国内外海上风电平台运维登靠系统概况

王鑫，崔亚昆，薛海波，尚勇志，马奇浩，姜正威，张旭升

国内外海上风电平台运维登靠系统概况

王鑫1，崔亚昆1，薛海波1，尚勇志1，马奇浩2，姜正威2，张旭升2

（1.上海雄程海洋工程股份有限公司，上海 201306；2.上海海事大学 商船学院，上海 201306）

世界各国海上风电产业迅猛发展，海上风力发电成为可再生能源开发的重要发展方向。随着海上风力发电机组不断的投入使用，海上运维船必然需要定期维护风力发电机组，并且运维服务范围呈现出从近海向远洋扩展的趋势。在海上运维作业中，海上登乘系统通常用于人员和设备的安全便捷转移。为了消除船舶外部环境引入的各种不稳定因素，国内外相继开发了多种用于海上运维的设备和船舶。对国内外不同风电运维设备以及登靠方式进行了详细论述。中国目前的运维船仍以顶靠登靠为主，在风电向远洋发展的大趋势下，亟待开发具有运动补偿功能的登靠装置或船舶。

海上风电平台；运维船；登靠系统；运动补偿

1 前言

大量化石资源在促进世界经济蓬勃发展的同时，也带来了诸多能源与环境问题。新型替代能源的发展已经成为各国关注的焦点，其中海上风电是重要的组成部分，其占世界可再生能源发电量的16%。2017年世界海上风力发电的总容量18.8 MW[1]。近年来中国海上风电装机容量呈递增趋势，据统计，中国海上风电累计装机容量为2 790 MW，同比增长71%[2]。海上风电市场的发展，需要配备更高效更安全的技术人员和货物转移的运维船及运维配套设施。虽然近海的海上风电场已经推动了运维船的广泛使用，但随着远洋海上风力发电场的进一步发展，需要引入更多的运维船和适合远洋的新的运维配套设施。但是，远洋的风力发电场为工作人员的维修与保养作业带来了额外的挑战。

考虑到风电运行和维护成本在能源成本中占比较大，所以开发适宜的、安全可靠的、服务范围广的运维船舶和系统就具有十分高的应用价值。

2 海上风电维护形式和作业频率

风电场的选址分为沿海和远洋，离岸越远，海况就越差，对于风电设备的运行维护要求就越高。一般来说，对于沿海（近岸）的风电设备，可以采用小型的运维船，以人员运输为主。随着风电场向远洋布置，运输过程占用时间增加，可能挤占风电设备的维护时间。所以针对远洋风电场的工程师和货物必须依托于的运维船来开展工作。除了采用船舶运输之外，也可以采用直升机进行人员等的登靠，尤其在时间较短或者海科及其恶劣的情况下。但是从目前来看，国内外对于风电平台的维护主要采用运维船或登靠船的形式。

风电平台的运行维护的关键因素是运维的成本和风电场的可作业性，而这两者恰恰又是相互制约的关系，所以如果期望获取最优的运维策略，就需要在二者之间找到权衡点。从目前国内外的研究来看，风电场每年的可作业频率在50%～70%[3]。春夏季可作业天数显著高于秋冬两季，但是作业频率也受到海况和波浪参数的影响。另外从风电系统设计的理念来看，也逐步从高可靠性向高可登靠性转变。所以增加风电平台的登靠性已经成为风电场可靠运行的关键环节，与之对应的运维登靠系统的研究开发就十分重要。

3 国外主要的海上风电运维方式

3.1 对接沿海风机爬梯的快速登靠方式

3.1.1 不带运动补偿系统的登靠船

对于近岸风电平台，采用小型船舶，直接顶靠风机基座爬梯，并与海上风机平台塔基相互接触，利用普通登乘装置登上海上风机平台，实现作业人员的转送。此类小型运维船舶具有性价比高、响应迅速的特点。一般此类船舶仅适用于在风浪变化小，天气状况良好的情况下作业。具有此类快速登靠装置的运维船如图1所示。船舶形式有单体船、双体船和三体船，应用的海浪波高可达3 m。但是这类登乘装置对船舶的运动补偿效果差，有一定的危险性，现在正在逐步被专业运维船或专业运维配套设施所取代。

