為找到問題的答案，“海上風電船舶前沿技術(shù)研討會”近日在汕頭召開。會議之所以選擇在汕頭舉行，是由于該市正在通過加強產(chǎn)業(yè)協(xié)同，打造汕頭國際風電創(chuàng)新港，建成全球首個在一個產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)，聚集從風電整機與關(guān)鍵零部件，到檢驗檢測實驗室和大型科研裝置等完整產(chǎn)業(yè)鏈的“四個一體化”的風電產(chǎn)業(yè)集群。汕頭也正在依托廣澳深水港，建設功能齊全的風電母港，成為面向全球的海上風電裝備及服務出口、運維、施工建設基地的“橋頭堡”。并且，汕頭將進一步拓展海上風電生態(tài)圈，延伸價值鏈，謀劃布局海工裝備制造產(chǎn)業(yè)園、新型儲能裝備制造產(chǎn)業(yè)園、新型輸配電裝備制造產(chǎn)業(yè)園及相關(guān)實驗與檢測中心，并打造國字號工程施工企業(yè)和船隊。
這次會議引起了全球海上風電產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。來自全球海上風電工程技術(shù)與船舶等相關(guān)領(lǐng)域的專家，在會議中進行了充分交流，闡述對未來海上風電船舶發(fā)展問題的觀點。
基礎(chǔ)安裝方案存在明顯差異
基礎(chǔ)安裝、機組吊裝、機組運維是海上風電開發(fā)過程中，專業(yè)船舶大顯身手的三大關(guān)鍵環(huán)節(jié)。尤其是在風電機組的基礎(chǔ)安裝環(huán)節(jié)，因國內(nèi)外市場需求、工程技術(shù)與海域環(huán)境差異，產(chǎn)生了多樣的工程技術(shù)方案，需采用截然不同的施工船舶。
在海上風電項目規(guī)?；_發(fā)之初，我國不僅缺乏風電安裝船，也沒有可用于安裝單樁基礎(chǔ)的高能量液壓錘，為充分利用港口工程行業(yè)已有的打樁船和混凝土船作為基礎(chǔ)安裝主力船舶，不得不通過自主創(chuàng)新，創(chuàng)造出了多樁承臺基礎(chǔ)。
“打樁船可從各個方向打斜樁，形成群樁基礎(chǔ)?；炷链脕戆韬匣炷?，并泵送向承臺。”中交第三航務工程局有限公司副總經(jīng)理王曉冉解釋。
可以說，作為我國風電產(chǎn)業(yè)為突破技術(shù)與裝備困境所創(chuàng)造的智慧結(jié)晶，多樁承臺基礎(chǔ)與打樁船的結(jié)合，在海上風電開發(fā)的初期階段立下了汗馬功勞。截至目前，我國共有7艘海上風電打樁船實現(xiàn)投運。但隨著機組向大型化，場址向深遠海發(fā)展，多樁承臺基礎(chǔ)已難以滿足海上風電開發(fā)需求，打樁船也在逐漸退出風電機組基礎(chǔ)安裝船舶市場。
與中國的選擇所不同，歐洲的海上風電工程技術(shù)與船舶供給起點更高，一直傾向采用“單樁基礎(chǔ)+自升式風電平臺船+運裝一體”的基礎(chǔ)安裝方案。隨著市場不斷發(fā)展，單樁基礎(chǔ)已逐漸成為我國應用最多的基礎(chǔ)形式，但主要采用“單樁基礎(chǔ)+起重船+運裝分離”的工程方案。
在王曉冉看來，這是具有必然性的。“起重船無需頻繁插拔腿作業(yè)，并且采用穩(wěn)樁平臺進行大直徑單樁施工，可使起重船的運動與沉樁質(zhì)量充分解耦，實現(xiàn)無過渡段設計。此外，還可以有效利用一批造價并不高昂的拔桿式起重船，極大提高施工效率。”
