我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)綜述

嚴(yán)新榮，張寧寧，馬奎超，魏超，楊帥，潘彬彬

（1.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江省 杭州市 310007；2.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江省 杭州市 310015；3.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

作為世界上最大的能源消費(fèi)國(guó)，我國(guó)正積極采取多項(xiàng)措施，推動(dòng)新能源行業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)[1-2]。我國(guó)陸上風(fēng)電的發(fā)展已相對(duì)飽和，發(fā)展海上風(fēng)電是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要方向[3-4]。穩(wěn)定的海上資源及沿海地區(qū)發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)，為我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展?fàn)I造了良好環(huán)境[5]。

海上風(fēng)電作為一種清潔綠色能源，具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[6-9]：一方面，開發(fā)不受土地空間的限制，消除了土地成本，有利于安裝大容量風(fēng)電機(jī)組；另一方面，由于海上風(fēng)向相對(duì)穩(wěn)定，空氣湍流強(qiáng)度較小，可直接減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)荷沖擊，同步延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命。經(jīng)過20多年的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已逐步從示范階段走向商業(yè)化階段，越來(lái)越受到各國(guó)政府的重視。歐洲第一個(gè)商業(yè)化海上風(fēng)電場(chǎng)在丹麥開始運(yùn)營(yíng)，此后，英國(guó)、德國(guó)、荷蘭等國(guó)家的海上風(fēng)電市場(chǎng)快速增長(zhǎng)[10]。近年來(lái)，中國(guó)、日本和美國(guó)等國(guó)家的海上風(fēng)電場(chǎng)和浮式海上風(fēng)電規(guī)模加速擴(kuò)大[11]。我國(guó)海上風(fēng)電具有獨(dú)特的自然優(yōu)勢(shì)，可利用海域面積超過400萬(wàn)km2，風(fēng)能資源豐富，約為陸上風(fēng)能資源的3倍[12]。此外，我國(guó)中東部地區(qū)的電力需求占全國(guó)的70%以上。到2030年，華東地區(qū)最大電力負(fù)荷將達(dá)到970 GW。因此，東部沿海地區(qū)建立海上風(fēng)電場(chǎng)可以有效緩解西電東輸?shù)膲毫Α?/p>

我國(guó)海上風(fēng)電經(jīng)過十幾年的發(fā)展，技術(shù)水平快速提升，經(jīng)濟(jì)性也大幅提高，然而，我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展仍存在一些問題[13]，如海上風(fēng)電市場(chǎng)不能滿足平價(jià)并網(wǎng)的運(yùn)行機(jī)制，需出臺(tái)過渡性政策和地方補(bǔ)貼來(lái)促進(jìn)海上風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展[14]。目前，我國(guó)近海海上風(fēng)電已進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段，但是深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電的研究仍處于起步階段，海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維過程中存在的技術(shù)難題仍需要更貼近工程實(shí)際的解決方法。

為此，本文總結(jié)了近年來(lái)我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀，深入分析了海上風(fēng)電機(jī)型、基礎(chǔ)型式、防腐及運(yùn)維技術(shù)等方面的發(fā)展特點(diǎn)，概述了我國(guó)海上風(fēng)電的研發(fā)進(jìn)展，并進(jìn)一步對(duì)我國(guó)海上風(fēng)電未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃

2015—2022 年，我國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)總量持續(xù)增加，從162萬(wàn)kW增至3 250萬(wàn)kW，在世界裝機(jī)總量中的比重從8.9%增至近50%。我國(guó)各省海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模差異顯著，截至2022年底，江蘇、廣東、浙江、福建、遼寧5省累計(jì)裝機(jī)規(guī)模較大，分別為1 184萬(wàn)、800萬(wàn)、321萬(wàn)、340萬(wàn)、105萬(wàn)kW[15]，這5個(gè)省份裝機(jī)規(guī)模占全國(guó)的94%。各省海上風(fēng)電規(guī)劃及項(xiàng)目建設(shè)情況見表1。

表1 各省海上風(fēng)電規(guī)劃及項(xiàng)目建設(shè)情況Tab.1 Offshore wind power planning and project construction of each province

