漂浮式海上风机原位安装技术的研究现状与展望
本文是由中国核电工程有限公司的陈建军（Jianjun Chen）撰写的一篇综述性论文，发表于期刊 Ocean Engineering 第343卷（2026年）。论文聚焦于漂浮式海上风电（Floating Offshore Wind Turbines, FOWTs）这一关键领域，系统性地回顾了其原位安装技术的研究现状、面临的挑战以及未来发展趋势。
一、 研究背景与意义 随着全球能源转型的加速，海上风电正从近岸浅水区向深远海迈进。在深度超过50米的海域，传统的固定式基础成本急剧上升，而漂浮式海上风电（FOWTs）则展现出显著的成本效益优势，成为开发深远海风能资源的关键技术。然而，FOWTs的商业化与规模化应用面临诸多挑战，其中，安装与运维（Operation and Maintenance, O&M）是核心瓶颈之一。传统的码头安装依赖超大型起重船，资源稀缺且成本高昂；而风机在深远海运行后，若主要部件（如发电机、齿轮箱）发生故障，传统的拖回港口维修方式将导致漫长的停机时间和巨大的经济损失。因此，发展能够在风机设计海域现场进行安装和主要部件更换的“原位安装技术”（In-situ Installation Technology），对于降低FOWTs全生命周期成本、提升其经济竞争力至关重要。本文旨在全面梳理该技术的研究现状，分析其技术难点，并展望其发展路径，为行业技术突破和政策制定提供参考。
二、 漂浮式海上风电（FOWTs）发展现状与安装需求 论文首先概述了FOWTs的全球及国内发展态势。国际上，自2009年挪威“Hywind”示范项目以来，FOWTs技术经历了验证、示范，正步入大规模示范和预商业化阶段。各国（如美国、韩国、日本）已制定了宏大的深远海风电发展目标。截至2024年底，中国占据了全球海上风电市场超过50%的份额，但绝大多数项目位于近岸浅水区，深远海装机容量仅占全球总量的10%。随着国内风机单机容量（从4-5 MW增至18 MW）、适用水深（从<30米到40-70米）和离岸距离（从<30公里到>70公里）的不断提升，对适应性安装技术的需求日益迫切。政策层面，中国“十四五”规划等国家战略也明确支持深远海风电开发，为包括原位安装在内的关键技术革新提供了政策框架。
FOWTs的主要结构形式（半潜式Semi-submersible、单柱式Spar、张力腿式TLP、驳船式Barge）直接影响其安装技术要求，这也是原位安装技术需要针对性解决的痛点： * 半潜式（Semi）基础：占据全球67%的市场份额，结构体积大、重量分布分散。传统码头安装需用超大型起重机将塔筒和机舱吊装到基础上再整体拖航，对于水深>50米的深远海部署，物流复杂且成本高。原位安装通过在海况现场模块化吊装部件，可消除预组装需求，减少对稀缺重型设备的依赖。 * 单柱式（Spar）基础：适用于超深水（>80米），其细长垂直结构要求安装时具有极高的垂直对准精度。传统静态定位系统难以应对波浪引起的运动，而原位安装的动态补偿技术可在3米有义波高下将对准精度控制在±3厘米以内，这对保证Spar基础的性能至关重要。 * 张力腿式（TLP）和驳船式（Barge）基础：TLP安装时需要精确控制系泊缆张力，Barge则在中等海况下面临水平稳定性挑战。原位安装通过集成实时监测系统（如TLP的张力传感器、Barge的防横摇机构），可将返工率较传统方法降低40%。
三、 原位安装技术的应用现状、优势与挑战 论文将“海上原位安装”定义为一种利用专用起重设备在风机指定海上位置直接安装风机的新型施工方法，其核心目标同时涵盖解决FOWTs运维期间主要部件现场更换的重大挑战。
