杨佳潼，张迎宾，李建卓，邹 超

(三峡新能源海上风电运维江苏有限公司，江苏 盐城 224008)

海上风电由于享受国家电价补贴政策发展迅猛，仅2019年，国内海上风电项目总招标容量达10.7 GW，新增装机容量5.2 GW，使得中国跻身于世界前三的风电装机容量大国，仅次于英国与德国[1-2]。

随着海上风电场版图的扩张，风力发电机组的维护工作量日益增加。运维船舶是海上风电场维护工作中最主要的交通运输工具，船舶形式的选择将直接影响检修人员出海的安全性和通达性[3]。一般单体船耐波性较差，在海况复杂的海域人员容易晕船，适航性差，出航率低。常规双体船的耐波性在单体船的基础上略有提高，还没有完全解决这个问题[4]。为此，一种采用小水线面船型设计的双体船应运而生，然而，其建造成本也较普通运维船舶有大幅提升。

1 高速风电船船体结构及建造成本概述

1.1 小水线面双体船船型

小水线面(CAT-SWATH)双体船船型是一种根据海上风电实际运维需求，经过船体改良设计的新型双体船型。它具有两个基本的航行模式，即双体船(CAT)模式和小水线面(SWATH)模式，基本结构如图1，航行模式如图2。

当运维船需要以较高航速从靠泊码头尽快前往作业风场时，可采用CAT航行模式，利用双体船的快速性，快速达到作业海域；当达到风场需要在低航速下进行运维作业时，可快速转换为SWATH航行模式，利用小水线面双体船的优异耐波性，能显著降低乘船人员晕船的不适感，使得作业人员能够在一个安全、舒适的环境下进行运维作业[5]。

图1 小水线面双体船结构简介图

图2 小水线面双体船双航行模式图(来源：FOB)

近年来，CAT-SWATH双体船船型在国外海上风电运维船舶上的应用越来越多，其代表为挪威的FOB SWATH公司，该公司共有5艘该型风电船投入运营。反观国内风电运维船舶市场，CAT-SWATH船型尚未在风电运维船领域得到应用，故在其应用前探讨其在国内海上风电运维领域的经济性显得尤为重要，这决定了该船型的应用价值和应用范围。

CAT-SWATH船型的船体结构需在相应高速大浪的情况下保持可靠，这对造船的材料及工艺提出了更高的要求。参照国外标准，CAT-SWATH高速风电船体将采用全铝合金打造，其船身板材焊接工艺也采用相应更为精密的双面焊，其建造的材料成本与人工成本较普通风电运维船相比，将上浮近100%。

其材料成本可计为

(1)

式中：n为需要购入的型材样数；Ci与Mi分别为型材单价(元/件)与型材数量，件。

其人工成本可表示为

(2)

式中：n′为需要参与的工种数；Cj与Tj分别表示不同工种的工时费(元/h)与工作时长，h。

1.2 船舱布置及舾装设备

日常运维需求是影响高速运维船船舱布置的主要因素——由于在海上的航行时间较长，运维船应配备员工休息室、餐厅和洗手间；考虑到运维时需要大量的专业工器具，运维船需相应配备工器具室。

在舾装设备上，除了基本的船舶航行的必要电子设备外，在前甲板上还应装备有吊装设备的吊机。国内有些风电运维船舶没有采用传统的顶靠方式作为登靠风机桩的方法，而是在船首装备了辅助登靠装置，例如：带有海浪补偿功能的舷梯和风机桩抓持设备。

这些辅助登靠装备在增加了登靠风机的安全性外，还增加了运维船的建造成本。由此，舾装设备成本Ceq(元)的可分为两项，即基本舾装设备成本Ceq-base(元)和可选舾装设备成本Ceq-opt(元)，计为

Ceq=Ceq-base+Ceq-opt

(3)