國(guó)有企業(yè)是我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展的主力軍。截至2022年底，華能集團(tuán)、三峽集團(tuán)、國(guó)家能源集團(tuán)、國(guó)家電投、中廣核集團(tuán)累計(jì)裝機(jī)容量分別為450萬(wàn)、430萬(wàn)、410萬(wàn)、390萬(wàn)、356萬(wàn)kW。各大發(fā)電集團(tuán)現(xiàn)階段海上風(fēng)電裝機(jī)容量和在建儲(chǔ)備的海上風(fēng)電資源情況見表2?？梢钥闯?，各大發(fā)電集團(tuán)海上風(fēng)電裝機(jī)容量差異明顯，各企業(yè)海上風(fēng)電在建和儲(chǔ)備資源容量差距較大。

表2 各發(fā)電集團(tuán)海上風(fēng)電資源情況Tab.2 Offshore wind power resources of each power generation group

在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的政策指導(dǎo)下，全國(guó)沿海海上風(fēng)電正在進(jìn)入大批量裝機(jī)的高潮。“十四五”期間，我國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量將接近4 000萬(wàn)kW。多個(gè)沿海省份相繼公布“十四五”海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃。福建省計(jì)劃增加海上風(fēng)電裝機(jī)容量410萬(wàn)kW，新增開發(fā)省管海域風(fēng)電規(guī)模1 030萬(wàn)kW；廣西壯族自治區(qū)提出核準(zhǔn)開工海上風(fēng)電裝機(jī)容量不少于750萬(wàn)kW的目標(biāo)；海上風(fēng)電停滯多年的海南省也公布了300萬(wàn)kW的發(fā)展目標(biāo)；廣東省和浙江省等海上風(fēng)電裝機(jī)大省也相繼公布了最新開發(fā)目標(biāo)。隨著沿海多個(gè)省份海上風(fēng)電的加速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為目前全世界最大的海上風(fēng)電市場(chǎng)。

2 海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)展現(xiàn)狀

隨著海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)?；痛笮突l(fā)展，我國(guó)大型海上風(fēng)電機(jī)組的研制不斷取得突破性進(jìn)展[16]，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量逐漸增大。海上風(fēng)電機(jī)組型式采用的技術(shù)可分為永磁直驅(qū)、雙饋、中速永磁和高速永磁4種。近年來(lái)，金風(fēng)科技、電氣風(fēng)電等廠家下線的新型海上機(jī)組多采用中速永磁(半直驅(qū)、混合)技術(shù)[17]。2019—2022年我國(guó)宣布下線的海上風(fēng)電機(jī)型情況見表3。

表3 2019—2022年我國(guó)宣布下線的部分海上風(fēng)電機(jī)型Tab.3 Announced offline offshore wind power models in China from 2019 to 2022

從表3可以看出，2019年，我國(guó)下線的海上風(fēng)電機(jī)組最大單機(jī)容量已突破10 MW，平均單機(jī)容量為8.58 MW；2022年，我國(guó)海上風(fēng)電機(jī)組大型化趨勢(shì)大大提速，中國(guó)海裝完成了18 MW主機(jī)的裝配，平均單機(jī)容量達(dá)到11.5 MW，這使得我國(guó)最大單機(jī)容量海上風(fēng)電機(jī)型超越國(guó)外同行。

與此同時(shí)，我國(guó)海上風(fēng)電機(jī)組葉輪直徑同樣躍居全球第一。2019年，我國(guó)下線的海上風(fēng)電機(jī)組最大葉輪直徑為185 m，平均葉輪直徑為176.6 m。2022年，新下線的海上風(fēng)電機(jī)組最大葉輪直徑已達(dá)到260 m，平均葉輪直徑達(dá)到236 m。

3 海上風(fēng)電基礎(chǔ)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式

海上風(fēng)電基礎(chǔ)不僅承受機(jī)組運(yùn)行載荷、風(fēng)載荷以及波浪載荷等作用，還承受海上惡劣環(huán)境的嚴(yán)酷考驗(yàn)。在這種特殊運(yùn)行環(huán)境中，風(fēng)電基礎(chǔ)需要為機(jī)組提供不少于25年的關(guān)鍵支撐，費(fèi)用占海上風(fēng)電總投資的20%以上，遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電基礎(chǔ)的費(fèi)用。因此，合理選擇風(fēng)電基礎(chǔ)型式是保障風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期安全運(yùn)行和降低海上風(fēng)電投資的主要途徑之一。

