基于实例的海上风电运维母船运维策略评估分析.pdf

技术|Technology84 风能 Wind Energy 海上风电运维母船（SOV）为一般用于远海海上风电运维，供人员住宿、存放备件的较大型船舶，典型特征为可供 40 人以上住宿，具备一个月以上自持力，靠泊能力优异（有效波高 2.5m 以上），具备动力定位（DP）及补偿悬梯传送人员功能。由于海上风电运维母船具有优越性能，目前，该类船舶已被许多欧洲国家的风电场广泛应用，国内的船舶运营商也开始建造和投入运营，如，厦门船舶重工股份有限公司于 2022 年12 月完成和交付了国内首艘风电运维母船“润海 663”。但是，由于目前国内风电场运维还未进入良性循环，风电运维成本相对偏高，许多风电运营商无法承担风电运维母船高额的租金。为有效提升风电运维母船的经济性，降低远海风电开发成本和风险，需要制定出良好的风电运维母船运维策略和评估方法。本文通过分析风电运维母船的运营特点，结合具体运维案例，系统开展风电运维母船的运营策略和方案研究。SOV运营特点分析一、风电运维母船总体分析1早期海上风电行业使用的部分风电运维母船是基于来自海洋石油和天然气行业海洋石油支持船的改装船，并且永久或临时安装了波浪补偿梯。SOV 主要用于海上风电场的运维工作，其作业内容包括标准风电机组维保、风电机组的故障排除和维修，遥控潜水器、潜水员和海底勘测等辅助设备维护，海上变电站的日常工作，无人机勘测/基于摄像机的叶片检查，变压器更换，梯子清洁，为临时柴油发电机加油，给专业运维船 CTV 加油，装载备件等。SOV有时也用于海上风电场的安装阶段，特别是在电缆安装和风电机组调试期间。二、风电运维母船优缺点分析1.使用 SOV 进行海上风电场安装和运维的优点2基于实例的海上风电运维母船运维策略评估分析文|赵晓冬，韩露（1）自持力长与小型专业运维船 CTV 相比，SOV 的设计尺寸更大，配备动力定位系统，具有存放备品备件的能力，且具有较大油、水及生活物资存储舱室及较长的自持力。（2）波浪补偿栈桥 Walk2Walk（W2W）工作模式配备具有运动补偿功能的栈桥，基本消除了船舶和风电机组平台的相对运动，保证工作人员在登靠过程中可采用 Walk2Walk 工作模式，极大提高了作业的安全和舒适性。（3）舱室布置更合理SOV 舱室除按照相关法规和规范要求布置以外，为给运维人员、业主、船员等提供一个舒适的休息和工作环境，配置有工作区、休息区、餐厅和卫生间等设施。此外，还须适当考虑备品备件的仓储功能。（4）耐波性优良在大风浪恶劣环境条件下，为保障作业及运输过程的安全性，SOV 一般配备减摇水舱，良好的操纵和耐波性能可以更好地满足安全登靠要求，在 7 级风下可以进行靠泊作业，安全抗风能力达到 8 级。根据运维专用船舶顶靠及人员上下的特点，一般设有相应的防撞和缓冲设施，良好的耐波性能可以减少工作人员晕船引起的疲劳。（5）作业窗口期长SOV 一般驻守在海上风电场附近，减少了技术人员在风电场与港口基地之间的往返时间，从而增加了技术人员在风电机组上的作业窗口期。交接班期间，风电场和港口之间的通航一般安排在夜间，因此工作人员的工作时间不会减少。同时，SOV 运维人员可采取倒班制，减少了风电场运维的空窗期。为了进一步提高转运过程中的效率和安全性，许多新型 SOV 采用“无级”（Stepless）方法，即无需使用吊机将技术人员或小尺寸货物吊上（或吊下）风电机组平台，而1:Global wind energy council.Global wind statistics 2016 R.2:Wind europe.Wind in power 2016 europe statistics R.Technology|技术2023年第07期 85 3:刑作霞，陈雷，王超，等.欧洲海上风电场及其运行经验 J.可再生能源，2006（3）：27 31.4:吴佳梁，李成锋.海上风电发电技术 M.北京：化学工业出版社，2010：150 177.5:吴珊.发展海上风电的前景分析 J.科技与企业，2014（12）：169 170.可以通过补偿梯实现技术人员上下或用手推车/托盘转移小尺寸货物（200kg）上下风电机组平台。SOV 和运动补偿栈桥的集成，有效提高了人员和货物转运的效率。（6）可配置专业风电运维船 CTV 运营SOV 可作为母船，配备多艘 CTV 作为子船进行风电场的运维工作（图 1）。（7）运维人员数量多CTV 每次最多运送 12 名技术人员到海上风电场，而SOV 最多可容纳 60 名技术人员。2.使用 SOV 进行海上风电场安装和运维的缺点3（1）运营成本高SOV 比 CTV 的建造成本高很多，且 SOV 的日费率约为 CTV 的 810 倍。在风电场安装阶段，技术人员可以通过两班制（白班和夜班）“减半”SOV 的成本。但是在运维阶段技术人员通常只在白天工作。