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講究安全的離岸風電工程

離岸風場除了在陸上建造風力機外,風力機自製造場地運至碼頭、碼頭上裝船運輸至場址、風力機組裝、維護營運作業,甚至最後的除役,都要在海上進行。因此,海事工程作業占了離岸風場專案全生命周期中相當大的比率。
 
 
離岸風電海事工程的複雜度遠遠超過陸上風電建置工程,重達數百噸的基礎或風力機組需由施工船運輸與安裝。在運維階段中,風場維護人員要定期乘坐人員運輸船登上風力機進行定期與非定期的檢查與保養,工作人員在波浪作用、船舶隨之運動的狀況下要安全登上風機,是風險相當高的作業。一旦有構件損壞時,還需要在海上修補或更換零組件。
▲離岸風電海事工程的複雜度遠遠超過陸上風電建置工程,重達數百噸的基礎或風力機組需由施工船運輸與安裝。在運維階段中,風場維護人員要定期乘坐人員運輸船登上風力機進行定期與非定期的檢查與保養,工作人員在波浪作用、船舶隨之運動的狀況下要安全登上風機,是風險相當高的作業。一旦有構件損壞時,還需要在海上修補或更換零組件。
 
受惠於台灣中央山脈與中國大陸武夷山脈間的狹管效應(即氣流從廣大的東海灌入兩山脈間較窄區域─台灣海峽時,因通風斷面積縮小,導致台灣西半邊的氣流加速通過的現象),台灣西部沿岸風力資源豐富,平均風速高達12 m∕s。這個數字以現今浦福風級(Beaufort scale)分級標準來看,已經達到第6級的強風(意即在這風速下,樹枝會搖動、電線會發出呼呼嘯聲、張傘困難)等級,相當有開發價值。
 
況且離岸風場相比於建置在陸地上的陸域風場,具有地形變化小、風速均勻,海域面積廣大、遠離人們居住生活範圍等優勢。因此,近年來風場逐漸有往海上開發的趨勢。
 

風場的建置 從建造到營運皆是學問

 
任何風場的建設可以想像成一個開發的專案,無論陸上與海上的風場開發專案,首先是最初的構想成形,例如風場開發商想在一塊選定的區域上建風力機、蓋風場,這時開發業者需要針對這構想進行初步評估,確認在這個區域建風場的專案具備開發的可行性(如整個風場風資源是否良好,預期能產生的電力、產電後的售電收入是否在抵銷建設過程與營運過程的成本後還能產生盈餘,是否能在現有的施工技術與施工設備上進行等)。
 
接著對這風場開發專案進行初步設計與細部設計,以規劃出這座風場中最佳的風力機規格、數量、排列方式。然後進行風力機採購,選擇適合的施工廠商安裝風力機,過程中需要從風力機製造廠運輸至預定安裝的位置組裝,使風力機能順利運轉。而後整個專案進入營運與維護期。一般而言,風力機的服役期間至少20年,維護營運期結束後則除役,把老舊的風力機除去。至此是一個涵蓋全生命周期的風場開發專案。
 
離岸風電海事工程的風險
 
陸域風場與離岸風場有什麼差別?離岸風場除了在陸上建造風力機外,風力機自製造廠運至碼頭、碼頭上裝船運輸至安裝位置、風力機組裝、維護與營運作業,甚至最後的除役,都在海上進行。因此,海事工程作業占了離岸風場專案全生命周期中相當大的比率。
 
離岸風電海事工程的複雜度遠遠超過陸上風電建置工程,重達數百噸的基礎(基樁、水下支撐結構)或風力機組需由施工船運輸與安裝。從在施工港口邊裝載到船上,裝船後從港口運輸到風機安裝的位置並安裝,整個海上施工作業如水下基礎吊裝、風力機構件組裝等,都有工程技術上的門檻,也隱含作業安全上的隱憂。如風機結構裝船過程中,因為載重位置的變化會造成傾斜,若無法掌握這種船舶穩度的變化,一不小心恐會翻覆。此外,運輸過程中在海浪起伏作用下貨物固定若不確實,可能會掉落海中造成財物的損失。
 
在海上安裝風力機時,需要能吊裝距離海平面達90~100 m高的重物,且需在風、浪的作用下保持安裝的精準度,稍有不慎恐會造成風力機組件損壞。在運維階段中,風場維護人員要定期乘坐人員運輸船登上風力機進行定期與非定期的檢查與保養,工作人員在波浪作用、船舶隨之運動的狀況下要安全登上風機,是風險相當高的作業。一旦有構件損壞時,還需要在海上修補或更換零組件。
 
整個海事工程的過程中牽涉多項機具操作,若有人員遭受工安方面的意外,將不若陸上作業般較易後送至設施較完備之處。由上可知,離岸風場各階段的海事工程有相當高的風險,無論在施工方法、機具或人員作業安全方面都面臨很大的挑戰。
 