海上風(fēng)電的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式按照其屬性、配置、安裝方法、外形和材料主要?jiǎng)澐譃闃妒交A(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、負(fù)壓筒基礎(chǔ)、漂浮式基礎(chǔ)四大類[18]。其中：樁式基礎(chǔ)為國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電場(chǎng)的主導(dǎo)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式[19]；重力式基礎(chǔ)是海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的主要型式之一；負(fù)壓筒基礎(chǔ)作為海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)，應(yīng)用前景廣闊，但是設(shè)計(jì)體系還需要進(jìn)一步完善，施工風(fēng)險(xiǎn)還需要進(jìn)一步把控；漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要有張力腿式、立柱式、半潛式、駁船式4類[20]，必將成為未來(lái)深遠(yuǎn)海風(fēng)能開發(fā)的主要型式之一。不同風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式的適用水深范圍及特點(diǎn)如表4所示。

表4 不同風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式的適用水深及特點(diǎn)Tab.4 Water depth and characteristics of different wind turbine infrastructure types

3.2 漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)

在各產(chǎn)業(yè)用海需求不斷提高的同時(shí)，海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐步增強(qiáng)，近海海上風(fēng)電總體開發(fā)潛力有限，我國(guó)海上風(fēng)電建設(shè)朝著深遠(yuǎn)海發(fā)展是必然趨勢(shì)。漂浮式風(fēng)電機(jī)組已成為60 m水深以上海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的必然選擇，漂浮式基礎(chǔ)依靠系泊系統(tǒng)與海床相連，可擺脫復(fù)雜海床地形及復(fù)雜地質(zhì)的約束，受水深影響小，適用范圍更廣。目前，漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)作為深遠(yuǎn)海風(fēng)電的主要形式，成為風(fēng)電行業(yè)研究的熱點(diǎn)[21]。

我國(guó)的漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)已經(jīng)逐步從科研階段邁向設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段。目前建成投產(chǎn)的漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目有“三峽引領(lǐng)號(hào)”“海裝扶搖號(hào)”“海油觀瀾號(hào)”。

1）“三峽引領(lǐng)號(hào)”

“三峽引領(lǐng)號(hào)”是我國(guó)自主研發(fā)的全球首臺(tái)漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組，于2021年12月在三峽新能源陽(yáng)西沙扒三期(400 MW)海上風(fēng)電場(chǎng)中并網(wǎng)發(fā)電，成為亞太地區(qū)首個(gè)投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的海上浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)?！叭龒{引領(lǐng)號(hào)”輪轂中心距海平面約107 m，葉輪直徑為158 m，漂浮平臺(tái)排水量約1.3萬(wàn)t[22]?！叭龒{引領(lǐng)號(hào)”包括從概念研究到工程化設(shè)計(jì)和樣機(jī)建設(shè)的全套程序，相繼攻克了抗臺(tái)風(fēng)機(jī)組、半潛式基礎(chǔ)及系泊系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)電纜設(shè)計(jì)、一體化安裝及拖航(見圖1)、“風(fēng)機(jī)+平臺(tái)”一體化就位等漂浮式海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)，為深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的漂浮式風(fēng)機(jī)大規(guī)模、商業(yè)化應(yīng)用提供了寶貴的實(shí)驗(yàn)資料和優(yōu)化空間。

圖1 “三峽引領(lǐng)號(hào)”海上一體化拖航Fig.1 “Three Gorges Guide” integrated towing at sea

2）“海裝扶搖號(hào)”

“海裝扶搖號(hào)”為我國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)的功率最大(6.2 MW)的深遠(yuǎn)海漂浮式海上風(fēng)電裝備(見圖2)，于2022年12月在湛江徐聞羅斗沙海域并網(wǎng)發(fā)電，“海裝扶搖號(hào)”的浮式平臺(tái)總長(zhǎng)72 m，型深33 m，型寬80 m，搭載中國(guó)海裝6.2 MW抗臺(tái)風(fēng)型I類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，機(jī)組塔筒高度為78 m，輪轂中心高度為96 m，葉輪直徑為152 m，葉片長(zhǎng)度為74 m，浮體和機(jī)組總質(zhì)量超過4 000 t，為目前我國(guó)最大的漂浮式風(fēng)電機(jī)組?！昂Ｑb扶搖號(hào)”所有元器件及零件國(guó)產(chǎn)化率超過95%，具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、浮式機(jī)組功率國(guó)內(nèi)最大、系泊錨固系統(tǒng)可靠性高、智能運(yùn)維程度高等特點(diǎn)，填補(bǔ)了我國(guó)平均水深65 m以上深遠(yuǎn)海域浮式風(fēng)電裝備研制及應(yīng)用空白[23]。

