海上可移動式風機裝備研制過程中的關鍵技術問題

劉曉雷，徐勝文，汪學鋒，孫紅軍

（1.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.中海油融風能源有限公司，上海 200335）

0 引 言

隨著日益增長的能源需求與日益惡化的生存環境之間的矛盾凸顯，可再生能源在世界范圍內逐漸受到重視，其增長趨勢迅猛。在各種可再生能源中，風能作為一種穩定、高效、清潔的新能源，逐漸受到世界各國的重視，近年來風能利用技術和開發裝備呈現爆發式的進步和增長。2022年，全球年新增風電裝機容量達到77.6 GW（見圖1），近5 年的平均年增長率為13%。由于陸上土地使用政策的各種限制、海上空間資源更大和海風資源更強勁、更穩定等原因，風能開發逐漸從陸地走向海洋。2018年至2021 年海上風電新增裝機容量從4.4 GW 增長到21.1 GW，其中我國貢獻了50%左右，約等于世界其他各國的新增裝機總和[1]。海上風電作為我國可再生能源發展的重點領域，一方面有利于實現“雙碳”目標，另一方面也有利于推動能源結構優化和構建能源安全體系。

圖1 全球風能理事會公布的風電裝機數據Fig.1 Wind power installation data released by Global Wind Energy Council

根據《中國風電發展路線圖2050》[2]介紹，我國50 米以內水深的近海固定式風電儲量為5 億千瓦，水深50～100米的風電儲量為15.3億千瓦，遠海風能儲量為9.2億千瓦，其中水深大于50米的遠海風電儲量占比超過80%。另外，隨著近海風電的持續高強度開發，近海風電與近海漁業、航運業的矛盾更加突出[3]（見圖2），近海風電的發展空間受限，因此，加大開發更深、更遠海域的風能是必然趨勢。

圖2 近海風電與漁業、航運業的矛盾Fig.2 Contradiction between offshore wind power and fishery&shipping industries

由于固定式風機基礎（有效水深小于60 m）的投資成本隨水深加大而急劇增加[4]，為此，近年來學術界和工業界開發了采用系泊系統的浮式風機，如我國兩臺系泊漂浮樣機（三峽“引領號”[5]和中船“扶搖號”[6]，如圖3 所示）已于近期成功就位并開始發電。但是考慮到安裝和采購成本等原因，系泊式漂浮風機的有效作業水深小于200 m[7]，難以開發更深海域中蘊含的大部分風能。另外，對于很多遠離電網的遠海用電場景[8]，還面臨著能源補給成本高和亟需節能減排等問題。

圖3 我國系泊式漂浮風電樣機Fig.3 Chinese moored floating wind power prototype

為了開發更豐富的深遠海風能和滿足遠離電網的深遠海用電需求，2021 年上海交通大學與橫濱國立大學Xu 等[9]率先提出了可移動式風電裝備概念（圖4（a）），開展了基于簡化風力發電模型和動力定位控制系統的漂浮風機可行性研究?？梢苿邮斤L機是一種既能利用海上風資源進行發電儲能，又具備一定自航能力的海上能源裝備。相比于系泊漂浮風機存在的水深受限、系泊錨固成本高和拆裝困難等問題，可移動式風機海上可布設的空間更廣闊，可以自動尋找更優的風資源，對環境的影響更小，應用場景更多、更靈活，智能化特色更明顯，因而發展潛力更大。在經濟性方面，系泊漂浮式風機的系泊系統采購成本一般占整體建造成本的11%左右[64]，而且系泊系統的安裝費用隨水深增大而劇增，相比之下，可移動式風機的推進系統建造成本要遠小于系泊系統。雖然可移動式風機的推進系統會持續消耗風機發出的電能，在相同風速條件下，可移動式風機的瞬時有效發電功率會低于系泊漂浮風機，但是可移動式風機的航行能力卻使其可以前往風力更穩定更安全的海域，故而可移動式風機全服役周期內的有效發電量反而可能會大于系泊漂浮風機。