主要优势： 1. 解决大型FOWTs安装资源稀缺问题，有效降低建设成本。以1吉瓦漂浮式风场为例，采用原位技术的全生命周期成本（LCC）预计为3.8亿美元，较传统码头安装降低22%。节省主要来自超大型起重机租赁费减少35%以及现场人工成本降低40%（因施工周期缩短）。 2. 解决FOWTs运行期间无法现场更换主要部件的问题，大幅降低运维成本。以苏格兰Kincardine风场为例，使用GenHook系统现场更换发电机，可将维护停机时间减少70%（从14天降至4天），单次更换成本从220万美元降至22万美元，部件运输成本降低85%。 3. 仅需拖航漂浮式基础，无需拖带整机，有效降低拖航成本及相关风险。仅拖航基础可将拖航过程中结构损坏的风险概率从8.5%降低至0.7%。 4. 增加天气窗口期，实现大型漂浮式风电场建设的流水线作业，提高工作效率。对于1吉瓦项目，原位技术可将总工期从18个月缩短至14个月，工作效率提升22%。 5. 形成可推广的产品化、标准化成果，实现更大经济效益。标准化可使设备定制成本降低30%，交付时间缩短50%。 6. 环境友好：相比长距离拖航，现场作业可将水下噪音降低70-80%，并因消除了拖航和减少了船舶待机时间，每兆瓦可减少180吨碳排放。
当前挑战与现状： 目前，FOWTs的建设仍严重依赖码头大型起重机安装（如16 MW以上风机需要4000吨级超大型起重机），运维则需解缆拖回港口进行大修，周期长、成本高。导致这一现状的根本原因包括：海上动态环境下高精度吊装、定位与连接的技术复杂性高；专用安装船/设备研发投入大、初期市场规模小；缺乏设计、施工、验收及安全运行的标准规范；需应对风、浪、流联合载荷引起的平台运动；全生命周期成本节约的潜力尚未得到充分量化和验证。
国际上，针对FOWTs原位安装及运维期原位更换主要部件的技术研发正在进行中。关于原位安装，尚无成功案例，受限于高研发投入、缺乏统一技术路线和高技术复杂性。关于运维期原位更换，已有初步实施案例，但存在局限性，例如无法更换叶片或整个机舱。 国内，针对FOWTs的原位安装尚无实质性研发。虽有陆上风机使用塔式起重机更换主要部件的实践案例，但存在类似局限，且海上风电领域尚无应用案例。
四、 国际原位安装技术方案比较与展望 论文详细比较了几种处于研发或示范阶段的国际原位技术方案： 1. 挪威Windspider技术：一种新型吊装解决方案，利用风机塔筒本身作为起重机的支撑结构。其优势在于消除了起重机与风机之间的相对运动问题，可扩展至1500吨以上有效起重能力，无高度限制，可在高风速下运行，且与现有船舶兼容。 2. 丹麦Liftra技术：一种新型自爬升塔式起重机，利用塔筒外壁爬升下降。当前型号LT1500起重机起升高度可达250米，部件重量可达120吨，主要针对投运后的运维。 3. 德国LCC140技术：采用液压抱箍爬升结构，无需预装轨道或辅助吊装设备，可直接在风机塔筒上自主爬升，实现“自装配、自爬升”作业模式。 4. 荷兰Genhook塔顶起重机：安装在风机机舱顶部，起重能力约30吨，完全依靠风机辅助电源运行。已成功应用于苏格兰Kincardine漂浮式风场，完成了“全球首次”在运FOWTs主要部件（发电机）的原位更换，但其主要用于大型FOWTs机舱内较小部件的安装与维护。 5. 中国JLL560塔式起重机：专为更换齿轮箱、发电机等核心部件设计，最大起重能力100吨，起升高度超过190米，通过自带卷扬系统实现主体“自爬升”。 6. 中国UTC600塔式起重机：最大工作载荷120吨，最大工作半径12米，爬升高度超过200米，已成功完成塔高超过140米（包括软塔）风机的齿轮箱更换作业。
这些技术在设计原理、应用范围、动态补偿精度、作业效率等方面各有特点，针对FOWTs安装与运维的不同挑战提供了多样化的解决方案。