圖2 “海裝扶搖號(hào)”風(fēng)電裝備Fig.2 “Haizhuang Fuyao” wind power equipment

3）“海油觀瀾號(hào)”

“海油觀瀾號(hào)”是我國(guó)首個(gè)深遠(yuǎn)海(距離海岸線100 km以上，水深超過100 m)浮式風(fēng)電平臺(tái)，于2023年5月20日成功并入文昌油田群電網(wǎng)(見圖3)，這是我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電平臺(tái)直接為海上油氣田群供電，標(biāo)志著我國(guó)深遠(yuǎn)海風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)取得重大進(jìn)展[24]?！昂Ｓ陀^瀾號(hào)”位于距離海岸136 km的海域，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、浮式基礎(chǔ)、系泊系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)纜組成，裝機(jī)容量為7.25 MW，通過9根錨鏈系泊固定在水深120 m的海洋深處。“海油觀瀾號(hào)”風(fēng)電平臺(tái)與油田群的4個(gè)燃料電站融合成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電與油田電能的統(tǒng)一控制和管理，打造了“風(fēng)電+氣電+智慧電網(wǎng)”的一體化供電新模式。

圖3 “海油觀瀾號(hào)”風(fēng)電平臺(tái)Fig.3 “Haiyou Guanlan” wind power platform

我國(guó)漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展大都處于樣機(jī)示范階段，產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)未能形成，仍面臨技術(shù)難度高和建設(shè)成本高的難題，“三峽引領(lǐng)號(hào)”和“海裝扶搖號(hào)”項(xiàng)目造價(jià)均超過3億元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不具備大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)的條件[25]。

4 海上風(fēng)電防腐技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

海上風(fēng)電所處的海洋環(huán)境濕度大、鹽度高、風(fēng)浪及各漂浮物的撞擊力度大，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)、塔筒、機(jī)艙、葉片等設(shè)備部件極易被復(fù)雜多變的環(huán)境腐蝕[26]。針對(duì)這一問題，有效的防腐技術(shù)成為海上風(fēng)電研究的重點(diǎn)[27]。

海上風(fēng)電防腐技術(shù)主要體現(xiàn)在以下方面：設(shè)計(jì)過程中考慮腐蝕裕量；制造過程中選用耐腐蝕材料；采用適宜的涂層工藝對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行涂層防護(hù)；利用陰極保護(hù)法對(duì)處于海水中的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)金屬或混凝土部分進(jìn)行防腐蝕控制；腐蝕防護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的腐蝕檢查與維護(hù)；通過減少溶解氧含量和控制濕度來(lái)控制腐蝕速率[28]。

1）預(yù)留腐蝕裕量

預(yù)留腐蝕裕量是根據(jù)材料的年腐蝕速率及構(gòu)件的預(yù)期壽命年限，在保證安全性的基礎(chǔ)上增加材料的厚度，以保證風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)壽命達(dá)到預(yù)期年限[29]。此方法一般不單獨(dú)作為防腐手段使用，主要用于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)鋼管樁在浪花飛濺區(qū)部位的腐蝕裕量設(shè)計(jì)。

2）陰極保護(hù)法

陰極保護(hù)法是在需要保護(hù)的金屬設(shè)備表面施加一個(gè)外加電流，使金屬設(shè)備成為新的陰極，阻止金屬表面電子發(fā)生遷移，從而抑制腐蝕速率[30]，此方法主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)。采用外加電流法比犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)更具有防護(hù)優(yōu)勢(shì)，安裝相對(duì)容易，更重要的是可實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3）涂層防腐

涂層防腐是在風(fēng)電設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)表面涂覆一層耐腐蝕性能優(yōu)異的異質(zhì)材料，形成致密的膜，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)與腐蝕環(huán)境的隔離，保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)表面免受環(huán)境侵蝕。朱紫棠等[31]為解決海上風(fēng)電機(jī)組底座的防腐問題，研制了一種防腐涂料，即氟碳涂料，同時(shí)，針對(duì)涂層的涂裝進(jìn)行了工藝優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電機(jī)組底座噴涂封閉底漆前噴涂一層氟碳涂料，可有效提高封閉底漆與基體的附著力，具有較好防護(hù)效果。然而，該方法存在一定的缺點(diǎn)：在運(yùn)輸或施工過程中發(fā)生的磕碰和劃傷極易破壞防腐涂層的防腐效果，涂層修復(fù)比較困難，涂層與基體結(jié)合力不強(qiáng)，導(dǎo)致防腐周期短[32]。