图1 快速登靠的运维船

3.1.2 带运动补偿的运维登靠装置

为了延长风机平台运维的可作业时间，需要提高登靠装置的稳定性和安全性。对于沿海风电场来说，海况相对稳定。海浪波高较小的情况下，在无船舶动力定位的基础上，为了提高登靠的稳定性，可针对波浪引起的船舶运动设计补偿装置。一般采用若干个自由度的补偿舷梯系统来实现，此类装置或系统主要安装在船舶甲板上。国外著名的产品有Ampelmann公司的L形登靠系统（如图2所示）、Houlder公司的风机登靠系统、Autobrow公司的登靠系统等。

图2 Ampelmann公司的L型登靠系统

此类补偿舷梯主要针对运维船舶的横摇、纵摇、升沉三个自由度的运动，舷梯做伸缩、俯仰、转动等三维运动实现有效补偿，从而使工作人员及货物运输通过桥梯时更加安全可靠。此类运维船的设计主要针对沿海风电平台，所以小型化、可靠性好和性价比高是其设计特点。运输人员为主，也可实现小量的货物运输。

3.2 对接风机平台的登靠方式

从爬梯的登靠方式来看，其主要针对沿海风电场，无法满足远洋风电场服务的需求。同时更加恶劣的海科增加了作业工程师在登靠过程中的危险性，同时未补偿的船舶运动也会引起身体不适。针对这些问题，此类运维船舶的设计尺寸更大，配备了动力定位系统，同时引入不同形式的补偿系统，基本可以消除船舶和风机平台的相对运动。典型的产品有Ampelmann公司A和E型产品、Barge Master公司的产品、Kenz Figee集团的产品等。

Ampelmann公司A型系统是经典的六自由度运动补偿舷梯系统，如图3所示。其依靠安装在甲板上的六自由度液压补偿平台，对传感器提供的实时准确的船舶运动进行主动运动补偿，有效地消除所有运动。其系列产品中除了可以进行人员输送外，可以兼顾大型货物的转运。

Barge Master生产的海上换乘舷梯如图4所示，适用于船与风机平台之间的换乘。它是具有三自由度补偿的舷梯，可补偿3.5 m以内的有效波高，可有效提高风机平台的可作业频率。同时该海上换乘舷梯拥有吊运功能，可吊装2 t重的货物。

KENZ-FIGEE公司的风机平台登靠装置如图5所示，该装置在起重机的辅助下可以实现全自由度的主动运动补偿。登靠采用的典型着陆装置包括着陆锥和主动缓冲器两种。主动缓冲器通过两个小型液压缸对舷梯换乘点施加恒张力来使舷梯末端固定，可以提高着陆的准确性。

图3 Ampelmann公司A型带运动补偿的舷梯系统

图4 Barge Master的三自由度补偿的换乘舷梯

图5 KENZ-FIGEE公司的登靠装置

3.3 针对大型货物转运的起重设备

前面阐述的登靠设备主要实现人员的转运和一定量货物的运输。但是如果考虑到远洋风电场的需求以及风机功率的逐步增大，需要运维转运的货物重量就更大。传统起重设备叠加运动补偿功能后，就基本具备了风机平台维修所需的转运登靠功能，即将之前的舷梯替换为起重机。国外典型的产品有CargoSafe、Kenz、SMST等公司的海上起重机。

此类海上起重机具备多自由度的运动补偿，从而可以基本消除船舶运动的影响。由于补偿准确性取决于船舶运动测量的准确性，Kenz公司采用惯性导航系统进行船舶运动测量。另外海上起重机的使用，可适应的海浪波高也得到进一步提高，比如SMST公司的起重机可达4.5 m。起重机的型号不同，承载能力也不同的。考虑到海上登靠潜在的碰撞事故，CargoSafe公司的产品还加入了激光防碰撞系统、视频成像、手动和自动过载保护系统等。海上平台用大型起重设备如图6所示。

3.4 其他登靠方式和设备

3.4.1 吊篮换乘

使用海上起重机辅助吊篮进行风机平台的登靠。此起重机一般具有波浪补偿功能，安装在甲板上或风机平台上。为了保证人员和物资的安全，此吊篮的保护性框架具有抗冲击性和漂浮特性。需要运输的人员和物资通过起重机吊运，如图7所示。

图7 起重机辅助吊篮换乘

3.4.2 软梯登靠方式

借鉴对石油平台维护的登乘方式，该种登乘方式不泊靠海上风机平台，属于纯人工登乘方式。其主要特点是在风机平台上安装可远程控制的伸缩舷梯，维护人员通过舷梯或与舷梯相连的挂梯（或软梯）登靠风机平台，仅可实现人员的转移[4]。

