楊佳潼，張迎賓，李建卓，鄒 超

(三峽新能源海上風電運維江蘇有限公司，江蘇 鹽城 224008)

海上風電由于享受國家電價補貼政策發(fā)展迅猛，僅2019年，國內海上風電項目總招標容量達10.7 GW，新增裝機容量5.2 GW，使得中國躋身于世界前三的風電裝機容量大國，僅次于英國與德國[1-2]。

隨著海上風電場版圖的擴張，風力發(fā)電機組的維護工作量日益增加。運維船舶是海上風電場維護工作中最主要的交通運輸工具，船舶形式的選擇將直接影響檢修人員出海的安全性和通達性[3]。一般單體船耐波性較差，在海況復雜的海域人員容易暈船，適航性差，出航率低。常規(guī)雙體船的耐波性在單體船的基礎上略有提高，還沒有完全解決這個問題[4]。為此，一種采用小水線面船型設計的雙體船應運而生，然而，其建造成本也較普通運維船舶有大幅提升。

1 高速風電船船體結構及建造成本概述

1.1 小水線面雙體船船型

小水線面(CAT-SWATH)雙體船船型是一種根據(jù)海上風電實際運維需求，經過船體改良設計的新型雙體船型。它具有兩個基本的航行模式，即雙體船(CAT)模式和小水線面(SWATH)模式，基本結構如圖1，航行模式如圖2。

當運維船需要以較高航速從靠泊碼頭盡快前往作業(yè)風場時，可采用CAT航行模式，利用雙體船的快速性，快速達到作業(yè)海域；當達到風場需要在低航速下進行運維作業(yè)時，可快速轉換為SWATH航行模式，利用小水線面雙體船的優(yōu)異耐波性，能顯著降低乘船人員暈船的不適感，使得作業(yè)人員能夠在一個安全、舒適的環(huán)境下進行運維作業(yè)[5]。

圖1 小水線面雙體船結構簡介圖

圖2 小水線面雙體船雙航行模式圖(來源：FOB)

近年來，CAT-SWATH雙體船船型在國外海上風電運維船舶上的應用越來越多，其代表為挪威的FOB SWATH公司，該公司共有5艘該型風電船投入運營。反觀國內風電運維船舶市場，CAT-SWATH船型尚未在風電運維船領域得到應用，故在其應用前探討其在國內海上風電運維領域的經濟性顯得尤為重要，這決定了該船型的應用價值和應用范圍。

CAT-SWATH船型的船體結構需在相應高速大浪的情況下保持可靠，這對造船的材料及工藝提出了更高的要求。參照國外標準，CAT-SWATH高速風電船體將采用全鋁合金打造，其船身板材焊接工藝也采用相應更為精密的雙面焊，其建造的材料成本與人工成本較普通風電運維船相比，將上浮近100%。

其材料成本可計為

(1)

式中：n為需要購入的型材樣數(shù)；Ci與Mi分別為型材單價(元/件)與型材數(shù)量，件。

其人工成本可表示為

(2)

式中：n′為需要參與的工種數(shù)；Cj與Tj分別表示不同工種的工時費(元/h)與工作時長，h。

1.2 船艙布置及舾裝設備

日常運維需求是影響高速運維船船艙布置的主要因素——由于在海上的航行時間較長，運維船應配備員工休息室、餐廳和洗手間；考慮到運維時需要大量的專業(yè)工器具，運維船需相應配備工器具室。

在舾裝設備上，除了基本的船舶航行的必要電子設備外，在前甲板上還應裝備有吊裝設備的吊機。國內有些風電運維船舶沒有采用傳統(tǒng)的頂靠方式作為登靠風機樁的方法，而是在船首裝備了輔助登靠裝置，例如：帶有海浪補償功能的舷梯和風機樁抓持設備。

這些輔助登靠裝備在增加了登靠風機的安全性外，還增加了運維船的建造成本。由此，舾裝設備成本Ceq(元)的可分為兩項，即基本舾裝設備成本Ceq-base(元)和可選舾裝設備成本Ceq-opt(元)，計為

Ceq=Ceq-base+Ceq-opt

(3)

1.3 推進系統(tǒng)與油耗

推進系統(tǒng)是高速風電運維船的心臟，配備一套功率大、馬力足的推進系統(tǒng)是保證高速風電運維船高速性和舒適性的關鍵。目前，在高速運維船領域應用較為廣泛的兩種推進系統(tǒng)型式分別為：可調槳式(CPP)和噴水推進式(Water Jet)?？烧{槳式推進系統(tǒng)在任何條件下均可充分利用主機的全部功率，并能提供較高的船舶可操作性，但其槳葉邊緣易發(fā)生空泡腐蝕，維修保養(yǎng)難度大；噴水推進可以使船舶原地回轉、快速倒車的功能且對淺吃水航行的適應性較強，但其在水質較差的海域航行時，會有沙礫吸入系統(tǒng)堵塞的風險，且拆裝較為困難。