4）復(fù)層包覆防腐

復(fù)層包覆防腐是在被保護(hù)金屬表面增加包覆防腐層，防腐層由4層組成，從內(nèi)往外分別是防蝕膏、防蝕帶、密封緩沖層和防蝕保護(hù)罩。圖4為復(fù)層包覆防腐技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖。首先，將防蝕膏均勻涂于金屬表面，有效降低腐蝕速率；其次，采用耐蝕性好的防蝕帶與防蝕膏很好地結(jié)合，起到較好的防腐作用；最后，依次增加密封緩沖層和防蝕保護(hù)罩，二者主要起到隔絕海水和防止機(jī)械損傷的作用。其中，防蝕保護(hù)罩多采用玻璃纖維增強(qiáng)材料，力學(xué)性能好且防腐效果穩(wěn)定，可有效防止強(qiáng)腐蝕[33]。復(fù)層包覆防腐技術(shù)施工簡(jiǎn)單，安全性高，且能有效防止海洋生物附著，應(yīng)用范圍廣，多用于腐蝕最嚴(yán)重的浪花飛濺區(qū)。

圖4 復(fù)層包覆防腐技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of multilayer coating anticorrosion technology

5）多重防腐

除常規(guī)的防腐措施外，針對(duì)海上風(fēng)機(jī)各部件所處區(qū)域環(huán)境不同，對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐蝕保護(hù)還要采用以下多重防腐技術(shù)[28]：海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)宜采用陰極保護(hù)與涂層聯(lián)合保護(hù)或單獨(dú)采用陰極保護(hù)的防腐措施；海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)和海水潮差區(qū)宜采用涂層保護(hù)、噴涂金屬保護(hù)、纖維增強(qiáng)復(fù)合包覆層保護(hù)等多重防腐措施。

5 海上風(fēng)電運(yùn)維技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在海上風(fēng)電裝機(jī)容量快速擴(kuò)張的背景下，海上風(fēng)機(jī)運(yùn)維需求也正在快速上漲[34]。隨著海上風(fēng)電逐步走向深遠(yuǎn)海，風(fēng)電運(yùn)維的難度增大，成本也會(huì)隨之大幅增加[35]。隨著數(shù)字化和智能化技術(shù)的發(fā)展，海上風(fēng)電智能運(yùn)維成為風(fēng)電行業(yè)研究的熱點(diǎn)。為了克服海上風(fēng)電維護(hù)故障率高、可達(dá)性差和成本高的問題，現(xiàn)有的相關(guān)研究主要圍繞智能巡檢和智慧運(yùn)維系統(tǒng)展開[36]。

5.1 海上風(fēng)電巡檢技術(shù)

5.1.1 新型運(yùn)維裝備

為了有效提升海上風(fēng)電巡檢的效率，減少人工和運(yùn)行費(fèi)用，近年來(lái)，業(yè)內(nèi)逐步開展將不同新型運(yùn)維裝備應(yīng)用于海上風(fēng)電巡檢的研究[37]。

1）雙體運(yùn)維船

雙體運(yùn)維船為雙浮體形式，材質(zhì)可采用鋼質(zhì)、鋁合金或鋼鋁混合結(jié)構(gòu)，其典型特征為穩(wěn)定性好，甲板面積大，這是目前國(guó)內(nèi)外推廣最為廣泛的專業(yè)海上風(fēng)電運(yùn)維船。圖5為2020年7月18日交付的“雄程天威1”風(fēng)電運(yùn)維船[38]，該船是我國(guó)最先進(jìn)的風(fēng)電運(yùn)維船，設(shè)計(jì)為雙體船，配備雙舵槳，雙艏側(cè)推，配備六自由度波浪補(bǔ)償?shù)浅讼到y(tǒng)、直流電力推進(jìn)系統(tǒng)、DP2動(dòng)力定位系統(tǒng)和高頻柴油機(jī)組等先進(jìn)的設(shè)備，開創(chuàng)多個(gè)國(guó)內(nèi)第一。