1.3 推进系统与油耗

推进系统是高速风电运维船的心脏，配备一套功率大、马力足的推进系统是保证高速风电运维船高速性和舒适性的关键。目前，在高速运维船领域应用较为广泛的两种推进系统型式分别为：可调桨式(CPP)和喷水推进式(Water Jet)。可调桨式推进系统在任何条件下均可充分利用主机的全部功率，并能提供较高的船舶可操作性，但其桨叶边缘易发生空泡腐蚀，维修保养难度大；喷水推进可以使船舶原地回转、快速倒车的功能且对浅吃水航行的适应性较强，但其在水质较差的海域航行时，会有沙砾吸入系统堵塞的风险，且拆装较为困难。

这两种推进型式在高速风电运维船领域的应用和表现平分秋色[4]。喷水推进较可调桨式推进能提供更高的航速，可以高达20节及以上。较高的航速有利于缩短从码头到达机位的时间，从而减小了运维人员乘船时间，能有效地降低运维人员由于晕船造成的不适。但是相应地，选用高马力的推进系统的成本与其在工作时消耗的油费也随之增加。推进系统成本计为Cprop(元)，其成本的高低和推进系统所能提供的最高航速v(km/h)成正相关。

Cprop∝Cprop(v)

油费Cpetrol(元)的计价方式为油的单价乘以推进系统的耗油量，值得注意的是需要考虑往返的路程，计为

(4)

值得注意的是，年出海次数n*往往由历史运维记录统计而得，考虑到高速风电运维船对于复杂海况的适应性更强，采用高速风电运维船后，预期的出海次数将比往年统计数据更高，这一点需体现在修正系数λ内。另外，考虑到运维船到达海上风电场后，还需在风电机组间进行转移，且靠桩作业也需花费时间，故修正系数λ取值也需要对这方面进行考量。

λ～λ(海况，风场面积，靠桩方法)

若有大量数据进行参考、计算，可以得出λ的推荐值表，未来进行相似运算时可以查表取值。

1.4 高速风电运维船的总体建造成本

综上所述，考虑到各个组成建造成本的部分，将之求和，就可以得到计算总体建造成本，计为

Coverall=Cmaterial

(5)

式中：Coverall为总体建造成本，元；C′为其他生产费用，元，其大小由实际需求决定。

1.5 后期运维成本与折现系数

对于高速风电运维船的运营方来说，该船每年的杂费与维修费用也是一笔可观的开销。杂费项目包括船的保险费、码头费、船上物资耗材的采购费、船员工资、水费和电费等，这些费用对于同型制的船舶相差不大，可以参考国内普通双体运维船的费用。维修费用对于高速风电运维船会略高于目前国内现有风电运维船舶，但是其费用的高低对其推进系统的型式不敏感。每年杂费计为Cx(元)，每年维修费用计为Cmain(元)。

高速风电运维船全生命周期大约为30年，对于这30年总体的经济性评价，就需要考虑现金流的时间性价值，这里就要引入折现系数(贴现因子)γ。

(6)

式中：w为折现率，一般取5%；y为所研究的年数，这里为30年。由(6)式计算可得，30年的折现系数为15.372 5。

2 高速风电运维船的经济性效益

2.1 发电量损失减小

采用高速风电运维船后，运维团队的快速反应性提高，其到达故障停机机组的时间缩短[6]。另外，由于高速风电运维船抗浪性提高，一些原本在大风天无法出海处理的风机故障也可以得到及时解决。基于这两点，与使用现有运维船舶相比，使用高速风电运维船可以挽回大量发电量损失。年度挽回发电量损失可以通过下式计算得到：

(7)

基于此，就易于计算出年度挽回发电量的电费价值：

(8)

2.2 运维人员工作效率提高

由于采用了高速风电运维船，随着出海时间的缩短，运维人员在海上滞留的时间也将大幅降低，这样运维人员将有更多灵活支配的时间处理其他业务，如场站巡检、备件维修等。从公司的层面上看，出海检修所花费人员的时间成本减小，并增加了运维人员为公司创造附加价值的可能性。由于在往返海上风电场的过程中运维人员均可从高速风电运维船的快速性中获益，故节约的时间应考虑往返，年度节约的运维人员工时费可计算如下：

(9)

2.3 替代现有的租赁方式

(10)