（2）航速慢SOV 在风电场中的运输速度非常慢（1012 节），尤其是在动力定位模式下航行时。在大型风电场中，SOV 在相距较远的风电机组之间行进需要较长时间。为解决这个问题并满足安全要求，一些 SOV 配备了 CTV 子船。然而，子船只能在天气好且波高不高于 2m 状态下工作。（3）需要专业码头由于 SOV 自身结构与工作特点，需要配备专门的深吃水码头进行停靠补给，无形之中增加了整体的运营成本。海上漂浮式风电运维策略案例分析4某海上漂浮式风电场水深超过 70m 且离岸 100km，由 66 台 15MW 的半潜式浮式风电机组组成，彼此之间的距离约为 2km。该风电场的布局如图 2 和图 3 所示。该风电场拥有两个升压站（每个海上升压站设计容量为 500MW）。风电场电力通过两条输出电缆连接到陆上集控中心。使用 CTV 抵达该风电场大约需要 2h，因此单纯使用 CTV 开展运维工作可能是不可行的。由于海上漂浮式风电机组安装数量有限，实际的可靠性数据缺乏，本次分析大多数故障率结果是从油气行业和其他研究领域推断得出。风电机组水下部件的故障率和更换成本见表 1。一、两种运维策略设定5当风电场离岸距离较远时，SOV 具备较强的比较优势。为了降低运维所需的航行时间，本次案例分析选取两种方案作对比，一种是海上运维基地（OMB），另一种是运维母船。图1 风电运维母船SOV+CTV图2 风电场总体位置水深/m图3 风电场风电机组布置升压站-20-40-60-80-100-120-140-160技术|Technology86 风能 Wind Energy 一个完整的海上运维基地应该包括住宿模块、全面服务基地和全面运营的海上直升机场（图 4）。运维平台可以单独设置，也可与海上升压站共用，可停靠 3 艘 CTV。SOV 主要包括住宿设施、具备 W2W 系统的登乘栈桥、备品备件平台以及用于子艇的收放系统。对于海上运维基地策略，假设运维船队配备 3 艘CTV，增大船队规模对风电场的可用率没有任何显著影响。目前的 CTV 可以在浪高为 1.22.5m 的海浪中运行，但是根据经验，由于晕船、安全问题以及离岸更远的陡浪等因素的影响，大多数 CTV 只能在 1.51.75m 浪高范围的海浪中运行。新一代 CTV 拥有更好的运动补偿系统和设计，可以在 2.5m 的海浪中转移人员。对于 SOV 运维策略，一艘 SOV 与一艘子艇共同使用，可容纳 40 名技术人员。增加 SOV 的数量不会对可用率产生显著影响，但会显著增加成本。由于 SOV 尺度、吃水显著大于 CTV，且采用动力定位和登乘栈桥技术，因而，技术人员转移的极限浪高可提升至 2.54.5m，通常 SOV 作业的极限浪高可以达到 33.5m，即 SOV 可以显著提升技术人员转移的极限浪高和安全性。二、运维策略评价结果采用运维成本、可利用率、碳排放三个指标对运维策6:张丽敏.海上风电发展期待政策优惠 N.中国经济时报，2015-09-25（13）.7:张蓓文.Horns Rev 海上风电场探析 J.华东电力，2006，34（6）：86 89.8:Global Wind Energy Council.Global wind report 2010R.略进行评价6。1成本和可利用率对于 OMB+CTV 的运维模式而言，由于 CTV 作业受到波浪的影响较大，即作业浪高极限值偏低，所以，会在许多海况偏于恶劣的情况下无法实施作业，利用率偏低，因而，即使 OMB 建设成本低，运维成本也将比 SOV 高。只有波浪高度常年在不超过 2.02.5m 的风电场，OMB 运维策略才具备一定优势。表 2 总结了模拟的总运维成本（包括固定成本、租船成本和人员成本），以及每个场景在所有年份产生的平均时间和风力可用率。数据只是为了比较运营成本 OPEX，不包括与建设 OMB 相关的成本7。由表可知，在不考虑 OMB建造成本的情况下，OMB 的运营成本低于 SOV，但时间可用率和风力可用率均低于 SOV。此外，需要充分考虑 OMB所处区域常年的浪高是否满足 CTV 的作业限值要求。2碳排放对于 SOV 运维策略，返回港口次数并不会明显影响成本，但会改变碳排放和可利用率；对于 OMB 运维策略，如果现场没有可用的部件，则直升机或船只运送部件将产生额外的费用和碳排放。本 次 模 拟 得 出 SOV 策 略 的 碳 排 放 为 1.96g/kWh，OMB 策略的碳排放为 1.3g/kWh，OMB 策略碳排放量比使用 SOV 的情况低 34%。虽然 SOV 策略碳排放结果比OMB 策略偏高，但建设 OMB 将导致基础成本和过程碳排放大幅增加，从而减小了两者差异，而且 SOV 运维策略在成本和能源方面具备很大优势。综上所述，针对海上浮式风电场来说，SOV 运维策略是最优选择。应用SOV的运维案例分析为了进一步说明 SOV 运维策略的优越性，以欧洲某海上风电场为例进行分析。