圖5 “雄程天威1”風(fēng)電運(yùn)維船F(xiàn)ig.5 “Xiongcheng Tianwei 1” wind power operation and maintenance ship

2）運(yùn)維母船

運(yùn)維母船(service operation vessel，SOV)通?？梢詾?0~100名船員提供住宿，能夠?qū)⒋罅總浼凸ぞ哌\(yùn)輸?shù)胶Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)，其典型特征為具備較長(zhǎng)時(shí)間自持力，靠泊能力強(qiáng)，甚至配備動(dòng)力定位(dynamic positioning，DP)。運(yùn)維母船主要用于深遠(yuǎn)海風(fēng)電運(yùn)維，造價(jià)和運(yùn)營(yíng)成本較高，目前應(yīng)用相對(duì)較少。

作為我國(guó)首個(gè)研發(fā)制造的風(fēng)電運(yùn)維母船項(xiàng)目，2022年11月，上海電氣風(fēng)電集團(tuán)設(shè)計(jì)建造的2艘風(fēng)電運(yùn)維母船在啟東順利完成龍骨節(jié)點(diǎn)安放[39]，如圖6所示。2艘風(fēng)電運(yùn)維母船外出作業(yè)可搭乘人數(shù)分別為100人和60人，靠泊及操縱性能優(yōu)異，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備及備件的高效運(yùn)輸和存儲(chǔ)。同時(shí)還配備直升機(jī)平臺(tái)、工作艇、DP2系統(tǒng)、可升降波浪運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償棧橋和折臂式起重機(jī)，可實(shí)現(xiàn)人員及設(shè)備的安全轉(zhuǎn)運(yùn)和風(fēng)電場(chǎng)檢修維護(hù)作業(yè)。該項(xiàng)目填補(bǔ)了我國(guó)海上風(fēng)電運(yùn)維領(lǐng)域?qū)Ｓ肧OV的空白。

圖6 我國(guó)首個(gè)風(fēng)電運(yùn)維母船F(xiàn)ig.6 China’s first wind power SOV

3）自升自航式運(yùn)維船

自升自航式運(yùn)維船配備敞開甲板和大型吊機(jī)，適用于更換海上風(fēng)電運(yùn)維的大部件。典型特征為具備一定的起重能力，適合離岸距離遠(yuǎn)、水深50 m以內(nèi)大多數(shù)海域作業(yè)。該運(yùn)維船的機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好，將成為未來(lái)海上風(fēng)電運(yùn)維船的重要形式。

2020年7月11 日，由福建海電運(yùn)維科技有限責(zé)任公司投資建造的600 t自升式海上風(fēng)電大部件更換運(yùn)維平臺(tái)——“海電運(yùn)維801”號(hào)運(yùn)維船(見圖7)正式投運(yùn)[40]。該平臺(tái)是我國(guó)首艘針對(duì)深海區(qū)域海上風(fēng)電機(jī)組吊裝和大部件更換的自升式起重平臺(tái)，型長(zhǎng)78 m，樁腿長(zhǎng)95 m，最大作業(yè)水深50 m，最大起重高度為120 m，配備動(dòng)力定位系統(tǒng)，以及4套全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，可裝載2套8 MW海上風(fēng)機(jī)的葉片和機(jī)艙，能在較惡劣的海況條件下執(zhí)行風(fēng)電機(jī)組設(shè)備及部件的吊裝、運(yùn)維服務(wù)。

圖7 “海電運(yùn)維801”號(hào)運(yùn)維船F(xiàn)ig.7 “Haidian operation and maintenance 801”operation and maintenance ship

5.1.2 無(wú)人裝備系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)外已開始采用無(wú)人機(jī)和無(wú)人船等無(wú)人系統(tǒng)開展海上風(fēng)電的巡檢運(yùn)維，憑借其高速、便捷、精準(zhǔn)巡檢等優(yōu)勢(shì)，已逐步成為我國(guó)風(fēng)電領(lǐng)域巡檢運(yùn)維發(fā)展的新趨勢(shì)[41-42]。

2019年1 月，中航能科公司采用云洲智能M80“極行者”(見圖8)對(duì)樁基及海纜進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果檢測(cè)出樁基處海纜懸空、海纜沖刷裸露、海纜J型管接出后持續(xù)裸露、海纜彎折半徑過小、海纜路由與已知施工坐標(biāo)偏差等現(xiàn)象[43]。本項(xiàng)目是我國(guó)首例應(yīng)用無(wú)人船在風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行樁基及海纜沖刷檢測(cè)的案例。