圖4 可移動式風機及其應用場景Fig.4 Mobile wind turbine and its application scenarios

可移動式風機裝備可為深遠海作業的船舶、海洋平臺等生產生活設施提供可持續和低成本的清潔能源[10]，其典型應用場景（見圖4（b）～（h））有：

（1）移動作業的船舶和海洋平臺：海洋油氣鉆井平臺、海上起重船、鋪管/鋪纜船、深海采礦船、養殖工船、絞吸式挖泥船等。這一類裝備的作業特點在于轉場頻次高、頻繁轉換作業地點和用電需求大[11-12]。由于可移動式風機靈活性大，故可充當此類裝備的“移動充電寶”，支撐其持續作業，減少補給成本。

（2）海上民用運輸船舶，比如遠洋客船和貨船[13]。深遠海分布的可移動式風機，可以為遠洋客船和貨船提供“遠海充電”，使其快速充電或更換儲能電池。

（3）深遠海定點作業的海洋平臺，比如油氣生產平臺、漁業養殖平臺、浮式生產儲油輪（FPSO）、海洋環境監測平臺和未來海上數據中心[14-16]。配置多臺可移動式風機，通過電纜連接可為這些裝備持續輸電，實現即發即用。

（4）海島生產和居民用電[17]。我國是名副其實的“萬島之國”，海島數量大、分布廣、用電需求差異明顯。目前對于離岸較近的海島，普遍采用聯網用電，通過電纜將大陸與海島的電網連接起來。而對于遠離海岸的海島，聯網成本極高，一般依靠自備柴油發電機組供電，但燃料補給運輸成本高、環境污染大、用電成本高，影響海島產業和居民經濟發展[18]。因此根據海島用電需求和當地環境條件，配備合適的可移動式風機的機組、數量和電網接入方式，可有效緩解當地用電難、成本高的問題。

由于可移動式風機具有綠色環保、靈活布置和不受水深限制等特點，其概念一經提出就引起了國際學術界和工業界的廣泛關注。同期，Willeke[19]對一種Spar形式的移動式風機開展了可行性研究，研究發現Spar 形式風機搖擺運動穩定性差，通過下浮體增加構件可得以有效改善；Connolly 和Crawford[20-21]提出了一種理想的風機及推進系統解析模型，用以進行可移動風機發電效率研究，首先與Xu等[9]結果進行對比，驗證模型正確性，然后詳細研究了浮體阻力、風機、推進器尺寸對發電效率的影響；Raisanen 等[22]提出利用可移動式風機組成開闊海域大型風場，通過制氫儲存能源；另外，據悉Kongsberg Maritime Inc.也在聯合著名高校的專家、教授和學者組建聯合體，就可移動式風機的關鍵技術難點、技術經濟性、產業化應用前景和未來發展趨勢等進行深入調查研究。

2022 年，挪威航運巨頭Odfjell 集團子公司Odfjell Oceanwind 計劃建設一支可移動式海上風機（MOWU，Mobile Offshore Wind Units）船隊[23]，主要為遠海微網供電，促進海上油氣生產脫碳。根據海上油氣作業的用電需求，MOWU 可快速部署到油田中并提供臨時電力。該模式非常適合為這種有限時間的油田生產作業提供電力。Odfjell Oceanwind 專門設計了一款新的漂浮式基礎Deepsea Semi，最大可安裝15MW 風機，適用于60～1300 m 水深，該基礎已獲得挪威船級社DNV 頒發的原則性批準（approval in principle），主要結構認證（main scantling approval）正在進行，首批移動式海上風機計劃于2024年投入使用。近期，Odfjell Oceanwind與歐洲能源集團Source Galileo Norge簽署了戰略合作協議，以推動可移動式海上風機發展[24]。