该风电场在距离海岸 20 英里处部署 67 台 6MW 风电机组。一、运维方案选择8为 了 比 较 不 同 的 运 维 方 案，分 别 采 用 了 ECN 和MaintSys 模型，基于从 Statoil 和 Statkraft 共同所有的Sheringham Shoal 风电场获得的运营经验将评估模型和表1 风电机组水下部件的故障率和更换成本部件名称故障率/（次/件/年）费用/（英镑/件）混合系泊系统0.0017（/km）520000锚0.0001267900半潜式平台（结构疲劳）0.018-阵列电缆0.003（/km）-动态电缆0.003200000图4 海上运维基地示意Technology|技术2023年第07期 87 9:王毅，刘志鹏，王靖，等.东海海上风电场的运行管理实践与成果 J.电力与能源，2012（2）：59 61.10：张程程.龙源探路海上风电运维 J.能源，2014（10）：78 80.经济性相结合，同时，为了提升评估的有效性，特邀请一位 SES 专家对 CTV 等提出建议。二、SOV 运维方案的实施虽然 SOV 运维方案在 2014 年就被提出来，但本项目开始运营时并没有该运维方案的实际应用经验。SOV 设计过程中最重要的因素包括：（1）技术人员舒适性和娱乐设施；（2）工作区和娱乐区之间的分界线，包括机舱和技术人员住所之间的“安静甲板”；（3）W2W 系统；（4）船舶的航速要求；（5）用于风电运维的具有升沉补偿功能的吊机；（6）开敞式办公室；（7）能够在现场和靠泊大雅茅斯时的水深中工作；（8）在港口最大宽度要求范围内；（9）快速、可靠的互联网通信能力9。SOV 的设计可以轻松增加空气潜水、地震勘测和水下机器人（ROV）部署，从而扩大可执行的任务范围。有存放备件、工具和其他设备的受控区域。起重机和走道共同位于船中部区域，以便于备件和工具的有效装载。有一个集装箱备件概念，当船只返回大雅茅斯（Great Yarmouth）更换船员时，能够快速装卸。该船最多可容纳三个 40 英尺的集装箱。所有这些因素都影响了船只的布局，包括外甲板使用的选择以及居住区、起重机和步行上班系统的定位。运维团队从丹麦海洋工程船运营商 Esvagt 租赁了一艘SOV，同时将挪威国家石油公司油气方面的经验直接应用在 SOV 的技术规范中，大大提高了船舶的作业适用性。现场运维团队提出了运维新概念，考虑了船上将开展哪些工作、需要住宿的人员、何时以及如何使用该船等。SOV 将在风电场内停留两周，然后返回岸上，交接风电场工人并补充储备物资。该 SOV 可容纳 15 至 18 名风电机组技术人员、海事协调员和最多三名船检人员。项目团队对租赁的SOV 采用了灵活的包租安排，最初合同为期五年，可选择再延长五年。该团队打算利用第一个五年期来评估该船的实际用途及其性能。三、风险评估在 SOV 解决方案的开发过程中，该运维团队注意到了可能存在靠泊、人员伤害、高空坠物等风险，并制定了缓解方案。此外，船上有很大的患病风险，例如诺如病毒等。该团队认为这是服务/福利合同安排的一部分，并确保设计将疾病传播的风险降至最低，加上严格的清洁制度和“内务守则”，以确保良好的内务管理实践。信息技术接入中断可能会严重妨碍现场运营，但通过使用提供更强大互联网连接和通信设施的离岸通信枢纽10，这种情况得到了缓解。四、运维策略评估结果SOV 及其设施于 2016 年 8 月抵达现场，投入使用，至今已运维六年多，整体运维效率和安全保障性均较高，未出现事故和险情，获得运营商的认可。另外，SOV 的发动机设计具有很高的燃油效率，采用创新的柴油电力推进系统和 DC 动力系统，实现了优化的能效和舒适性。结语本文从海上风电运维母船运营特点及其作业性能出发，并结合实际案例，对 SOV 与单个 CTV 结合的运维策略可行性进行了评价和论证，最终确认，该种运维策略对各类海况的适应性更强，即浪高不超过 2.5m 时，可根据运维作业的需求采用 CTV 转运人员和物资，使运营成本降低。而在浪高超过 2.5m 的情况下，则可采用 SOV 实施运维作业，提升作业时效。在该种运营策略下，业主可以更密切地监控成本和收益，并且进行持续评估，总结经验教训，进而对 SOV 进行任何必要的改进。同时，可以结合风电场所处海域可用的天气和风电机组故障率信息，对运营策略进行优化。（作者单位：中海油田服务股份有限公司）表2 不同情景总运维成本对比运维成本/（英镑/kW）时间可用率/%风力可用率/%OMB 1.75m ERA546.2192.0689.64OMB 2.5m ERA546.6794.2292.77SOV 3.5m ERA549.0197.1297.18OMB 1.75m ERA-20C45.1392.4789.73OMB 2.5m ERA-20C44.6394.4392.74OMB 3.5m ERA-20C48.5797.3396.93