第 37 屆海洋工程研討會論文集 國立中興大學 2015 年 11 月 th Proceedings of the 37 Ocean Engineering Conference in Taiwan National Chung Hsing University, November 2015 離岸風電專用碼頭規劃研究 林俶寬 1 廖學瑞 2 連永順 3 1 台灣世曦工程顧問股份有限公司副理 2 台灣世曦工程顧問股份有限公司資深協理 3 財團法人工業技術研究院綠能與環境研究所研究員 摘要 為推動國內替代能源開發 經濟部能源局規劃在 20 年前建置 600 架海上風力發電機組 然海上風力發電機組之建造與安裝所面對之環境較一般工程更加嚴峻 除地形 地質 地震等 基本條件外 海域中之風 波 流 潮汐等對工程人員及船機都是一大挑戰 而此施工船機皆 須依靠必要之補給 靠泊或避難之港口 但國內目前並無相關港埠設施可資使用 亦無類似之 船機與配套港埠設施之實際建造經驗 如何建置此施工船機與港埠專用碼頭等關鍵技術 須透 過國外技術引進 才能順利完成工作 基此 本文乃蒐集國外既有相關案例 並分析國內可能 動用之輔助船機與碼頭設施 針對建造與安裝所需之港埠物流作業技術重點作一初步探討與分 析 俾利未來實際施工之參考 關鍵詞 頂昇式平台船 支撐結構及基礎 吊架 專用碼頭 The Study of Specific Quays Planning for Offshore Wind Farm in Taiwan Chu-Kuan Lin * Shynre-Ruey Liaw Yung Shun Lien * Deputy Manager, Department of Harbor and Coastal Engineering, CECI Engineering Consultants, Inc., Taiwan ABSTRACT For coupling with the green energy exploration, the government of Taiwan plans to develop the offshore wind farm and establish 600 offshore wind turbines before 20. Since the offshore marine work is the first project, it has become a serious challenge to construct and install marine structures and offshore wind turbines on open sea in Taiwan. A suitable port devices such as specific quays provide above work vessels to berth and to transit logistic supply including materials and persons will be necessary. The study tries to collect and analyze the data of vessel and specific ports facilities in Europe in order to find a development aspect for domestic marine industrial in the future. Keywords: Jackup barge; Substructure and foundaton; Crane; Specific quay 2020 年前完成離岸風力機裝置容量 0MW 以上 一 前言 更於民國 2015 年七月二日公告能源局公告 離岸風 為順應世界潮流及因應全球暖化減少溫室氣體 力發電規劃場址申請作業要點 鼓勵民間參與風電 排放量 近年來各國政府莫不積極尋找替代能源 產業之投資 並預定至民國 20 年前設置 600 架海 減少對石化能源之需求 經濟部能源局乃於 2012 上風力機 正式啟動國內離岸風電產業 年 7 月 3 日公告 風力發電離岸系統示範獎勵辦 然海上風機建造所需動用之船隊龐大 由基礎 法 預計民國 2015 年將設置 6 架離岸示範風力機 建造至風力發電機組之裝設 必須動用之船機包括 -697-