陸域風場與離岸風場的差別
▲陸域風場與離岸風場的差別
 
離岸風電海事工程的關鍵
 
離岸風機一般由支撐結構、轉子機艙組合組成。支撐結構又可分為基座、水下結構、塔架等部分。基座是深入海床的結構,單樁式結構的基樁深入海床,因此也是基座的一部分。套管式結構的桁架式水下結構是由深入海床的基座固定。水下結構與塔架之間往往有轉接段,做為塔架與水下結構兩者不同結構型式的轉換結構,其尚含有平台供工作人員登上風力機,進而由塔架底部進入風力機機艙。
 
一般而言,離岸風力機的安裝先由基座開始,而後依次是水下結構、轉接段、塔架,最後是轉子機艙組合。海上作業的風險相當高,成功的海事作業需要適合的船舶、設備,以及專業的操作人員與完整的安全衛生體系才能達成。所謂「工欲善其事,必先利其器」,海事施工機具如船舶、吊車、相關設備等需要先確認其適用性與堪用性。其次,搭配施工機具的施工方法、步驟,以及施工條件等也要事先確認其可行性,才能掌握整個海事作業的安全性。
 
此外,海事工程所需的工程船隊包含探勘船、運輸船、拖船、浮式起重船、風力機安裝船等,船舶的動員費用極其可觀,對特殊船而言更屬昂貴。況且,整個海上作業受氣候環境影響很大,僅能在特定的風速與波浪條件下進行,工作時間會受到限制。為了減少作業時間,海事工程作業應在充分的規畫下實施。因此,亟需相關的海事工程安全評估技術,以事前掌握該作業方式使用的機具與施工方法的可行性與風險所在,確保人員與機具的安全性,並提升海事工程作業的經濟性。
 
離岸風場海事工程作業有關的重要船機,在探測期、施工期及維運各期程都有不同的需求。工程船舶的船種多達10~20種,其中與運輸、安裝關係最密切的船種是運輸、打樁、基礎安裝與風力機安裝的特殊工作船,這些關鍵船舶的功能簡述如下。
 
運輸平台∕船——一般海床基樁、水下結構運輸可以採用無動力的平台駁船運輸,也可使用具備自有動力的船隻。無動力的平台駁船需要額外的拖船拖曳移動,自航式船舶的裝載效率較高,又無需浪費時間在海上工址做錨泊定位,整體作業效能較佳,然而成本較高,使用場合應斟酌經濟性的優劣加以考量。
 
打樁平台∕船——若要進行海上精確的打樁作業,通常會採用可以定位後頂升離開水面的自升式平台∕船。因平台升至海面上後,作業就較不受海上的波浪影響,但可工作水深會受支撐腳長度、站在海床上可貫入海床的深度等有關條件的限制,需要事前調查與計算,以確保作業安全。打樁船上備有打樁錘與配合機具,以進行水面打樁作業或水下打樁作業。
 
浮式起重船在海床地質鬆軟的風場,其風力機的基座通常採用三腳式或套管式,有重量大體積也龐大的特點。若海床地質不適宜自升式平台船作業,自升式平台船可工作水深不足,最常使用的安裝方法是採用浮式起重船安裝。不似自升式平台船有支撐腳把船身頂離開水面,浮式起重船受到海況的影響較大,施工過程定位也較為困難,作業前需要仔細規劃,施工還需等待適當的天候才能作業,因此多用於安裝水下基座或變電站,而不會用於需精確定位的風力機安裝。
 
自升式安裝平台∕船——風力機通常分成塔架、機艙、葉片等組件來運輸及安裝。這些組件安裝要在海上以螺絲鎖緊,要有一個平穩的作業平台才能進行。自升式平台以支撐腳頂升,使平台完全離開海面而不受到海浪影響,並裝設有吊重大、吊升高的主吊車,以把塔筒、機艙、葉片逐一妥善吊升安裝到海面上規定的高度(通常90 m以上)。
 
自升式安裝平台∕船是風場建設與維修期必不可少的工具。風力機組因為屬於風場最重要的機械設備,通常由安裝的船隻運載到工址安裝,以避免運輸船與安裝船兩者在海上相互運動,使組件在駁運時產生額外的風險。
 
高耐海性能人員運輸船─風力機安裝後,需要調整校驗再點交給業主。在維護營運階段,技師更要經常性地登上風機作業。人員在海上工作需要有安全性高的載具,即使在較大風浪中仍能安全下上塔作業,這需要專用的高耐海性能人員運輸船,用船艏頂靠到直梯上,提供足夠的穩定性與較小的運動量讓人員可以安全登上風力機平台。
 
離岸風力機的組成
▲離岸風力機的組成
 
如何降低離岸風電工程風險?
 