圖8 云洲M80海上風(fēng)電運(yùn)維檢測(cè)Fig.8 Yunzhou M80 offshore wind power operation and maintenance inspection

2019年7 月，自然資源部南海調(diào)查技術(shù)中心研制的無(wú)人航空母艇已初步在海上風(fēng)電巡檢中開展應(yīng)用，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)水上風(fēng)電機(jī)組葉片和水下樁基線纜等巡檢，提高巡檢效率。

2020年5 月，廣東省電力設(shè)計(jì)研究院建立了海上風(fēng)電場(chǎng)智能船舶調(diào)度系統(tǒng)[44]。該系統(tǒng)把無(wú)人船用于海上風(fēng)電，可以高效指揮調(diào)度、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)氣象和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海域，對(duì)海上風(fēng)電人員和船只進(jìn)行有效管理，降低建設(shè)和運(yùn)維成本。同年，國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院建立了海上風(fēng)電場(chǎng)升壓站無(wú)人值守系統(tǒng)[45]。該系統(tǒng)把巡檢機(jī)器人用于海上風(fēng)電，對(duì)不同區(qū)域制定不同的巡檢路線與方案。該系統(tǒng)只對(duì)海上升壓站設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了設(shè)備運(yùn)行可靠性。

2022年，國(guó)家海洋技術(shù)中心提出將無(wú)人機(jī)和無(wú)人船系統(tǒng)應(yīng)用于海上風(fēng)電的無(wú)人值守巡檢系統(tǒng)[42]。該系統(tǒng)直接布署在海上風(fēng)電場(chǎng)，無(wú)需用船運(yùn)至風(fēng)電場(chǎng)，陸上調(diào)度中心利用通信設(shè)備遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)和無(wú)人船對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行巡檢，有效減少檢修人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)的次數(shù)，從而降低運(yùn)維成本。

5.2 海上風(fēng)電運(yùn)維管理系統(tǒng)

海上風(fēng)電智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)是通過信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、故障診斷、預(yù)測(cè)維護(hù)等功能的綜合性管理系統(tǒng)。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變電站、輸電線路等設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理，提高海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效率和安全性，降低運(yùn)營(yíng)成本。該管理系統(tǒng)需要借助多項(xiàng)智能化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)維功能，其中，智能感知需通過智能傳感技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)及機(jī)器人技術(shù)等實(shí)現(xiàn)；智能監(jiān)控需通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、3D建模技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等實(shí)現(xiàn)；智能分析需通過模式識(shí)別技術(shù)、故障預(yù)警技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)；智能決策需借助專家知識(shí)庫(kù)、人工智能技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行[46]。

目前，海上風(fēng)電運(yùn)維管理技術(shù)基本照搬陸上風(fēng)電經(jīng)驗(yàn)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新興技術(shù)的出現(xiàn)，我國(guó)不少企業(yè)推出了適用于海上風(fēng)電場(chǎng)的智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)，現(xiàn)已在業(yè)界推廣應(yīng)用[47]。

本文對(duì)我國(guó)部分典型的海上風(fēng)電運(yùn)維管理系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析，歸納出不同系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)(見表5)，為下一步開發(fā)海上風(fēng)電管理系統(tǒng)提供參考[48-49]。目前，海上風(fēng)電運(yùn)維管理系統(tǒng)并未形成占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位的壟斷性產(chǎn)品，我國(guó)多數(shù)運(yùn)維管理產(chǎn)品還停留在研發(fā)或試驗(yàn)階段，尚未在海上風(fēng)電場(chǎng)得到大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。海上風(fēng)電領(lǐng)域相關(guān)的智能化技術(shù)及解決方案尚不成熟，技術(shù)和管理水平亟待提高。

表5 各系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.5 Comparison of advantages and disadvantages of each system

基于海上風(fēng)電運(yùn)維特點(diǎn)及運(yùn)維管理系統(tǒng)的開發(fā)需求，參考相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)特征和優(yōu)缺點(diǎn)，未來(lái)海上風(fēng)電運(yùn)維管理系統(tǒng)研發(fā)過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下方面：1）完善海上風(fēng)電運(yùn)維管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；2）建立完整的海上風(fēng)電數(shù)據(jù)庫(kù)；3）提升智能化水平；4）攻關(guān)與智慧調(diào)度相關(guān)的核心技術(shù)。