五、 未来发展趋势与待解决问题 论文展望了原位安装技术的未来发展将聚焦于以下几个方向： 1. 技术创新与效率提升：包括开发更高效、稳定的专用起重机，重点发展“动态主动补偿技术”以抵消波浪引起的平台/吊钩运动；应用机器视觉与AI路径规划实现毫米级精准对接；利用数字孪生（Digital Twin）技术优化安装流程；集成大数据与海洋气象预报优化天气窗口选择；开发智能监测与预警系统。 2. 成本控制与经济性提升：通过技术成熟和规模效应降低成本，推行“标准化设计”和“多功能设备”，并通过大规模应用摊薄研发成本。建立平准化度电成本（LCOE）模型，量化原位技术通过减少拖航频率、缩短停机时间和提高运营效率带来的成本节约。 3. 安全性与可靠性增强：研发和应用安全保障措施，如开发鲁棒的控制系统和故障安全机制，建立极端工况作业程序。通过关键部件的长期疲劳测试和建立海上原位安装/运维可靠性数据库，提高系统可靠性。 4. 环境保护与可持续发展：采用绿色动力（如LNG、电池或氢燃料动力的安装船），优化作业流程以减少碳排放，降低对海洋环境的影响。
尚未解决的技术与实践问题： * 极端海况（如北大西洋冬季>8米波高）下的高精度动态补偿。 * 大型部件（如长度>100米的叶片、重量约2000吨的20 MW机舱）的原位更换能力不足。 * 长期环境适应性（如能否经受西北太平洋台风季>50米/秒风速的考验）缺乏验证。 * 经济模型验证缺失，目前LCOE模型基于模拟数据，尚无大型商业化原位项目验证实际成本节约。
六、 结论与未来工作 当前FOWTs原位安装技术仍处于研发和早期示范阶段，面临动态环境适应性、高成本、大型部件更换能力不足以及缺乏标准等核心挑战。然而，其在解决深远海大容量风机安装资源稀缺、降低全生命周期运维成本方面具有不可替代的潜力。
该技术是推动漂浮式风电走向深水化和规模化部署必须攻克的关键瓶颈，其核心价值在于消除对超大型码头起重机和整机长距离拖航的依赖。实现其商业化应用需要攻克高精度动态补偿、恶劣海况安全作业、大型部件原位更换及经济性验证等关键技术难题。
未来发展方向应包括： 1. 突破动态主动补偿、智能精准作业等核心技术，提升设备能力与可靠性。 2. 通过规模化应用和标准化设计有效降低成本。 3. 加快海上示范项目建设，全面验证技术可行性和经济模型。 4. 建立和完善覆盖设计、建造到运维全生命周期的技术标准与安全规范体系。 5. 加速制定统一的国际和行业标准，与国际电工委员会（IEC）等组织合作，解决区域标准差异，促进全球技术互操作性。
论文指出，沿着这些关键路径推进，FOWTs原位安装技术有望在2030年左右实现大规模商业化应用，成为深远海风电降本增效的核心驱动力。
七、 论文的价值与意义 本文是一篇系统、全面的技术综述，其价值在于： * 系统性梳理：首次从“原位安装”这一特定技术角度，系统梳理了FOWTs从结构特性、全球发展现状到具体安装方案、挑战与趋势的全链条信息。 * 数据详实：提供了丰富的市场数据、成本对比分析、技术参数比较和具体案例，增强了论述的说服力。 * 问题导向：清晰指出了当前技术发展的核心瓶颈（如大型部件更换、极端海况作业）和尚未验证的环节（如经济模型、长期耐久性），为后续研发指明了方向。 * 前瞻性展望：结合国际技术动态和国内政策市场环境，提出了切实可行的发展路径和时间表（如2030年实现规模化商用），对产业界和学术界具有重要的指导意义。 * 中国视角：特别关注了中国在漂浮式风电领域的发展现状、政策支持及市场前景，并介绍了国内的相关技术探索（如JLL560, UTC600），对推动中国深远海风电技术创新和产业发展具有参考价值。