這兩種推進型式在高速風電運維船領域的應用和表現(xiàn)平分秋色[4]。噴水推進較可調槳式推進能提供更高的航速，可以高達20節(jié)及以上。較高的航速有利于縮短從碼頭到達機位的時間，從而減小了運維人員乘船時間，能有效地降低運維人員由于暈船造成的不適。但是相應地，選用高馬力的推進系統(tǒng)的成本與其在工作時消耗的油費也隨之增加。推進系統(tǒng)成本計為Cprop(元)，其成本的高低和推進系統(tǒng)所能提供的最高航速v(km/h)成正相關。

Cprop∝Cprop(v)

油費Cpetrol(元)的計價方式為油的單價乘以推進系統(tǒng)的耗油量，值得注意的是需要考慮往返的路程，計為

(4)

值得注意的是，年出海次數(shù)n*往往由歷史運維記錄統(tǒng)計而得，考慮到高速風電運維船對于復雜海況的適應性更強，采用高速風電運維船后，預期的出海次數(shù)將比往年統(tǒng)計數(shù)據(jù)更高，這一點需體現(xiàn)在修正系數(shù)λ內。另外，考慮到運維船到達海上風電場后，還需在風電機組間進行轉移，且靠樁作業(yè)也需花費時間，故修正系數(shù)λ取值也需要對這方面進行考量。

λ～λ(海況，風場面積，靠樁方法)

若有大量數(shù)據(jù)進行參考、計算，可以得出λ的推薦值表，未來進行相似運算時可以查表取值。

1.4 高速風電運維船的總體建造成本

綜上所述，考慮到各個組成建造成本的部分，將之求和，就可以得到計算總體建造成本，計為

Coverall=Cmaterial

(5)

式中：Coverall為總體建造成本，元；C′為其他生產費用，元，其大小由實際需求決定。

1.5 后期運維成本與折現(xiàn)系數(shù)

對于高速風電運維船的運營方來說，該船每年的雜費與維修費用也是一筆可觀的開銷。雜費項目包括船的保險費、碼頭費、船上物資耗材的采購費、船員工資、水費和電費等，這些費用對于同型制的船舶相差不大，可以參考國內普通雙體運維船的費用。維修費用對于高速風電運維船會略高于目前國內現(xiàn)有風電運維船舶，但是其費用的高低對其推進系統(tǒng)的型式不敏感。每年雜費計為Cx(元)，每年維修費用計為Cmain(元)。

高速風電運維船全生命周期大約為30年，對于這30年總體的經濟性評價，就需要考慮現(xiàn)金流的時間性價值，這里就要引入折現(xiàn)系數(shù)(貼現(xiàn)因子)γ。

(6)

式中：w為折現(xiàn)率，一般取5%；y為所研究的年數(shù)，這里為30年。由(6)式計算可得，30年的折現(xiàn)系數(shù)為15.372 5。

2 高速風電運維船的經濟性效益

2.1 發(fā)電量損失減小

采用高速風電運維船后，運維團隊的快速反應性提高，其到達故障停機機組的時間縮短[6]。另外，由于高速風電運維船抗浪性提高，一些原本在大風天無法出海處理的風機故障也可以得到及時解決。基于這兩點，與使用現(xiàn)有運維船舶相比，使用高速風電運維船可以挽回大量發(fā)電量損失。年度挽回發(fā)電量損失可以通過下式計算得到：

(7)

基于此，就易于計算出年度挽回發(fā)電量的電費價值：

(8)

2.2 運維人員工作效率提高

由于采用了高速風電運維船，隨著出海時間的縮短，運維人員在海上滯留的時間也將大幅降低，這樣運維人員將有更多靈活支配的時間處理其他業(yè)務，如場站巡檢、備件維修等。從公司的層面上看，出海檢修所花費人員的時間成本減小，并增加了運維人員為公司創(chuàng)造附加價值的可能性。由于在往返海上風電場的過程中運維人員均可從高速風電運維船的快速性中獲益，故節(jié)約的時間應考慮往返，年度節(jié)約的運維人員工時費可計算如下：

(9)

2.3 替代現(xiàn)有的租賃方式

(10)