可以看到，國內外關于可移動式風機的研究均剛剛起步，為了加快我國開發可移動式風機裝備的步伐，同時提高深遠海資源開發技術能力，有必要梳理出可移動式風機設計、建造和工程應用過程中需要解決的關鍵技術問題。對于系泊漂浮式風機以及動力定位（DP）領域已經取得的研究成果也需要靈活采納，避免重復研究。本文結合國內外最新的相關研究資料，結合作者自身的理解和探索，對研制可移動式風機過程中需要重點關注的技術問題進行了探討，期望為該領域研究人員提供一些參考。

1 可移動式風機的顯著特征

與系泊漂浮風機等海洋工程結構物相比，可移動式風機具有如下多個特征：

（1）在系統組成及功能上，可移動式風機與其他海洋工程結構物有很大的差異。與系泊漂浮風機相比，可移動式風機無系泊系統，其定位功能通過帶DP的推進系統實現，因此可移動式風機具備航行功能；而與帶DP 動力定位的工程船舶相比，可移動式風機上配置發電設施和儲能裝置[26]，因此又具備發電-儲能-輸電能力，但因重心較高，需要重點關注其穩性。

（2）可移動式風機具有獨特的發電模式。雖然整體上深遠海的風資源更強勁、更穩定，但是海上風向、風速是隨時間和空間變化的?？梢苿邮斤L機的航行能力，應結合天氣預報及歷年風資源統計數據，使其可以自動前往風力更穩定、更安全的海域[26]，即可動態調整發電地點，也可邊航行、邊發電，還可提前避開臺風路徑。圖5為某海域風能密度統計值及最優路徑規劃示意圖。

圖5 某海域風能密度統計值及最優路徑規劃示意圖[25]Fig.5 Statistical values of wind energy density and schematic diagram of optimal path planning in a certain sea area [25]

（3）考慮到系泊纜之間不能互相干擾，因此系泊式漂浮風機之間需要保持較大距離，一般需大于3～6 倍水深[27]。而對于可移動式風機來說，只要配置成熟的智能避碰功能，在有限的海域范圍可以布設更多的風機，因此可移動式風機應用更靈活，智能化特色更明顯。

（4）可移動式風機在定點發電、按照既定路徑移動和對外輸電作業時，不能讓它隨風浪流任意漂移[28]，因此帶動力定位功能的推進系統極為重要，需要有足夠的推進能力和操縱性。

（5）可移動式風機是一種前所未有的新型海洋工程結構物，集抗沉、發電、儲能、輸電和推進于一體，技術挑戰性更高，系統組成和動態響應更復雜，因此需要建立一種適合可移動式風機的動態響應分析方法，指導其工程設計。

（6）在惡劣多變的海洋環境下，可移動式風機的典型工況有定點/航行發電、按照既定路徑航行、連接/解脫輸電、避碰障礙物和臺風避險等，因此需要建立適應復雜多工況的可移動式風機作業策略。

（7）可移動式風機的成本投入和經濟效益與系泊漂浮風機不同，主要體現在：可移動式風機的投入使用可在合適的碼頭完成，而系泊漂浮風機需要采購、安裝系泊和錨固系統，并且要將風機濕拖或干拖至工作海域[29]；可移動式風機運維方便、幾乎無拆除成本，而系泊漂浮風機的拆卸成本巨大；可移動式風機動力定位系統安裝成本高，并且運營消耗自身電力儲備，因此需要對其長期發電量和耗電量進行對比，優化系統配置；系泊漂浮風電場一般要配備海上升壓站和長距離電纜[30]，并且有消納壓力，而可移動式風機主要為海上平臺和工作船舶等供電，不需要昂貴的輸電裝備，幾乎無消納壓力。

（8）與其他海上風機相比，可移動式風機對海洋生態環境的影響更小。系泊和固定風機的水下定位裝置對工作海域的生態環境影響巨大，尤其是在安裝階段[31]?？梢苿邮斤L機不需要水下定位裝置、靈活選擇作業海域的特性，使其可以避開海洋生物的棲息地和遷徙路徑。

