上風(fēng)電安裝船的實際研發(fā)和使用能夠更具有目的性和針對性[12]。

5 結(jié)語

海上風(fēng)電安裝船作為海上風(fēng)電項目具體實施過程中的關(guān)鍵設(shè)備，對于提升海上工作人員效率、海上風(fēng)機運輸和安裝效果都具有一定的促進意義。海上風(fēng)電安裝船的技術(shù)發(fā)展與跨領(lǐng)域的技術(shù)融合，可以使海上風(fēng)電安裝船滿足工程項目的更多需求，真正打破傳統(tǒng)意義上風(fēng)電安裝開展的條件限制，以更加規(guī)范合理的方式進行海上風(fēng)機安裝作業(yè)，為海上風(fēng)力資源利用為代表的可再生能源的開發(fā)與利用提供更多可能。