6 我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)

通過總結(jié)近年來(lái)我國(guó)海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀可知，我國(guó)已經(jīng)具備了大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電的能力，利用技術(shù)創(chuàng)新和政策變革降低海上風(fēng)電成本，提高海上風(fēng)電可靠性成為主要的發(fā)展目標(biāo)。未來(lái)，我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展趨勢(shì)[50]如下：

1）大型化。更大的風(fēng)電機(jī)組能夠有效提高風(fēng)能利用效率，并大幅降低初始投資、安裝施工成本和運(yùn)維成本等，帶動(dòng)度電成本持續(xù)下降。我國(guó)最新下線的葉片葉輪直徑已達(dá)到260 m，可以預(yù)見未來(lái)3~5年內(nèi)，我國(guó)海上風(fēng)電度電成本可以再降一半，疊加機(jī)組可靠性和基于大數(shù)據(jù)人工智能的全生命周期管理等應(yīng)用技術(shù)后，效率將得到大幅提升。

2）智能化。近年來(lái)，智能化及互聯(lián)化成為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的重要特征。在選址環(huán)節(jié)，基于高精度風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)技術(shù)和衛(wèi)星遙感的大數(shù)據(jù)建模技術(shù)的智慧選址模式正在逐步取代費(fèi)時(shí)、低效的傳統(tǒng)選址方式。在運(yùn)行環(huán)節(jié)，通過感知技術(shù)預(yù)測(cè)所處環(huán)境變化，系統(tǒng)能夠自動(dòng)采取不同控制策略，做到降載增壽，提高發(fā)電效率。在運(yùn)維環(huán)節(jié)，通過在風(fēng)電場(chǎng)安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，結(jié)合更加完整的運(yùn)維管理方式，使故障維修從事后轉(zhuǎn)向事前，逐步走向預(yù)防性維護(hù)。未來(lái)，監(jiān)測(cè)傳感、物聯(lián)技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及建模仿真能力的不斷提升，將逐步促成數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，使風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的運(yùn)營(yíng)和改造從中受益。

3）融合化。海上風(fēng)電造價(jià)及輸電成本的大幅提升，是我國(guó)深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)面臨的主要挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問題，將海上風(fēng)電與其他海洋工程相結(jié)合的“多產(chǎn)業(yè)融合”發(fā)展模式被提出，使海上風(fēng)電的發(fā)展從單一模式逐步走向多產(chǎn)業(yè)模式。目前，海上風(fēng)電正在與氫能、漁業(yè)和海水淡化等多種產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，通過海洋能源的綜合開發(fā)利用，達(dá)到降低海上風(fēng)電成本的目的。

4）專業(yè)化。我國(guó)海上風(fēng)電的加速規(guī)?；l(fā)展以及項(xiàng)目開發(fā)逐步走向深遠(yuǎn)海，對(duì)運(yùn)輸、安裝施工、運(yùn)維等裝備提出了更高的要求。進(jìn)一步提升鋪纜船、安裝船、運(yùn)維船的專業(yè)化水平，成為擺在業(yè)界面前的重要課題之一，這需要各方攜手共同推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)、先進(jìn)裝備的設(shè)計(jì)與制造。

5）國(guó)際化。我國(guó)雖然在大規(guī)模風(fēng)電的并網(wǎng)、運(yùn)行及傳輸?shù)确矫娣e累了很多寶貴經(jīng)驗(yàn)，但在風(fēng)電機(jī)組技術(shù)、漂浮式基座等海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)方面仍需加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外學(xué)習(xí)和合作。借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，完善我國(guó)海上風(fēng)電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和技術(shù)方案，可加速海上風(fēng)電的發(fā)展。

7 結(jié)論

通過深入研究國(guó)家海上風(fēng)電發(fā)展政策，歸納總結(jié)海上風(fēng)電開發(fā)過程中各關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展情況，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，為海上風(fēng)電研究人員提供技術(shù)指導(dǎo)。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，在后續(xù)研究中取長(zhǎng)補(bǔ)短，重點(diǎn)解決海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維過程中存在的技術(shù)難題，進(jìn)一步提升國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電水平，降低海上風(fēng)電成本，提高風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展具有重要意義。