由于這些特點，使得可移動式風機在研制和開發過程中有許多理論問題和工程實際問題需要解決。以往的研究經驗表明，對相關理論問題的探索，還可以促進基礎學科和交叉學科的發展，提高我國的基礎研究水平。因此，選擇可移動式風機的研究和開發，除了能有效緩解全球突出的環境保護問題、提高深遠?？臻g資源和可再生能源開發能力，還具有較大的理論意義。

2 可移動式風機關鍵技術問題

根據可移動式風機的顯著特征，在研究和研制可移動式風機的過程中需要解決一系列的理論問題和工程實際問題。

2.1 基礎選型

可移動式風機主要包括浮式基礎、塔架、風機、推進器和儲能裝置，后四者的選型主要依賴于浮式基礎的尺度和性能，所以可移動式風機需要重點考慮其浮式基礎選型。系泊漂浮風機基礎通常有四種結構形式（見圖6）：半潛式、Spar 立柱式、張緊式和駁船式[32]。半潛式基礎形式上構造比較復雜，但是耐波性能優異，適宜在較為惡劣的海洋環境中生存；立柱式基礎由于重心較低且水線面積相對較小，因此具備較好的穩性和水動力性能，另外還可以通過在立柱上設置螺旋側板降低其渦激運動[33]；張緊式基礎整體垂向運動較小[34]，但是張力筋腱疲勞性能較差，并且采購和安裝成本高；駁船式基礎由于垂蕩和搖擺周期短，所以整體耐波性較差，通過合理的設計，中間月池尺寸可以有效改善其耐波性能[35]。整體上來看，前三種形式基礎的水動力性能較好，但其水下結構復雜、吃水大、且迎流面積大，而第四種形式正好相反。船型基礎由于具有流線型下船體，所以也是可移動式風機的一個潛在可行選項。因此，如何根據實際應用場景選擇可移動式風機合適的基礎形式，是首先需要解決的問題。合理選型需要全面考慮各種因素，具體有：（1）工作海域環境；（2）對性能的要求，比如快速性、穩性、耐波性等；（3）推進器、儲能裝置和基礎形式的匹配；（4）全生命周期的經濟成本；（5）國內的相關建造和采購配套能力；（6）對生態環境的影響。準確考慮和評價這些因素需要依賴科學的數學模型，而模型的建立又離不開相關理論的發展和試驗驗證。

圖6 目前主流的幾類系泊漂浮風機基礎[32]Fig.6 Main types of foundation for moored floating wind turbine

2.2 概念可行性論證

選型后首先要進行概念可行性論證，需要確定材料、制造工藝、運輸和安裝方法，然后通過基本的靜態理論模型，對概念設計方案進行發電能力估算、耗能估算、作業能力評價、成本估算、壽命估算和經濟效益估算[36]，這些確定依據和估算方法的理論基礎仍然離不開科學的數學模型。

2.3 可移動式風機系統動力分析、設計技術

由于可移動式風機涉及浮式基礎的水動力、風機的氣動力、風機控制系統的伺服載荷、推進系統的推進力，而這些物理量之間又存在高度的耦合關系，因此可移動式風機動力特性的預報方法與一般的船舶以及海洋平臺相比有很大的區別[37]，從而決定了它是可移動式風機研制過程中需要解決的重點問題。因此，有必要建立考慮浮式基礎的水動力、風機的氣動力、風機控制系統的伺服載荷、推進系統的推進力的可移動式風機動力系統仿真技術，對各個部件進行準確建模，計入所有載荷的影響，這是可移動式風機設計的理論基礎。在此基礎上進一步研究：

（1）由于可移動式風機比固定式風機和漂浮風機的工況更多，所以需要通過研究考慮多工況的浮式基礎、風電系統、推進系統匹配技術，從而實現整體的經濟性和有效性。

（2）可移動式風機是否具備可行性的一個重要方面，是其發電量能否有效覆蓋其定點和航行作業時推進系統的耗能[38]，因而建立海洋環境條件下可移動式風機作業能力的分析技術是非常必要的。