各種吊架 打樁 佈纜 運輸 交通 警戒等 為 使海上工作能順利完成 許多相關技術與設備 含 物流補給 人員運輸及風力機裝載所需之碼頭設施 等皆必先完成 並在考量海氣象之天氣窗期(weather window)之情況下 先在碼頭備妥後出港施工 此 施工程序必先制訂嚴密之施工計畫與船舶調度計畫 後 才能降低海上施工風險 基此 本文之乃從(1) 既有相關規範(specificate)或指引(guideline)蒐集分 析;(2)國內相關案例經驗分析;(3)國外資料及相關案 例蒐集分析;(4)實地參訪紀實等方法研擬出適合於 離岸風電專用碼頭規劃時應注意事項及其配置原 則 供未來有興趣參與風電產業之業者參考 圖 1 離岸風機主要構件(Jacket type)示意 其中有關國內與離岸風電有關之經驗 茲因國 內離岸風電產業正值起步階段 雖然 104 年 8 月底 單樁式 前才完成離岸之海氣象觀測塔 2 座 然此階段所累 (Mono pile) 三腳管式 (Tripod) 管架式 重力式 (Jacket) (Gravity) 積之經驗尚不足以應付未來離岸風力機組之海上施 工 本文遂參考此二座離岸海氣象觀測塔之施工經 驗 以施工碼頭台中港 2 碼頭上之規劃配置略作 分析 然後結合台中港未來整體規劃構想 在適當 之地點上規劃出適合離岸風電施工之專用碼頭 二 離岸風場施工船機規格 為探討離岸風場開發所需用到之船機與相關技 術 必須先瞭解離岸風機之組成要件 如圖 1 所示 離岸風機主要構件包括 風機本體 風力機基座(水 資料來源 http://www.theengineer.co.uk/in-depth/the-big-story/wind-en ergy-gets-serial 本文整理 下支撐及基礎) 電力系統(含海底電纜)三大項 其 中水下支撐及基礎部分又可概分為 單樁式 圖 2 離岸風力機主要基座(支撐結構及基礎)型式 (Monopile) 三腳管式(Tripod) 管架式(Jacket)及重 為轉接段以下將風機組荷重傳遞至海床之支撐結 力式(Gravity)四大類等 如圖 2 所示 所用到之施 構 基礎部分則為將支撐結構固定於海床上之地下 工船機均需配合工程主體的需求而有所不同 例如 構造物 然不論何種風力機基座 其結構物尺寸皆 水下支撐結構之施工就必須使用打樁船機 而風機 相當龐大 例如單樁基礎之管徑就約達 5 公尺 6 現場安裝時就必須使用吊裝船機 海底電纜鋪設 公尺之間 管長配合水深及地質條件動則 40 公尺以 時 又使用佈纜船等 每一種船機特性皆是不同 上 就施工性而言 必須動用大型船舶機具 同時 如何將其整合而納入離岸風場工程中 即成為整個 掌握施工精度才能符合施工規範要求 至於轉接段 開發案成功與否之重要關鍵 進而也影響港埠設施 之施工 基本上僅需考量運送船機之可負載重 吊 之平面配置與承載能力等需求 裝設備及灌漿工作等較制式行為 仍須具足夠能量 2.1 風力機基座施工 之施工船機 方可順利作業 離岸風力機基座由上到下分可為轉接段 由於支撐結構及基礎部份因須先拋放防淘刷保 (Transition piece) 支撐結構及基礎(Substructure and 護層及辦理基樁打樁工作 其施工難度較高且對施 Foundation)等三部份 其中轉接段為連接風機塔架 工船機需求大 因此 若能順利解決基座施工問題 與支撐結構與基礎之過渡結構 而支撐結構基礎則 則轉接段亦可順利執行 基本上無論選用單樁式基 -698-
礎或是三腳管式基礎 基本施工流程均大同小異 均先進行打樁後再安裝支撐結構 目前經常使用於 離岸風機之施工船機 多為國外之大型打樁船機(詳 如圖 3) 或以大型頂昇式平台船上架設打樁機(詳如 圖 4)搭配使用 圖 7 佈纜船吊放犁埋機 ROV 作業圖 2.3 離岸風力機之施工船機 按照各類型風機尺寸與重量 經蒐集歐洲地區 目前風機構件之運送方式 得知主要係依據外海現 場裝配 組立現況及躉運港口周圍環境變動 選擇 資料來源 http://www.workboatsinternational.com/ 運載方式 再採用不同之躉運方式由港區輸運至安 圖 5 SKK-7000DT-L 打樁船示意圖 裝現場 雖然配合運輸方式於外海建造現場進行風 機裝配可減輕風險 但卻間接引起海事環境可能造 成影響之風險 目前歐洲風力電場開發案例中 