本文作者为Rahul Chitteth Ramachandran（第一作者，通讯作者，所属机构为爱尔兰科克大学学院环境研究所MAREI中心）、Cian Desmond（所属机构为爱尔兰都柏林的Gavin and Doherty Geosolutions Ltd.）、Frances Judge（MAREI中心）、Jorrit-Jan Serraris（荷兰瓦赫宁根海事研究所）以及Jimmy Murphy（MAREI中心）。该论文发表于期刊《Wind Energy Science》2022年第7卷，文章于2021年10月17日收到，2022年1月21日修订，2022年2月27日接受，并于2022年4月19日正式发表。
本文是一篇关于浮式海上风电（Floating Offshore Wind）领域海洋作业（Marine Operations）的综合性综述论文。其核心主题是探讨浮式风力涡轮机在安装、运行与维护（O&M）以及退役（Decommissioning）等全生命周期海洋作业阶段所面临的挑战与机遇，旨在为这一新兴产业的商业化发展提供系统性见解和优化方向。
论文主要观点阐述
1. 海洋作业是浮式风电成本优化的关键环节，其重要性因浮式技术特点而尤为突出。 论文开篇即指出，随着浮式海上风电产业向大规模阵列式部署迈进，优化与安装、运维及退役相关的海洋活动是实现成本显著降低的重大机遇。文章引用数据指出，对于固定式海上风电场，海洋作业相关成本分别占资本支出（CAPEX）的15.2%、运营支出（OPEX）的50%和退役支出（DECEX）的80%。尽管浮式风电的精确比例数据尚缺，但已有研究表明，其安装、运营和拆除活动约占总项目成本的36%。因此，论文强调，鉴于浮式风电产业尚处于起步阶段且缺乏成熟的作业规范，这些海洋作业环节存在巨大的优化和降本空间。浮式风电作为“后来者”，可以从成熟的油气（O&G）和固定式风电产业借鉴技术和经验，但由于部署的是高动态、无人值守的浮动平台，仍需开发定制化解决方案以降低成本并提高安全性。
2. 不同浮式平台类型（Spar型、半潜式、张力腿平台TLP）在海洋作业方面各具优缺点，需在设计和选型阶段予以充分考虑。 论文以已实现技术就绪度7级（TRL7）或以上的具体项目为例，详细分析了三种主流浮式平台在安装、运维和退役方面的海洋作业策略、挑战与相对优劣。 * Spar型平台（以苏格兰Hywind项目为例）： 优点在于其运维方式与固定式底部基础风机类似。然而，其安装挑战最大，主要因其吃水深，需要近岸深水遮蔽区域进行海上组装（如扶正、压载），并依赖昂贵的重型起重船进行风机吊装对接，导致安装成本高、天气窗口限制严格。退役时也因吃水深而需在深水区进行部分拆卸，再次需要重型起重船，成本较高。 * 半潜式平台（以葡萄牙WindFloat Atlantic和苏格兰Kincardine项目为例）： 被论文认为是从海洋作业角度看最具成本效益的方案之一。其主要优势在于可在岸上完全组装，然后湿拖至风场地点，无需重型起重船。其锚泊系统安装成本相对较低，且使用易于回收的拖曳嵌入式锚。运维时，整个平台可被拖回港口进行大修，退役时也可整体拖回岸上拆解。其主要挑战在于拖航期间对波高更为敏感，需要精确的天气窗口分析，并需规划沿途的避风港。 * 张力腿平台（TLP）： 同样可在岸上完全建造。但其安装过程复杂，平台在连接张紧筋腱（Tendons）前稳定性差，通常需要专用驳船，且锚泊系统设计用于承受高张力，更为复杂昂贵。其筋腱易受疲劳损伤，导致运维成本高。退役过程也因复杂的系泊系统而面临挑战。论文指出，商业规模的TLP风电项目尚未成为现实，许多创新概念（如GICON TLP、TetraSpar）正在探索替代安装方法以降低成本。
3. 海洋作业面临多重通用挑战，其中气象海洋（Metocean）条件评估、作业环境限制和成本建模是核心。 论文将海洋作业面临的挑战归纳为几个关键领域： * 气象海洋评估与分析： 准确预测风、浪、流等条件对于规划所有海洋作业至关重要，直接影响到作业天气窗口、成本估算和安全性。论文指出，数据来源包括现场实测、数值模型、卫星测量和现有统计报告，其中现场实测最为可靠。精确的长期和短期气象海洋数据是优化作业计划、减少天气延误的基础。 * 安装、运维及退役的环境限制： 各类海洋作业（如拖航、吊装、锚处理、人员转运）都有严格的环境条件（如最大有义波高、风速）限制。例如，重型起重船作业通常要求有义波高低于1.8米，而人员通过CTV（人员转运船）转移的波高限制通常在1-1.5米。论文强调，提高各类船舶（如Walk-to-Walk人员转运船）的作业海况限制，是拓宽作业窗口、降低成本的关键。 * 浮式风电海洋作业的成本建模： 精确的成本建模对优化海洋作业至关重要。成本构成包括港口和船厂费用、运输拖航费用、现场安装费用、运维期间的 corrective 和 preventive 维护费用、以及退役拆除费用。论文指出，成本受风电场规模、离岸距离、水深、风机尺寸、所用船舶类型（日租金差异巨大）等多种因素影响。建立针对浮式风电的、更精确的成本模型是当前的研究需求。共享锚泊/系泊系统等创新有望在大规模阵列部署中显著降低材料与安装成本。