（3）海洋環境復雜多變，尤其是極端海況會在可移動式風機上形成巨大的波浪作用力[39]，因此，需要建立極端海洋環境下整機系統安全性校核技術。

2.4 深遠?？梢苿邮斤L機裝備作業決策技術

雖然海洋環境復雜多變，但是在一定時間和空間范圍內，風浪環境是相對平穩的，此時可移動式風機就凸顯出其靈活性的優勢，在基于天氣預報和海風資源數據庫的條件下，建立可移動式風機自動尋優的作業規劃技術[40]，從而實現發電效率最大化。

由于可移動式風機作業方式的獨特性，還必須基于不同的海況條件和作業模式，選擇不同的風電機組控制策略（變槳、偏航、停機等[41]）。對于臺風等極端天氣，可移動式風機可以避開臺風路徑進行作業。還需建立可移動式風機的抗臺技術，以應對無法避開臺風的情形。

2.5 深遠?？梢苿邮斤L機充電裝備連接輸電和解脫方案安全性評估技術

可移動式風機的“海上充電寶”功能，是通過與用電平臺連接輸電實現的。理論上講，在海洋環境中可移動式風機和用電平臺上運動幅度最小的位置一般位于船舯，故將連接裝置設置在該位置處可以提高連接接頭的可靠性。不同用電平臺有不同的電量功率需求、總布置以及運動特性，因此需要進行連接輸電和解脫方案的需求分析與設計研究。在用電平臺和可移動式風機整個連接過程中，需要防止兩者距離過近導致碰撞或者兩者遠離導致連接結構的破壞，即需要進行連接和解脫工況下推進器控制策略研究，將兩者距離及相對方位角限制在安全范圍內，在對連接和解脫這一物理過程安全性進行評估時，必須準確計入多浮體之間的水動力干擾。

2.6 可移動式風機整機工況水池模型試驗技術

任何一個理論的建立及發展，都離不開試驗的驗證。從上述內容可以看到，在可移動式風機的研究及設計過程中，可以發展出一系列新理論和方法，但其準確性往往需要通過試驗結果來驗證，雖然實尺度或者小規模的樣機海上試驗驗證結果更加準確[42]，但其成本太高，而且海洋環境不可控，很難定量得出各個因素的影響，因此，大縮尺比模型的水池試驗（見圖7）是現在的主流手段?？梢苿邮斤L機作為新型海洋工程浮式結構物，直接采用已有浮式風機或者船舶的試驗方法是行不通的，主要原因在于：

圖7 漂浮風機水池試驗[32]Fig.7 Floating wind turbine model test[32]

（1）隨著風電機組容量增加，葉片長度和塔架高度也在不斷增大，結構柔性所引起的高階非線性響應逐漸顯著，因此在模型設計時也需要體現可移動式風機的剛柔耦合特性[43]；

（2）模型試驗時需要保證氣動、水動和推進載荷同時相似，只采用Froude 相似或者雷諾相似是不可行的[44]，可以采用混合縮尺比結構，建立一種適合可移動式風機的全耦合水池模型試驗技術。

（3）有效發電功率是可移動式風機的顯著特性，因此需要保證電能在水池模型和真實物理場景下的轉換關系，并且要同時模擬可移動式風機的發電功率和耗電功率。

（4）對于可移動式風機典型的操作工況，在水池試驗中實現連接輸電和自動解脫也是較大的挑戰，尚無傳統海洋平臺相關水池的實驗技術可供參考。

（5）在系泊漂浮風機生存工況水池試驗時，其定位性能是依靠系泊系統實現的。另外，水池模擬海洋平臺的DP性能一般會選擇較低的海況。因此，需要建立高海況條件下可移動式風機推進系統可靠性的水池試驗技術。