3 全生命周期的利润概算

3.1 数学模型

影响高速风电运维船全生命周期总体利润的主要有正相关因素和负相关因素这两大类。当正相关因素的数值增加时，总体利润也将随之增加，如：挽回发电量损失、节约运维人员工时费与节约船舶租赁费等；当负相关因素的数值增加时，总体利润将随之减小，如：船的造价、维护费用与船所花费的油费等[7]。

以上这些子因素又与船的航速、风场的距离、出海次数等这些基本的模型输入参数有关，现将这些关系借助系统动力学关系图表示出来，如图3。

图3 系统动力学因素关系图

3.2 利润公式推导

一般地，利润的计算为收入与支出的差值，根据图3，将前文的各项收入之和与支出之和相减即可得到利润。值得注意的是，成本里有一次性支出的部分，在计算全生命周期的利润时需要考虑非一次性支出部分的现金流折现。根据前文公式，可得全生命周期利润公式为

(11)

3.3 计算实例

江苏某近海风电场拟自行设计并建造1艘CAT-SWATH高速风电运维船。设计单位根据风电场的实际需求选配船舶设备配置，并给出对应的价格估算如表1。已知目前风电场的运维船舶为租赁的单体运维船，日常工作航速在10节左右，年租金为250万元包干。风场风机平均额定功率为4 MW，风场年度出海需求为200次，因天气原因实际出海次数为180次左右，平均单次出海人数为12人，每次平均处理3台风机的故障。运维人员工时费按照200元/h计算。考虑到出海检修时一般为小风天，风机功率系数平均为0.4。风场的修正系数λ取1.1。电费单价取0.8元/kWh。油费取6 000元/t。

表1 船舶设备基本参数与成本表

根据本文所述的利润数学模型，将上述参数带入运算，可得出这艘高速风电运维船在其30年的生命周期内相较于租赁船能多产出的利润，其对比结果如图4。

图4 全生命周期总体利润对比图

根据数学模型预测，从长远来看造船普遍比租船经济性效益更好，且选用功率为676 kWh的可调桨式推进系统可以获得最高的30年整体利润。故从数学模型预测结果上来看，推荐选取配备功率为676 kWh的可调桨式推进系统的高速风电运维船配置方案。

3.4 算法解读

本文介绍的数学模型考虑了建设与运营风电运维船舶之中最为基本的影响因素，有些情况尚未考虑在内，例如将建成船舶出租收回成本，或将船舶在使用周期之内转卖赚取利润等，这些情况都将极大地影响经济测算结果，都需要具体情况具体分析。而且，算法内的参数取值需要大量的运维管理统计数据来支持，才能较为精准地预测高速风电运维船的经济性规律。基于此，在高速风电运维船在国内应用有限的情况下，本算法起参考和辅助决策作用。

在船舶选型决策时，除了经济性效益之外还需考虑其他方面的因素，例如船舶安全、航道及码头情况等，这些因素都无法具体量化，即难以通过精确的计算来权衡这些因素的利弊情况，这样不能仅从经济性计算得出的结果来进行决策。

在一些情况下，经济性因素并非总是被放在决策者首要考虑的地位上。虽然在前例之中，配备功率为676 kWh的可调桨式推进系统的高速风电运维船配置方案为经济上最优，但如果结合考虑到喷水推进在安全性、灵活性与航道适应性等方面的优势，经济性其次的875 kWh的可调桨式推进系统配置方案也可成为最合适的高速风电运维船方案。

4 结 语

高速风电运维船采用了小水线面(CAT-SWATH)双体船的船型设计，其具有出色的性能指标，在高速性、耐波性、舒适性等方面都表现优异。由于是高度专业化的特种风电运维船舶，其造价十分可观，故在建造该船之前做一个经济性测算尤为必要。本文介绍的算法提供了一种简便的估算高速风电运维船30年生命周期内所产生成本与收益的方法，从而进一步测算其利润，计算结果可作为船东单位做出设备选型、推进系统选取、确定船舶设计航速等关键性决策的重要参考依据。