4. 健康、安全与环境（HSE）因素是浮式风电海洋作业中不可忽视的非技术挑战，需贯穿项目全生命周期。 论文指出，由于浮式风电技术新颖，目前缺乏专用的HSE规则与标准，建议参考固定式风电和油气行业的现有标准。环境方面，浮式风机的大部分结构在岸上建造，对环境的影响通常小于固定式基础。然而，锚泊系统的安装（尤其是打桩噪声）、以及电缆和锚的退役处理可能对环境产生影响，需采用减噪措施（如气泡幕、振动打桩）并谨慎选择场址以避开生态敏感区。安全方面，最大的挑战在于恶劣海况下人员通往浮动平台的通道（access）和离开（egress）。传统的“碰撞与跳跃”（bump and jump）方式仅在低波高下安全，而配备运动补偿栈桥（Motion-Compensated Gangways）的Walk-to-Work船舶能显著提高可作业波高，提升安全性。将平台拖回港口进行大修也从HSE角度更具吸引力。
5. 技术创新是应对挑战、降低浮式风电平准化度电成本（LCOE）的重要途径。 论文重点介绍了几项有潜力的技术创新： * 共享锚泊与共享系泊系统： 对于大型风电场，多个浮式风机可共享锚点或相互连接系泊线，能大幅减少锚的数量和系泊线总长度，从而节省材料和安装成本。已有研究表明，共享系统可实现高达60%的系泊系统成本节约和8%的总系统成本降低。但需解决多方向载荷、系统可靠性（避免连锁故障）以及大型船舶通行等问题。 * 浮式风机的动态定位（DP）系统： 对于超深水（>1000米）场址，传统系泊系统可能不经济或不实用。动态定位系统可用于 station-keeping（位置保持），其优势是不受水深和海床条件限制。缺点是消耗风机自身产生的电能（有研究估算可能消耗一半甚至更多发电量）。此外，DP系统也可用于在运维期间稳定平台，便于人员安全转移。 * Walk-to-Work（W2W）技术： 配备运动补偿栈桥的运维船（SOV）能够允许人员在更高海况（有义波高可达3.5米以上）下安全登离风机平台，极大拓宽了运维作业的天气窗口，减少了因天气造成的等待时间和收入损失。 * 专用船舶设计： 针对特定安装难题（如Spar型风机的海上对接），正在开发创新船舶概念。例如，WindFlip AS提出的专用驳船可将完全组装好的Spar风机水平运输至现场，然后通过压载使驳船尾部下沉，让风机竖立起来。Jiang等人提出的带夹持器的双体船安装船或带绞车和缆索的系统，旨在减少或消除对重型起重船的依赖，实现多台Spar风机的批量安装。这些概念旨在通过简化流程来降低安装成本和风险。
论文的意义与价值
本文对浮式海上风电全生命周期中的海洋作业进行了全面、系统的梳理和综述，具有重要的学术价值和行业指导意义： 1. 系统性总结： 首次将浮式风电的安装、运维和退役三个阶段的海洋作业挑战与机遇整合在一篇文献中进行深入探讨，填补了该领域综合性文献的短缺。 2. 技术对比清晰： 通过具体项目案例，清晰对比了Spar、半潜式和TLP三种主流技术路线的海洋作业特点、优劣势和成本驱动因素，为技术选择和工程设计提供了重要参考。 3. 问题导向明确： 不仅指出了当前面临的核心挑战（如气象海洋限制、成本、HSE），还识别了知识缺口和研究趋势（如共享锚泊系统可靠性、DP系统经济性、专用船舶可行性等），为未来的研究方向提供了路线图。 4. 强调创新与整合： 论文不仅回顾了现有实践，还重点介绍了处于不同开发阶段的创新方案，强调了通过技术创新和跨行业知识转移（从油气和固定式风电）来优化作业、拓宽窗口、提升安全、最终降低LCOE的必要性和可能性。 5. 产业推动价值： 为浮式风电的项目开发商、工程设计方、船舶装备制造商、政策制定者和投资者提供了关于海洋作业复杂性、成本构成和降本关键点的全面视角，有助于推动产业链协同和商业化进程。
这篇论文是浮式海上风电领域一篇重要的综述性文献，它深刻指出，海洋作业的优化是浮式风电实现成本竞争力、迈向大规模商业化部署的必由之路，并为此提供了详尽的技术分析和创新思路。