该类型登乘方式适用于大型的海上发电机组平台，平台空间大，易于安装直梯或者可远程控制的伸缩舷梯。同时满足船舶可尾靠海域空间，但不泊靠不接触基座，如图8所示。

图8 伸缩软梯登靠换乘

3.4.3 直升机登靠风机平台

直升机可以在20 m/s风速下在风机涡轮机顶部的平台登靠。此类方式对于人员输送来说，具有安全稳定和快捷高效的特点，但是运送人数极为有限（3人左右），也可携带少量设备。

4 中国的海上风电运维船介绍

中国的海上风电开发主要集中在沿海省份，目前以近海风电场为主。根据2017年之前的统计数据来看[5]，运维船主要采用顶靠的方式来实现登靠。其中有些船舶加装了起重吊臂，可以实现货物的吊装。新建船舶也逐步引入了主动补偿登靠装置。另外从船舶船型的设计来看，逐步采用双体船和铝制材料，提高航速和稳定性。

2017年底的“广核1号”将大推力全回转导管舵桨应用于小型双体船，提高操控性能，能够低速精准地靠泊到风机基础；配备动力自动靠泊系统（DAP），实现船舶在各种海浪状况中的自动定位，能使船首与风机桩保持持续接触。“广核1号”运维船如图9所示。

图9 “广核1号”运维船

2018年下水的风电运维船“国海01”是全铝合金双体高速船舶。船艏配装Maxccess波浪补偿舷梯，航速可达25节。“国海01”运维船如图10所示。

5 结论与展望

从国内外风电运维设备和船舶的建造现状来看，中国风电平台运维设备的开发主要集中于运维船舶的设计。考虑到中国风电场的建设和分布现状，运维船舶主要服务于沿海地区的风电平台。采用平台基础爬梯登靠的方式，安装起重吊机完成货物转运的部分功能。新型的船舶逐步引入了补偿舷梯装置。总的来看，中国的风电运维船的设计充分考虑了运维船的经济性和维修响应速度。

图10 “国海01”运维船

国外风电的起步和发展较早，运维相关的问题也介入较早，所以在风电运维设备的开发和储备方面相对较为成熟，而且开发的技术产品种类也较多。其中Ampelmann公司在2008年就推出了多自由度补偿的登靠设备，而且进一步改进的设计也已经满足了远洋风电的需求。

与国外风电运维设备相比较，中国风电运维设备和船舶，运维船的建造基本落后国外5～10年，同时多自由度运动补偿的登靠设备在技术上仍存在较大的差距。如果直接从国外引进先进设备，目前的引进费用还比较高。所以亟需国内自主开发风机平台和海上平台的登靠系统。并且与运维相关的船舶设计与开发已经得到重点关注，其中“可伸缩式登船栈桥系统研制”也已经纳入《高技术船舶科研几乎项目指南（2016年版）》[6]。

从中国风电场的实际出发，各个海域的特点不同，福建海域受台风影响最为明显，所以不同海域服务的运维设备要求不一致，对于技术的要求存在差异。新的运维船舶的设计不能局限于沿海区域的现状，需要更具有前瞻性，向远洋风电场的更大服务范围辐射，紧跟甚至赶超国际水平，推进风电产业的进一步深度和广度发展。越来越可靠的风电场的运营，也必将推动中国能源格局的进一步变革，为新时期中国经济的发展注入新的活力。

［1］罗承先.世界海上风力发电现状［J］.中外能源，2019，24（2）：22-27.

［2］舟丹.全球海上风电发展趋势［J］.中外能源，2019，24（2）：98.

［3］高巍，周华.风电运维船登靠作业概率评估［J］.中国海洋平台，2018，33（6）：77-84.

［4］王建文.无人驻守平台登乘方式［J］.中国造船，2009（50）：71-74.

［5］陈钇西，柯逸思，张忠中，等.国内海上风电运维船发展现状及分析［J］.风能，2017（12）：40-44.

［6］徐佳.具有波浪补偿功能的海上换乘舷梯设计与仿真［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学机电工程学院，2018.

U674.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.023

2095－6835（2019）20－0055－04

王鑫（1991—），男，硕士，工程师，研究方向为船舶与海洋工程相关设备开发设计。

〔编辑：严丽琴〕