有 經驗之風機製造商及立約廠商 較常希望使用專用 船機(Purpose-built vessels) 如具有自升能力之船機 (Jack-up vessels)用來建構風機 以符合便利性及節 省成本之需求 其運載方式包括 BE1T BE2T R2T SP5 及 SP6 等 5 種模式 如圖 8 所示 資料來源 http://www.4coffshore.com 圖 6 JU0059 頂昇式平台船施工安裝示意圖 2.2 離岸風機之海纜施工船機 如圖 7 所示 海底電纜為聯接離岸風機 資料來源 Emre URAZ Visby (2011), Offshore (Offshore Wind Turbine)及陸域電力網(Grid)之主要 Wind Turbine Transportation & Installation Analyses, 設備 在風機與風機間之海底電纜通常稱為場內海 Master Thesis, Sweden 纜(Inter Array Cable) 聯繫到上岸人孔之海底電纜 圖 8 離岸風機安裝船之裝載模式示意圖 通常稱為輸出海纜(Export Cable) 其施工方式通常 採用專業佈纜船(Cable Ship)搭配噴埋機或犁埋機 除上述載運離岸風力機組外 現場安裝須使用 (ROV, Remote Operation Vehicle)進行 如圖 7 所示 特殊船機 一般而言皆採用有頂升能力之動力船 而佈纜船因須考量定位問題 一般而言會增加 (Jackup vessel)或駁船(jackup barge) 但又需配合不 DP(Dynamic Positioning)系統 不僅增加船舶之穩定 同之載運方式 其功能亦有所差異 惟初步統計安 度 亦可面對小型風浪 固定船舶位置 以免損傷 裝船隻尺寸如表 1 所示 海底電纜 或撞擊風機支撐結構 -699-
表 1 離岸風力機安裝船尺寸表 單元特性概要 總長(Length Overall) 表 2 離岸風電專用碼頭設施最小需求分析表 尺寸 90 140 m (0 450 ft) 港口設施 規範 設施最小需求 航道寬度(m) 1.1 倍船長 150m 航道水深(m) 船寬(Beam) 40 m (100 1 ft) 吃水(Navigation Draft) 3.6 4.9 m (12 16 ft) 支架高度(Leg in up position) 塔架 兔耳高度(Tower section Bunny ears) 起重機收存高度 滿載吃水+波浪 10m 俯沉+淨餘裕+底 床因素 多樣性 約 46m (150 ft) 碼頭長度(m) 船長+船寬 158m 碼頭水深(m) 滿載吃水+波浪 10m 俯沉+淨餘裕+底 床因素 46m (150 ft) 碼頭後線土地面 參考歐洲案例 4ha 參考歐洲案例 10 t/m2 積(ha) 多樣性 碼頭承載力 2 (t/m ) 三 離岸風電專用碼頭規劃 3.2 離岸風電專用碼頭規劃考量因 子 3.1 國外離岸風電碼頭案例分析 3.2.1 風力機組之重量及尺寸 有關歐洲離岸風場開發之專用碼頭相關設施 包括 碼頭水深 碼頭寬度 碼頭承載力 碼頭後 離岸風電碼頭之規劃配置前必先瞭解風力機及 線土地面積 裝卸吊架及數量等 經蒐集相關資料 其支撐結構與基礎各重要構 組件之重量與尺寸 以荷蘭之 BOW Terminal Vlissingen 港區為例進行分 遂依據 DNV GL 統計歐洲主要離岸風場之相關資 析 BOW Terminal Vlissingen 位於荷蘭 緊臨北海 料 並考量離岸風機之未來發展趨勢 有關離岸風 最大水深 11m 港口寬度 250m 潮差 5m 碼頭總 力機及支撐結構之重量資料概如表 3 所示 而較細 長 1,400m 碼頭承載能力為 15 t/m2 碼頭後線可 部之風力機組件尺寸則以 Vestas3.0MW 離岸風機之 用儲區面積約 13 公頃 可開發土地規模約 7 公頃 相關尺寸作為參考 包括 機艙(Nacelle incl. hub) 有關離岸風電專用碼頭發展現況及未來區位 詳圖 葉片(One blade) 轉接段及塔架(Tower section).. 9 所示 等 如表 4 所示 表 3 離岸風力機整機構組件重量尺寸表 資 料 來 源 ASSESSMENT OF PORTS FOR 資料來源 http://www.4coffshore.com OFFSHORE WIND DEVELOPMENT IN THE UNITED 圖 9 荷蘭 BOW Terminal Vlissingen 碼頭配置 STATES, 2014 本文整理 依據上述國外案例 本文初步整理分析未來國 其中表 3 在風力機部分 碼頭承載力需求約 內建造離岸風場專用港埠或碼頭等設施時 其最小 10t/m2 而支撐結構中則以單樁式支撐結構要求碼 需求如表 2 所示 頭承載力最高 約 20 27t/m2 但管架式之碼頭承 載力需求則須視儲存的方式而定 例如採平躺式儲 -700-
