自升式風(fēng)電安裝平臺升降裝置的控制

陳牡丹

(上海航盛船舶設(shè)計有限公司， 上海 200011)

自升式風(fēng)電安裝平臺升降裝置的控制

陳牡丹

(上海航盛船舶設(shè)計有限公司， 上海 200011)

介紹了“藍(lán)潮1001號”液壓環(huán)梁插銷式升降裝置的概況。分別描述了其控制系統(tǒng)的工作原理、控制系統(tǒng)的配置、操控部位的設(shè)置、控制模式及液壓動力裝置的控制。該平臺已投入使用，經(jīng)實際運(yùn)行證明，該系統(tǒng)可靠性和安全性高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，能夠滿足風(fēng)電安裝平臺的升降要求。

水上平臺； 風(fēng)電安裝平臺； 升降裝置； 液壓控制系統(tǒng)

0 引 言

利用潮間帶風(fēng)電場實現(xiàn)海上風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為世界新能源的發(fā)展方向。用于在此類區(qū)域進(jìn)行風(fēng)電設(shè)備安裝的自升式風(fēng)電安裝平臺也已陸續(xù)建造并投入使用。由上海航盛船舶設(shè)計有限公司自主研發(fā)設(shè)計的“藍(lán)潮1001號”為鋼質(zhì)四樁腿自升式海上風(fēng)電安裝平臺，艏艉部共設(shè)有全回轉(zhuǎn)舵槳4臺，可在作業(yè)區(qū)域機(jī)動調(diào)遣并具有輔助定位功能，用于江蘇沿海一帶風(fēng)電設(shè)備的安裝。作業(yè)水深為25 m，在水深很淺的地方可以趁漲潮進(jìn)入。

自升式海上風(fēng)電安裝平臺利用可升降的樁腿將船體上升到海面一定的高度，并能支撐整個平臺在海上作業(yè)[1]，避免水流、波浪對平臺直接作用而影響平臺作業(yè)的安全和穩(wěn)定。因此，升降控制系統(tǒng)是自升式風(fēng)電安裝平臺升降裝置中的關(guān)鍵部分，其配置的合理性和可靠性是平臺順利實現(xiàn)升降的保證。本文介紹“藍(lán)潮1001號”的升降控制系統(tǒng)，可為同類系統(tǒng)的設(shè)計和使用提供參考。

1 升降裝置概況

“藍(lán)潮1001號”平臺滿足中國船級社(CCS)“海上移動平臺入級與建造規(guī)范”和“海上移動平臺安全規(guī)則”。圖1為本平臺船體抬離海面的實際情況。

圖1 船體抬離海面的實際情況Fig.1 Actual status of the unit jacking up

本平臺升降機(jī)構(gòu)為液壓環(huán)梁插銷式。樁腿升降和船體升降是依靠液壓升降系統(tǒng)和升降裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行的，通過控制套在樁腿四周的固定環(huán)梁和移動環(huán)梁上插銷的交替插入和拔出(插銷與設(shè)置在樁腿上的4排插銷孔相配合)以及升降油缸伸縮等操控，實現(xiàn)并完成插樁、預(yù)壓、船體提升、固樁、船體下降和拔樁等一系列動作。

當(dāng)平臺(船體)抬離海面時，整個平臺通過甲板面上的4個固樁架彈性地懸掛在4根樁腿之上。平臺升降或樁腿升降依靠升降油缸活塞桿的伸縮帶動上環(huán)梁上下運(yùn)動，固樁架與樁腿的相對位置是由固樁架內(nèi)上、下環(huán)梁四周的插銷來限定的。圖2以平臺舉升為例表示其中一排插銷的動作情況，其中：圖2(a)所示為初始狀態(tài)，下環(huán)梁插銷已插入樁腿插銷孔，上環(huán)梁插銷準(zhǔn)備拔出，此時負(fù)荷已轉(zhuǎn)移至下環(huán)梁插銷上;圖2(b)所示為上環(huán)梁插銷拔出，升降油缸缸頂端即活塞上腔進(jìn)油，活塞桿伸展，以下環(huán)梁插銷為支點(diǎn)，向上推動上環(huán)梁，通過平衡器將固樁架向上頂升，連帶平臺向上舉升;圖2(c)所示為升降油缸走完一個行程(相當(dāng)于樁腿插銷孔一個節(jié)距)后，上環(huán)梁插銷插入并將載荷轉(zhuǎn)移至上環(huán)梁插銷上;圖2(d)所示為下環(huán)梁插銷拔出，升降油缸活塞桿開始回縮;圖2(e)所示為升降油缸回縮了一個行程后，下環(huán)梁插銷插入，此時平臺已舉升了一個節(jié)距，升降油缸和下環(huán)梁回到初始狀態(tài)，即可進(jìn)行下一個循環(huán)。

