说出来你可能不信,欧洲这艘最先进大船竟是中国造

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 汪泽,清华大学机械工程系博士研究生

  随着人类环保需求的不断提高和化石能源的过度开发,风能这种清洁的可再生能源受到了广泛的关注,而经过多年的发展,陆上风电技术已经渐趋成熟,其存在的电力不稳定、发电能力饱和等问题也逐渐暴露出来。在这种情况下,人们就把目光转移到了风速平稳且不征用土地资源的海上风电场上。

  海上风机个个都是巨无霸,它们的重量达到几百吨,高度有几十层楼房那么高,要把这些大块头放置到海上,没有大型安装设备是不可能的。

  (一)安装完后不能随意移动,海上风机的布置至关重要

  海上风机要在强大而持久的风浪作用下屹立不倒,只有牢靠的基础,才能保证风机的正常运转。

  目前,世界范围内的风电场大多采用固定式的平台结构,具体可以根据不同的海床情况选择三角桩、拉线式、框架式、吸力式等不同的基础类型。

  除了固定式的基础之外,移动式的基础平台还处于概念设计及开发阶段,有了这种平台可以根据风力资源的变化情况调整风机的位置。

  既然目前的海上风机在安装完成后不能随意移动,那么风电场中风机的布置就至关重要。

  通常来说,在相同装机量的前提下,海上风电场的安装成本要比陆地上高出60%左右,这其中就有很大一部分来自铺设海底电缆的费用,而缩短机组之间的距离可以有效减小海底线缆的长度从而缩减费用。

  不过,为了防止各个风机转动所产生的相互之间的扰动,需要根据风电场所处位置的大气湍流计算出各风机之间的最小间距。

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  (风机按照圆周进行布置)

  通常来说,风场中风机按照圆周的方式进行布置能够有利于风机的安装维护及其他风电设施的布置。

  (二)海上风机安装,需要各种船只密切配合才能搞定

  家用的风力发电机使用起来相对简单,草原上的牧民经常使用,把叶片立起来就能发电了。

  建设海上风电场可并没有这么简单,而是有着明确的产业分工。除去风力发电机的生产制造过程,只是风机和基础设备的安装就包含多个环节,需要各类船只的紧密配合。

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  (海上风电安装示意图)

  首先要对风电资源进行评估并对风电场的建设进行合理的规划,这需要地质勘探船只对海上地理特征和潜在的风力资源进行勘探调查;

  确定好风电场建设位置后,需要利风电设施安装船只对基础、塔柱、风机和叶片进行安装;

  之后,起重船和铺缆船会安装变电塔并铺设海底电缆;

  在海上风电场实现并网发电之后,定期还要有多功能服务船对电场进行运营及维护;

  最后,当风电设备到达使用寿命之后,会有专门的船只进行拆除及拖运。

  可以说,海上风电场的建设和运营,就是一个各种专业船只明确分工密切配合的过程。

  (三)风电安装船种类多多,欧洲最先进安装船是中国造


  由于风场中不止有一台风机,能够自由行动于各个安装位置之间是对风电设备安装船的最基本要求,而为了保证安装精度,安装船还需要在海浪和海风的作用下保持相对稳定的姿态。

  随着海上风机功率的不断提高,对安装船和船上起吊装置的负重能力也有了更高的要求。随着海上风电技术的不断发展,风电安装船也出现了明显的技术迭代更新。

  起重船

  起重船可以看作是船只和起重机的结合,一般具有自航的能力,可以运输基础、风机和叶片并对其进行安装,可以算得上是安装船中的全能选手。

  由于具有自航功能,这一类船可以在不同风机位置间快速转移,操纵性好。不过没有固定桩腿作为支撑,起重船难以克服海风海浪对船身位置晃动的影响,因此极其依赖天气和波浪条件,不利于控制工期。

  在一些深海施工的条件下,桩腿支撑的方式也无法奏效,那就必须让重型起重船出马解决问题。

  坐底式风电安装船

  这类安装船依靠退潮的作用或者船身自带的压载系统将船体“坐”在近海的海床上,然后通过锚泊系统对船身位置进行固定,可以使得安装过程中船只如同陆地上的起重机一样安稳。

  不过,这样的工作模式也有着一定的局限性,比如严重受到作业水深的限制、位移速度慢,不利于处理突发情况、对船底强度要求高等,因此,这类安装船一般只适用于滩涂海域。

  自升式风电安装船

  相比于起重船而言,这类安装船上除了搭载起重机之外还有4-8个桩腿,在船只到达指定安装位置后,将桩腿插入海底进行平台固定,然后通过升降装置将船体整体提升到海平面之上或者部分露出水面,从而减小海浪对船只位置的影响,吊装过程稳定性好。

  目前,这类船只被广泛应用于海上风电设备的安装中,不过它不具备自航能力,需要由拖船拖行,导致其机动性能受限,在各个风机安装位置之间的移动时间较长。

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  (自升式风电安装船)

  自航自升式风电安装船

  这类船只兼具自升式安装船和起重船的优点,在自升平台的基础上增加了自航功能,弥补了传统自升平台机动性能的不足,可一次性装载多台风机,除了吊装的功能之外还能完成打桩的工作,是近海风电安装的首选。

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  (自航自升式风电安装船)

  介绍了这么多风电安装船,那么当前最先进的安装船在哪儿呢?目前,世界上最大的海上风电市场在欧洲,自然,最先进的风电安装船也是在这里工作的,不过,在巨大的海上风电产业链中也有中国制造的身影:日前欧洲最先进的海上风电施工安装船Orion正式下水,而她的制造者就是中国。

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  (中国制造的海上风电施工船Orion下水)

  Orion是超大型浮式起重船,长216.5米,宽49米,型深16.8米,航行吃水8.5米,操作吃水10.5米,设计航速14节,有效甲板载荷25370吨,预计2019年年底交付使用,其采用了DP3动态定位技术,配备一台起重能力为5000吨的全回转重吊,最大提升高度170米,能够有效在深度大于35米的深海进行作业。

  简单地理解,浮式起重船就是在船的甲板上安装一台起重机,这看似是一个简单粗暴的叠加,不过里面还是有许多门道才能满足海上风电设备的安装需求。

  (四)未来海上风电安装船:适用性更强安装效率更高

  在海上风电产业发展初期,并没有专门用于风电设施安装的船舶,而是大多由其他工程施工船只改造而来。

  随着海上风电产业的高速发展,装机数量和功率也在不断提升,新型的海上风电安装船也会应运而生,总体来说,未来的海上风电安装船有如下发展方向:

  逐渐增加适用水深,目前中国海上风电的开发水域主要集中在近岸和潮汐带,走向深蓝是未来的必然趋势;

  增大主吊的提升能力以满足大功率海上风机的装机需求;

  增大甲板的可利用面积和强度,增加装载风机设备的数量,提升安装效率;

  完善配套设施,为了配合深海大规模作业,完善船只功能,容纳更多工作人员并配备直升飞机起降甲板等。

  随着海上风电产业在全球范围内的高速发展,中国处于领先地位的船舶工业也必定会为海上风电这种清洁能源的大范围普及贡献自己的力量。

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  编辑| 史文慧

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