3 全生命周期的利潤概算

3.1 數(shù)學模型

影響高速風電運維船全生命周期總體利潤的主要有正相關因素和負相關因素這兩大類。當正相關因素的數(shù)值增加時，總體利潤也將隨之增加，如：挽回發(fā)電量損失、節(jié)約運維人員工時費與節(jié)約船舶租賃費等；當負相關因素的數(shù)值增加時，總體利潤將隨之減小，如：船的造價、維護費用與船所花費的油費等[7]。

以上這些子因素又與船的航速、風場的距離、出海次數(shù)等這些基本的模型輸入參數(shù)有關，現(xiàn)將這些關系借助系統(tǒng)動力學關系圖表示出來，如圖3。

圖3 系統(tǒng)動力學因素關系圖

3.2 利潤公式推導

一般地，利潤的計算為收入與支出的差值，根據(jù)圖3，將前文的各項收入之和與支出之和相減即可得到利潤。值得注意的是，成本里有一次性支出的部分，在計算全生命周期的利潤時需要考慮非一次性支出部分的現(xiàn)金流折現(xiàn)。根據(jù)前文公式，可得全生命周期利潤公式為

(11)

3.3 計算實例

江蘇某近海風電場擬自行設計并建造1艘CAT-SWATH高速風電運維船。設計單位根據(jù)風電場的實際需求選配船舶設備配置，并給出對應的價格估算如表1。已知目前風電場的運維船舶為租賃的單體運維船，日常工作航速在10節(jié)左右，年租金為250萬元包干。風場風機平均額定功率為4 MW，風場年度出海需求為200次，因天氣原因實際出海次數(shù)為180次左右，平均單次出海人數(shù)為12人，每次平均處理3臺風機的故障。運維人員工時費按照200元/h計算。考慮到出海檢修時一般為小風天，風機功率系數(shù)平均為0.4。風場的修正系數(shù)λ取1.1。電費單價取0.8元/kWh。油費取6 000元/t。

表1 船舶設備基本參數(shù)與成本表

根據(jù)本文所述的利潤數(shù)學模型，將上述參數(shù)帶入運算，可得出這艘高速風電運維船在其30年的生命周期內相較于租賃船能多產出的利潤，其對比結果如圖4。

圖4 全生命周期總體利潤對比圖

根據(jù)數(shù)學模型預測，從長遠來看造船普遍比租船經濟性效益更好，且選用功率為676 kWh的可調槳式推進系統(tǒng)可以獲得最高的30年整體利潤。故從數(shù)學模型預測結果上來看，推薦選取配備功率為676 kWh的可調槳式推進系統(tǒng)的高速風電運維船配置方案。

3.4 算法解讀

本文介紹的數(shù)學模型考慮了建設與運營風電運維船舶之中最為基本的影響因素，有些情況尚未考慮在內，例如將建成船舶出租收回成本，或將船舶在使用周期之內轉賣賺取利潤等，這些情況都將極大地影響經濟測算結果，都需要具體情況具體分析。而且，算法內的參數(shù)取值需要大量的運維管理統(tǒng)計數(shù)據(jù)來支持，才能較為精準地預測高速風電運維船的經濟性規(guī)律。基于此，在高速風電運維船在國內應用有限的情況下，本算法起參考和輔助決策作用。

在船舶選型決策時，除了經濟性效益之外還需考慮其他方面的因素，例如船舶安全、航道及碼頭情況等，這些因素都無法具體量化，即難以通過精確的計算來權衡這些因素的利弊情況，這樣不能僅從經濟性計算得出的結果來進行決策。

在一些情況下，經濟性因素并非總是被放在決策者首要考慮的地位上。雖然在前例之中，配備功率為676 kWh的可調槳式推進系統(tǒng)的高速風電運維船配置方案為經濟上最優(yōu)，但如果結合考慮到噴水推進在安全性、靈活性與航道適應性等方面的優(yōu)勢，經濟性其次的875 kWh的可調槳式推進系統(tǒng)配置方案也可成為最合適的高速風電運維船方案。

4 結 語

高速風電運維船采用了小水線面(CAT-SWATH)雙體船的船型設計，其具有出色的性能指標，在高速性、耐波性、舒適性等方面都表現(xiàn)優(yōu)異。由于是高度專業(yè)化的特種風電運維船舶，其造價十分可觀，故在建造該船之前做一個經濟性測算尤為必要。本文介紹的算法提供了一種簡便的估算高速風電運維船30年生命周期內所產生成本與收益的方法，從而進一步測算其利潤，計算結果可作為船東單位做出設備選型、推進系統(tǒng)選取、確定船舶設計航速等關鍵性決策的重要參考依據(jù)。