圖2 平臺舉升時插銷的動作情況Fig.2 Action of the pin when the unit is jacking up

利用同樣的工作原理可實現(xiàn)放樁、預(yù)壓、升起船體、降下船體、拔樁、提樁[2]等操作。

2 升降裝置的控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)的配置要求

在安裝平臺定位于某一工作位置準(zhǔn)備插樁前，必須進(jìn)行壓載調(diào)整，并調(diào)整甲板上的負(fù)荷分布，移動可變負(fù)載，使甲板上的負(fù)荷均勻分布，保證平臺處于水平位置，便于樁腿鉛直下垂，使得受力后各樁腿負(fù)荷均勻。在平臺升降過程中也始終要監(jiān)測平臺的傾斜度，出現(xiàn)不正常的傾斜必須及時報警，通過可編程控制器(PLC)的平臺平衡控制程序?qū)Ω鱾€比例換向閥的控制來調(diào)節(jié)樁腿的速度，使得傾斜度回到設(shè)定值以內(nèi)[2]。因此控制系統(tǒng)需要配備測量平臺姿態(tài)的傾斜測量儀表或傳感器。

在控制插樁深度和預(yù)壓操作時都需要控制樁腿壓力，其他工況下也必須隨時監(jiān)測各根樁腿的受力情況，因此樁腿受力情況的測量與顯示儀表不可缺少。測量升降油缸中液壓油的壓力就能反映出液壓缸作用在樁腿上的力。4根樁腿內(nèi)升降油缸為雙作用式，活塞桿端和缸頂端都需安裝壓力變送器。活塞桿端的壓力變送器用來指示樁腿提升和拔出時的壓力(或換算成載荷)，缸頂端的壓力變送器用來指示平臺提升和預(yù)壓時的壓力(或換算成載荷)。壓力測量以及監(jiān)測報警是整個控制系統(tǒng)中重要的組成部分。

由于上、下環(huán)梁上插銷的插入和拔出等控制的需要，必須提供升降油缸行程的中間位置、插銷的完全插入位置、插銷的完全拔出位置等可靠定位信號，因而還需配置大量的行程開關(guān)和指示信號裝置等。

升降油缸還需配置行程測量傳感器，便于在控制臺上觀測到各升降油缸在運(yùn)動過程中的位移情況。在上、下插銷的受力分析及彼此間負(fù)載轉(zhuǎn)移過程中也需要比較精確的位移信息。

平臺升降操作是全船性的綜合控制和統(tǒng)一指揮項目，必須能夠應(yīng)對一些突發(fā)情況，如控制電源斷電、升降油缸液壓軟管破裂、液壓動力裝置的油箱液面低于規(guī)定高度、升樁機(jī)構(gòu)部件損壞等，此時還應(yīng)建立應(yīng)急切斷系統(tǒng)，每一操控部位都要設(shè)立應(yīng)急停止按鈕。在操作人員的干預(yù)下所有樁腿升降系統(tǒng)的動作應(yīng)可立即停止并保持其所在位置。

2.2 操控部位設(shè)置和平臺升降控制模式

平臺升降控制是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，既要有對4根樁腿協(xié)同動作的全局性控制，又要具備單根樁腿的局部調(diào)整性控制功能。在本平臺最高一層甲板上設(shè)有中央控制室，室內(nèi)主要布置了中央升降控制臺。在中央控制室內(nèi)能清晰地觀察到4根樁腿的全貌，便于統(tǒng)一指揮整套樁腿的升降操作。另外，在每根樁腿旁邊設(shè)現(xiàn)場控制臺，可進(jìn)行單樁控制和調(diào)整。

中央升降控制臺和現(xiàn)場控制臺可實現(xiàn)的控制模式并不完全相同。中央升降控制臺可對4根樁腿進(jìn)行遠(yuǎn)程控制主要有兩種控制方式可供選擇。