存時, 其碼頭承載力需求約 13t/m 2, 但如採站立式儲存方時則高達 25 t/m 2 以上 表 4 離岸風力機構件尺寸表 風力機構件單樁基礎 (Monopile foundation) 轉接段 (Transition piece) 機艙 (Nacelle incl. hub) 單一葉片 (One blade) 塔架 (Tower Section) 重量 (Tons) 150~210 (for 27~40 m long) 500 (for 60 m long) 170 長度 (m) 27~40 to up to 60 17 per unit 高度 (m) 寬度 / 直徑 (m) N/A D:5.1 / 5.5 N/A D:4.2 125~150 14 3.3 W:3.9 13~18 55 N/A Max. W:4.2 約 70 32.5 組合後 60 d:4~4.6 至於表 4 所示之重要構件中, 以葉片長度最長, 可達 55 公尺以上, 且未來風機大型化趨勢, 葉片長度將朝更長更寬方向發展, 故碼頭儲存區之長度及載運卡車之轉彎半徑將為另一項挑戰 而重量部份則以機艙之重量最高, 儲存區至碼頭面裝卸時, 必須使用多輪車, 方能降低儲存區及碼頭面層之承載力 3.2.2 支撐結構與基礎之重量及尺寸除碼頭之承載力需求外, 碼頭上存放離岸風電之支撐結構與基礎所須知面積亦需一併分析, 故蒐集國外相關資料, 以未來國內可能採用之支撐結構與基礎型式 管架式進行探討, 詳如表 5 所示 由表可知, 承載愈大之風力機組則支撐結構愈重, 但雖然設置之水深皆在 25 公尺, 但考量結構體與風力機組之整機自然振動頻率必須在 1P~3P 之間, 各管架間距未必因風力機組變大而增加 考量未來離岸風力機有朝大型化之發展趨勢, 目前示範獎勵辦法所採用之 4.0MW 風力機組, 可能未來之市佔率降低 因此, 依據經濟部能源局之 離岸風力發電規劃場址申請作業要點 以近期內可能使用之機型 5MW 為目標, 評估離岸風電碼頭及其後線土地利用之需求, 以作為規劃之輸入因子 表 5 支撐結構及基礎重量尺寸表 構風力機型 (MW) 參數件 5 6 7 8 管架重量 609 664 759 834 固定樁 (X4) 重 284 328 372 416 量 [t] 多輪車軸數 25 28 31 34 管架間距 [m] 25 23 20 18 到 TP 高度 [m] 58 58 58 58 管 儲存面積 ( 平 1740 1601 1392 1253 架式 躺 )[m2] 儲存面積 ( 站 750 635 480 389 立 )[m2] 承載面積 48 48 48 48 (4 固定塊分配載重 )[m2] 固定塊下之承載力 [t/m2] 13 14 16 17 資料來源 :ASSESSMENT OF PORTS FOR OFFSHORE WIND DEVELOPMENT IN THE UNITED STATES, 2014, 本文整理 3.3 離岸風電專用碼頭配置方案 依據能源局之離岸風場開發之規劃, 預定 20 年前完成 4000MW 之開發量, 如以每架 5MW 之風力機來估算, 由 2020 年 ~20 年必須每年製造約 60 架風力機, 同時參考國外相關案例, 每座碼頭每年約可製造 20~ 架整機之離岸風力機組, 推估國內必須規劃至少 2 席離岸風電專用碼頭方敷使用 但考量國內海氣象條件每年僅有 4 月 ~9 月適合進行海上施工作業, 幾乎半年時間無法施工之情況下, 碼頭後線之儲存面積至少需達 架整機風力機組以上, 故每 2 席碼頭之作業面積需求分析如表 6 所示, 共約 6.2 公頃, 如再考量裝卸運輸所需之寬幅則需約 7.4 公頃 如依據工研院民國 102 年之 離岸風電配套港埠設施方案研究 結果顯示, 考量台灣西部海域北起桃園南至雲林布袋外海屬於風能較佳之區域, 故以台中港作為離岸風電碼頭之進出口港埠及後續營運港埠較佳, 因其在地理位置適中, 且為國際商港, 目前又為陸域風機進口港口, 已有相關營運經驗 基此條件與情境分析下, 台中港 #5A 及 #5B 碼頭之運輸經濟 與物流支援等條件最佳, 初步規劃結果詳如圖 10 所示, 包括未來運送支撐結構 (substructure) 及機艙 (Nacelle) 之重件輸送軌道等 -701-