2.7 建造及安裝技術

與傳統海洋平臺和船舶的建造流程基本相同，目前漂浮風機的建造主要在船塢內完成，風電機組安裝在碼頭完成，利用濕拖作業到達目標海域進行系泊安裝（見圖8）。但是未來可移動式風機的需求量巨大，而國內沿海城市的船塢數量不足并且使用成本較高[45]，如果進行大批量采購，則對單個機組的成本非常敏感，因此，開發兼具技術可行性和經濟性的可移動式風機的批量建造技術是非常重要的。比如，模塊化預制件可以提高建造效率[46]，這就要求可移動式風機在結構設計時采取模塊化的思路。另一方面，可以考慮直接在碼頭上進行浮式基礎的制造和安裝，這樣可以大幅減少建造和運輸成本。

圖8 駁船式漂浮基礎建造和漂浮風機濕拖Fig.8 Construction of barge type floating foundation and sea-transportation of wind turbine (in-water towing)

2.8 可服役性、耐久性

當可移動式風機對外連接輸電時，波頻運動及風機自身結構振動，可能會削弱連接接頭的抗疲勞性能，為此可采用被動式的液艙減搖系統，減小整體的搖蕩運動。

因為天氣變化，可移動式風機在海上有可能存在GPS 位置信息丟失的情形[47-48]，因此需要在每臺風機上配備短距離位置通信系統，結合路徑規劃和智能避障功能，從而避免海上碰撞。

耐久性對可移動式風機來說也是十分重要的，一方面頻繁的返港維修會影響其有效發電作業時間，另一方面需要建立準確合理的可移動式風機剩余壽命的評價方法及相關裝置，盡量延長其使用壽命。因此，飛濺區的腐蝕防護需要重點關注[49-50]，可以考慮噴漆和陰極保護措施，也可以采用耐腐蝕性更好的混凝土浮式基礎。

2.9 事故工況及風險評估

可移動式風機需要保證其在緊急情況下的安全性，一般來講，其安全事故主要來源于浮冰、船舶以及其他海洋結構物的碰撞[51]。波浪等周期性載荷所致疲勞裂紋引起的局部破壞和漏水[52]，以及單個推進器失效導致推力不足[53]，也是在設計階段作為事故工況需要全面考慮的問題。根據構件和功能失效程度，建立事故工況等級的評價方法。低等級的事故發生后，可移動式風機需要保留足夠的浮性和穩性，有一定的自航能力自動回港。對于高等級的事故工況，安全監控系統能夠及時將事故等級和坐標信號發送給運維方。

對于可移動式風機在海上可能發生的碰撞，可以采用橡膠材料制作的護舷對其進行保護，在碰撞發生時這些彈性材料可以吸收一部分能量[54-55]。通常情況下事故載荷是很大的[56-57]，如果要求可移動式風機結構能夠抵御大部分事故載荷，所需建造成本將是巨大的，但一旦事故發生，會帶來負面的行業和社會影響，因此需要研究事故發生的概率及后果，準確評估其風險。

2.10 社會生產及生態影響

由于可移動式風機下部不需要系泊定位，在有限空間里可以同時布置數量龐大的機組，因此，同一海域可能有多臺機組在同時作業，必然對該地區的社會生產及生態產生沖擊[58-62]，這包括：

（1）多臺機組同時作業所產生的噪音是巨大的，所以應當建立候鳥和魚群棲息地和遷徙時間及路徑數據庫，并依據相關時空信息確定可移動式風機的作業禁區。

（2）可移動式風機的作業路徑規劃應當避開主要航道，避免與從事作業的其它船舶發生碰撞，造成不必要的損失。

3 結 語

可移動式風機由于具有自動前往風能資源更優的地點、不受水深限制和可靈活布置等特點，可開發深遠海蘊含的大部分風能，同時還可為遠海生產、生活設施進行供電，因此有著廣泛的商業化應用前景。國內外關于可移動式風機的研究均剛剛起步，為了保證我國深遠海風能資源開發技術領域的領先地位，有必要盡快開展相關研究工作，首要工作就是明確可移動式風機研制過程中需要解決的關鍵技術問題。本文通過歸納總結國內外文獻中的最新研究進展，結合作者自身的理解和探索，從多個方面提出亟待研究的問題，期望為該領域研究者提供參考。