“在2021年的海上機組安裝高峰時，因為建設成本與施工周期相對可控，單樁基礎(chǔ)被發(fā)揮到極致。但隨著機組容量達到10MW，項目水深超過40m，單樁基礎(chǔ)將不再具備市場優(yōu)勢。未來深遠海主流基礎(chǔ)形式將是導管架。”中鐵大橋局新能源工程指揮部總工程師、教授級高工孫國光的觀點與大多數(shù)專家的判斷相一致。
荷曲斯機械設備(上海)有限公司銷售經(jīng)理馬小明則帶來了另一種思路。他認為，制造與運輸單樁基礎(chǔ)的成本將越來越低，一些業(yè)主與設計院仍將采用超大型單樁基礎(chǔ)。高效安裝超大型單樁基礎(chǔ)，需要更強的設備。目前歐洲已生產(chǎn)出6600kJ液壓打樁錘，我國部署的液壓打樁錘在1000~3600kJ，不久后將部署超過5500kJ的液壓打樁錘。
事實上，無論是采用哪一類基礎(chǔ)形式，起重船在我國海上風電基礎(chǔ)安裝環(huán)節(jié)的重要作用在短期都是無法替代的。因為國內(nèi)外對于普通導管架基礎(chǔ)與單樁基礎(chǔ)的施工方案基本保持了延續(xù)性。隨著水深增加，一些項目需要采用重量更大的吸力桶-導管架基礎(chǔ)，這要求起重船具備更強的起重能力。
據(jù)CWEA研究數(shù)據(jù)顯示，全球現(xiàn)役的起重船約有109艘，但每年新增的起重船數(shù)量并不多，這是由于老舊的起重船起重能力差、作業(yè)效率低，正被逐漸替代。這些新增的起重船大部分訂單來自于中國。
王曉冉也表達了一致的觀點。他認為，目前我國可用于海上風電建設的起重船數(shù)量近100艘，但整體性能一般。一是起重能力較大的船舶數(shù)量很少;二是大部分為駁船，無動力，耐波性差;三是固定吊多，具備全回轉(zhuǎn)能力的船舶較少。
表1：海上固定式風電機組主流工程技術(shù)方案
超大容量機組吊裝船舶稀缺
2007—2008年，龍源如東海上(潮間帶)試驗風電場和上海東海大橋100MW海上風電示范項目的相繼批復，推動我國海上風電進入試驗示范階段。由于兩者所處海域水深有著本質(zhì)差異，機組吊裝方案與船舶的選擇大相徑庭。
“在潮間帶風電場我們使用的是坐灘分體吊裝方案，最初的坐底安裝船采用駁船，之后發(fā)展到坐底浮吊船、坐底半淺駁以及坐底重吊船。”金風科技海上業(yè)務單元海上服務事業(yè)部副經(jīng)理、金風海洋設備資產(chǎn)管理部部長嚴輝煌介紹。
之所以采用坐底安裝船進行潮間帶項目機組安裝，是因為此類海域水深較淺，并且當時我國缺乏自升式風電安裝船。這種機組吊裝方式，也是我國在海上風電工程技術(shù)上不折不扣的創(chuàng)新成果，一直沿用至2021年前后。
在水深更深的上海東海大橋示范項目中，我國采用的是“運裝分離+整體安裝+雙拔桿起重船”方案，先在陸上完成機組組裝，再通過運輸船運送至機位點，由雙拔桿起重船結(jié)合柔性緩沖和定位工裝將機組安裝到多樁承臺基礎(chǔ)上。正是從這時起，運裝分離的施工方式，成為具有中國特色并沿用至今的主流選擇。
“此后，基于運裝分離的機組整體安裝方式被沿用到9個風電場，共安裝了257臺機組，最快只用47h就完成了4臺機組的整體安裝。無論是數(shù)量還是速度，均創(chuàng)造了全球第一。”王曉冉列舉了一系列數(shù)據(jù)。
據(jù)介紹，目前我國共有7艘船舶具備整體安裝施工能力，但大容量機組在整體安裝時存在結(jié)構(gòu)干涉，且受制于陸上拼裝場地不足、成本下降空間不大、開場外海作業(yè)窗口有限等問題，傳統(tǒng)整體安裝方式已不容樂觀。此后，我國海上機組的安裝工作，越來越多地采用了“運裝分離+分體安裝+自升式風電安裝船”方案。