機 表 6 離岸風電專用碼頭配置面積需求 風力機組構件 單元尺寸 數量 支撐結構 20mx40m 支撐結構組裝廠 鋼管樁 (pile,d=1.2m) 塔柱第三節(直立) 塔柱第一二節(橫 放) 機艙(Nacelle incl. hub) 葉片(blade,3 支一 疊) 海上離岸風機之安裝施工往往為計畫成功與否 儲存面積 m2 之重要關鍵 其中又以施工船機影響最大 而符合 24,000 施工船機要求之專用碼頭 更是重要的一環 依據 104mx180m 1 18,720 歐洲目前常用於離岸風電之大型吊船 其作業能量 L=75m 120 6,000 D=4.2~4.6m 750 D=4.2m,L=60m 1,800 14mx4m 1680 4.2mx66m 90 8,820 包括吊重 1000 噸 吊高 100 公尺以上之最小需求資 料 台中港 5A 及 5B 碼頭之基地面積族敷離岸 風電使用 如能及早詳細規劃施工 則未來離岸風 電之主要產業基地與永續發展 將指日可待 參考文獻 1. 財團法人工業技術研究院(2011)台灣風能評估 手冊 2. 財團法人工業技術研究院(2013)離岸風電配套 61,770 合計 港埠設施方案研究 3. 4C offshore Limited (2014) Ports Database for the Offshore Wind Industry, http://www. 4coffshore. 葉片 區 節 儲存 II) 2, (I, 第1 區 儲存 II) (I, 及 I) 結構 區(I 支撐 儲存 節 基礎 北突堤 第三 區 存 儲 查驗站 機艙 區 儲存 及 結構 廠 撐 裝 支 組 基礎 輸 重件 com/windfarms/portsearch.aspx 4. 4C offshore Limited (2014) Ports Database for the Offshore Wind Industry, http://www. 4coffshore. com/windfarms/vesselsearch.aspx 5. Carl A. Thoresen (2010) Port designer s handbook, Second edition. 6. Emre URAZ Visby (2011) Offshore Wind Turbine Transportation & Installation Analyses, Master 道 送軌 Thesis, Gotland University, Sweden. 7. Engineer theengineer. 及 I) 結構 區( 撐 存 支 儲 基礎 Company co.uk/ (2013) http://www. in-depth/ the-big-story/ wind-energy-gets-serial 8. Garrad Hassan America, Inc. (2014) Assessment of ports for offshore wind development in the UNITED STATES. 圖 10 離岸風電專用碼頭規劃配置方案 9. Tetra Tech Ec, Inc. (2010) Port and Infrastructure Analysis for Offshore Wind Energy Development,. 四 結論與建議 離岸風力電場之開發在台灣為首次案例 雖然 歐洲北海已有許多經驗可資參考 但由於台灣地區 地域特性與北歐地區截然不同 有許多關鍵問題 包括施工船機與港埠設施等必須借重國外之技術引 進與移轉 政府單位為順利推動整個離岸風電替代 能源之開發 已從產 官 學等三方面同時著手 希望透過各方面技術整合希望為台灣產業帶來新契 -702-