 海事工程因牽涉海上作業,風險相當高。海事作業前船舶機具適用性與施工工法可行性的確實評估,是降低與掌控風險的必要措施,若已把風險降到可接受的程度,則會透過保險來轉移剩下的風險。然而海事工程作業的施工工法與搭配的船舶機具,甚至現場作業狀況是否已經把風險降低到可保險的標準?則需要有保險公司信任的獨立第三方公正機構來判斷。這種由第三方機構進行規劃階段工作程序與技術報告審閱與執行時的現場監督,以確認海事工程風險已經降低至可接受標準的模式,稱為海事保證鑑定。
 
先進的離岸風電歐洲國家已建立完整的海事工程認證體系,執行海事保證鑑定的單位是接受風場開發商或海事工程分包商委託,而進行的工作程序審閱與海上作業監督,其內容包含海上操作的風險與工法工序的可行性評估。除報告審閱外,也會進行海上作業現場監督,以確認是否按照核准過的工作程序與評估報告的現況施工。
 
若保險公司承認該進行海事保證鑑定的第三方專業機構所發的證書效力,一般而言會承接該海事工程作業的保險。萬一在海事保證鑑定單位簽署證書的工作範圍內發生財產損失,保險公司必須據以理賠。反之,若未遵循海事保證鑑定單位簽署報告或證書的工作範圍或程序作業,縱使發生意外,保險公司也未必會出險理賠。
 
具第三方獨立認證資格的認證機構依其認證的對象有不同的分類,例如有針對船舶、機具等相關設備為認證對象者。至於以海事操作認證的組織,稱為國際海事保證鑑定者協會,還有一些海事保證鑑定單位可被保險公司接受。國內雖已建立船機認證體系,然在施工工法的安全評估技術與具海事保證鑑定的海事工程認證體系方面,相關能量尚在建立中。
 
自升式平台船
▲自升式平台船
 
離岸風電工程的安全保障——海事保證鑑定程序
 
一般而言,海事保證鑑定涵蓋的項目包括裝載、海上運輸、吊裝、離岸風場結構安裝、電纜鋪設、海底作業等。認證的重點有:確認海事操作規劃與作業依據現存實務的技術法規或規範、確認使用的船機設備與場所符合現存的業界實務、確認施工時船機設備在安全的操作範圍內使用。
 
海事保證鑑定機構會依據前述原則執行相關文件審閱,如計算書、圖說、程序書、設備證書、使用手冊、相關報告,以確認該海上作業符合安全的標準並發出證書,所發出的證書可分為概念證書與實體證書。
 
概念證書是相關裝船∕安裝之前開具的證書,也有稱為合格聲明者,如鋪設、埋置、噴注、拋石、挖溝,包括捲筒與豎管的接頭與安裝程序,導管架的定位及導向程序,打樁程序,重型吊船上裝船、裝載與適航固定等相關文件的合格證明。在海事保證鑑定單位審閱相關文件的過程中,會檢視所提出的工作程序是否可行,審閱單位若覺得程序上的關鍵步驟有風險較高的疑慮時,文件遞交單位需做進一步說明與計算。
 
例如在港邊裝載風力機的過程中,要考慮風力機零組件放在船舶甲板上時,因為載重位置的改變使得施工船穩度產生的變化。若所留的餘裕不足,很可能有翻覆的風險,因此在遞交給海事保證鑑定單位審閱的文件中,便要包含相關的穩度計算,以確認在預定的裝載狀況下,船舶的穩度仍然足夠。
 
另外一個例子是海上運輸過程的評估。施工船在海上載運風機元件到場址,期間受到波浪作用力的整個船體會產生加速度,這時風機元件若能確實固定於船體,會有與整個船體相同大小的加速度。因此,負責把風機元件「綁住」的繫固結構,其強度要能承受得住元件在該加速度下產生的慣性力作用,這就是所謂的海上繫固分析。海上繫固是運輸分析中相當重要的部分。
 
有形證書則是開始相關工作之前發出的證書,也稱為審批證書。如駁船自港邊至海上施工場址時的裝船、運輸過程,海上施工場址吊裝及定位、放下、固定程序等,這些過程在前面階段都已取得合格聲明,意即在文件審閱階段都已確認使用的工法、船機,搭配的環境條件等,其風險已降低至可接受程度。在這階段,便要確認實際作業時是否按合格聲明所列的範圍確實執行。
 
例如拖帶作業,首先要確認拖船的馬力是否足夠抵抗被拖的平台在海上所受的風力、波浪力、海流力。在文件審閱階段,應已針對各種風、波、流力組合評估出可出航的風速、波高與海流流速。在實際作業時,海事保證鑑定單位要依據氣象預報資料與合格聲明所列條件判斷是否可開始作業。若現場監督者認定各項條件都符合施工條件,則會簽署審批證書,表示這項作業已由海事保證鑑定現場監督者認可進行。
 
國內尚欠缺離岸風場相關海事工程的實績,且以往應用於國內海事工程的施工船舶或機具,乃至於施工工法,都未要求需通過第三者認證機構的認證,因此如何使國內海事工程業者的施工機具與施工能量能達到國際級的安全作業標準,是切入國內離岸風電場開發產業供應鏈的關鍵。台灣產業在國內風場的海事工程服務上具有地域上的優勢,應掌握國內開發離岸風場的契機,提升技術能量,參與這高達數百台風力機的安裝與運維,除了能有效促使離岸風場如期如質建置完成外,也可從中帶動國內海事工程產業技術升級與產業發展。
 
 
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