“2012年后國內(nèi)出現(xiàn)了第一艘?guī)е鹊娘L電安裝船，今天叫做‘華電1001’號，標志著我國風電安裝船進入專業(yè)化發(fā)展時代。隨著機組迭代，2017年自升式風電安裝船進行了一輪更新，20多條新造船舶服役，代表是‘福船三峽’號。之后服役的‘龍源振華3號’，則是第一艘兼具基礎(chǔ)安裝與機組吊裝能力的安裝船。近兩年海上機組開始了新一輪升級，安裝船隨之出現(xiàn)一波建造高潮，代表有‘白鶴灘號’。”嚴輝煌舉例。
現(xiàn)今，我國自升式風電安裝船正處在快速增長階段，新建船舶起重能力普遍超過1000t，最高達到2000t，并基本都配有先進的動力定位系統(tǒng)。
“自2023年8月開始，國內(nèi)市場將陸續(xù)出現(xiàn)一批能夠吊裝單機容量25MW、風輪直徑320米以上的風電船。”嚴輝煌給出一組數(shù)據(jù)：“國內(nèi)存量和新造的安裝船累計達到104艘。”
對此，中國工程院院士、中國中鐵首席科學家、中鐵大橋院首席專家、橋梁智能與綠色建造全國重點實驗室主任高宗余指出，為應對水深越來越深，單機容量越來越大，中鐵大橋局順勢而上，充分發(fā)揮跨海橋梁建造技術(shù)的深厚積累，投資10多億元，打造一艘最大吊重2000t的新一代風電安裝平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)在70m作業(yè)水深條件下，安裝25MW機組的能力。
中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計信息部主任鄭一銘坦言，“自2014年國際原油價格大幅下跌后，海洋工程船舶市場斷崖式下降，全年訂單不超過100億美元。2020年海工船舶訂單開始回升，到2022年全球風電安裝船訂單達到26艘，其中中國船東有21艘。應該說，在過去的3年中，全球海工船舶市場都是由海上風電所驅(qū)動的。”
據(jù)CWEA的一項報告分析，2022—2024年期間服役和在建的風電安裝船基本可滿足海上機組吊裝需求。但隨著未來大容量機組陸續(xù)推出，“十五五”期間我國海上風電吊裝船將開始出現(xiàn)缺口，到2030年預計達到16艘。
隨著海上風電開發(fā)向深遠海挺進，我國傳統(tǒng)運裝分離施工方式開始面臨新的挑戰(zhàn)。例如，深遠海強涌浪環(huán)境和淤泥黏土層厚度等問題，將影響到船舶安全與相互之間的配合。因此王曉冉綜合考慮工程建設的經(jīng)濟性與在建船舶資源判斷，今后一段時期我國將呈現(xiàn)運裝分離與運裝一體并行發(fā)展的局面，并最終可能走向運裝一體。
“深遠海風浪、水文條件比較惡劣，將更需要工程能力強的一體化船舶。”克拉克森海工專家邱東杰也給出了相似觀點。對于未來需要什么樣的安裝船，邱東杰認為：第一，樁腿要為整個安裝船提供有利支撐;第二，吊機能夠吊得更高、更重，滿足大型化機組吊裝要求;第三，甲板面積應盡量大一些，減少運輸成本并提高安裝效率。
表2：中國起重能力在800t以上的機組安裝船\平臺
運維母船成為新市場增長點
在邱東杰看來，運維轉(zhuǎn)運船(CTV)和運維母船(SOV)能實現(xiàn)完美結(jié)合，根據(jù)風電場距離與規(guī)模進行協(xié)調(diào)配合，將恰當?shù)倪\維人員，在不同的季節(jié)中，運送至各異的風電場進行機組運維工作。兩者可滿足項目運維工作中的絕大多數(shù)通達需求。
我國海上風電規(guī)模化開發(fā)之初，項目離岸距離近、規(guī)模小，運維工作基本采用的是小型舢板作運維轉(zhuǎn)運船，通過手搖柴油機提供動力，長度基本在10m左右，這可稱之為第一代風電運維船。隨著江蘇潮間帶風電以及福建、廣東海灣內(nèi)風電的大規(guī)模開發(fā)，運維轉(zhuǎn)運船逐漸演變?yōu)橛山煌ㄍЩ驖O船改裝的單體運維船，長度達到了20m，航速接近10節(jié)，可稱之為第二代風電運維船。近年來，隨著海上風電開發(fā)區(qū)域的變化，福建、廣東、山東等近海海域風電裝機量快速增長，離岸越來越遠，海水越來越深，對運維轉(zhuǎn)運船提出了更專業(yè)化的要求，被譽為第三代運維船的雙體運維轉(zhuǎn)運船逐漸成為主流。
據(jù)專業(yè)機構(gòu)統(tǒng)計，目前我國共有170余艘運維轉(zhuǎn)運船，除去備用與維修船只，平均每艘必須服務40臺機組。而在國際市場中，一艘運維轉(zhuǎn)運船對應服務的機組數(shù)量僅為20臺。
據(jù)克拉克森數(shù)據(jù)顯示，全球(未含中國)20m以上在船級社入級的運維轉(zhuǎn)運船有300余艘，約80%服務北歐市場。
“歐洲的海上風電項目離岸距離越來越遠，對運維人員的數(shù)量要求越來越多，CTV的乘客人數(shù)正從12名向24名過渡，對船舶長度與動力等方面的需求在增加。”邱東杰認為。
那么，海上風電項目運維對運維轉(zhuǎn)運船與運維母船之間的需求邊界在哪里?烏斯坦公司中國區(qū)副總裁杜可在會議中給出了答案：“歐洲的經(jīng)驗是，如果一個項目的機組超過了100臺，離岸距離超過30海里，可能就需要運維母船來提供全生命周期的服務。”
上海電氣風電集團股份有限公司SOV技術(shù)總監(jiān)王圣品談到：“目前歐洲實際情況是離岸50km以外的海上風電場均采用了SOV，離岸距離在30~50km的項目正在采用SOV替代傳統(tǒng)CTV運維。”
王圣品以荷蘭某項目舉例：該項目共裝有150臺4MW風電機組，僅用一條類似于載客量100人的運維母船就能滿足全部運維工作需要。在特殊情況下，需要配置1~2條運維轉(zhuǎn)運船輔助作業(yè)。
據(jù)了解，目前全球運維母船的來源分為三種：一是專業(yè)化定制;二是由海工輔助船(PSV)通過加裝登乘棧橋等設施改造而成;三是臨時性改造與租用。其中，前兩類將成為日后中國風電運維母船市場的主流選擇。
有數(shù)據(jù)顯示，截至2022年年底，全球投運的運維母船達到了32艘。另據(jù)鄭一銘介紹，2022年全球共簽約運維母船24艘。
對于未來中國需要多少運維母船，杜可表達了自己的觀點。他相信江蘇與廣東海域都是未來工程運維母船(CSOV)需要重點服務的領(lǐng)域，“所以我們對中國運維母船的潛在需求非常抱有信心，估計在未來10年，需要有超過30艘運維母船。”
挪威創(chuàng)新署綠色海事中國項目負責人倪凱安認為，需求和供應永遠沒有終點，此類船舶的建造速度已非常之快，可制造成本在不斷增加。因此在進行船舶投資以前，必須考慮好其退役后進入二手市場的潛力。提高船舶設計靈活性，在設計之初就做到盡可能先進。
“我們能看到市場缺少什么樣的資源，卡在哪些地方。”邱東杰坦言，“風電產(chǎn)品的港口儲運需要專業(yè)的機械、設備和基礎(chǔ)設施，對地面強度要求也比較高。在這方面，汕頭對國際風電創(chuàng)新港及其風電母港的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃是一個很好的范例，且已在開展相關(guān)工作。包括為廣東甚至更大范圍的海上風電運維提供SOV與CTV?？糠?，甚至支持大部件更換工作，將解決很大的問題。”