一種為“半自動控制”。在此控制模式下，上、下環(huán)梁插銷的插入和拔出以及升降油缸伸縮等相關(guān)操作將按照一定順序進(jìn)行。

另一種為“自動控制”。如將控制模式選擇為“自動控制”模式，工況選擇在“平臺提升”狀態(tài)，4根樁腿就能同時自動進(jìn)行“平臺提升”動作。如工況選擇在“平臺下降”狀態(tài)，就可進(jìn)行與前述相反方向的自動操作。平臺升降行程節(jié)距數(shù)可預(yù)先設(shè)定，升降行程節(jié)距數(shù)達(dá)到預(yù)定值后，平臺升降的動作就停止進(jìn)行。通常在中央升降控制臺上既可進(jìn)行單樁的半自動控制又可實現(xiàn)4樁聯(lián)動的平臺自動控制。

現(xiàn)場控制臺只宜進(jìn)行單樁半自動或單步操作的控制，在樁旁進(jìn)行手動操作時其他樁腿的有關(guān)情況不是非常清楚，所以在控制中心沒有指令下達(dá)的情況下操作人員不得貿(mào)然行事。

平臺的控制模式受多方面條件的限制，不能隨便選擇。一般在平臺的6種動作模式的操作中，“拔樁”只宜半自動控制。因裝載不可能很均勻，各樁腿負(fù)載是有差異的，且“平臺下降”時速度較快，平臺容易傾斜而引發(fā)機(jī)械故障，所以“平臺下降”時也不宜采用“自動控制”模式?！皹锻忍嵘焙汀跋聵丁睍r，由于自動操作的4條樁腿仍然是獨(dú)立運(yùn)動，并且樁腿交錯時間不齊，無法實現(xiàn)可靠的聯(lián)鎖并始終保持實時同步，因而只有在風(fēng)平浪靜的海況下才可選擇“自動控制”模式。此時仍需注意各根樁腿伸出平臺底的長度是否一致，隨時進(jìn)行調(diào)整，防止單根樁腿撞擊海底的事故?！捌脚_提升”時速度較慢，插銷動作有充裕的時間，操作人員也有足夠的反應(yīng)和處置時間，所以不論平臺在水上(預(yù)壓前)或出水后(預(yù)壓后)都可以在調(diào)平平臺傾斜后選擇“自動控制”模式，這樣可以加快平臺提升的操作速度、節(jié)省時間。

2.3 中央升降控制臺

以往的升降控制系統(tǒng)采用的是模擬顯示儀表、手柄操作加PLC。在其中央升降控制臺上設(shè)有各種開關(guān)、指示器、信號燈等，體積相當(dāng)龐大，操作比較分散。本平臺使用的升降控制系統(tǒng)采用數(shù)字化控制技術(shù)，集成了更多的功能。在中央升降控制臺上除可實現(xiàn)升降作業(yè)的操作外，還集中了以下功能：控制液壓系統(tǒng)電機(jī)的起動與停止、電磁閥的動作、液壓油柜的加溫等；監(jiān)測所有的信號與船的狀態(tài)；模擬樁腿的動作并記錄位移數(shù)據(jù)；記錄報警并提供輸出接口；監(jiān)測整個平臺的傾斜角度。

中央升降控制臺由工控機(jī)、顯示器、PLC和包括不間斷電源(UPS)在內(nèi)的電源系統(tǒng)組成。外接2個傾斜傳感器，與4條樁腿的現(xiàn)場控制臺以及泵站控制和油柜加熱冷卻系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)通信，與油柜加熱冷卻系統(tǒng)之間還有多路控制電纜連接，其目的是在中央升降控制臺上能遠(yuǎn)程操控液壓泵站內(nèi)電機(jī)的起停。因平臺升降作業(yè)前通常都要檢查對角樁腿之間的傾斜度，所以要求配置2套傾斜傳感器，以便同時監(jiān)測4條樁腿的插入深淺，保證平臺的水平位置。在中央升降控制臺上可實現(xiàn)包含各單樁、雙樁在內(nèi)的局部和整體性操作和控制。

2.4 現(xiàn)場控制臺

現(xiàn)場控制臺由PLC、觸摸屏和電源系統(tǒng)等組成，是平臺升降控制系統(tǒng)中重要的組成部分。它對外接口很多，每一現(xiàn)場控制臺外接的傳感器有2路樁腿位移傳感器、1～4號油缸進(jìn)出口壓力傳感器、1～3號壓力傳感器和插銷壓力傳感器，連接到行程開關(guān)的有固定環(huán)梁(上環(huán)梁)和移動環(huán)梁(下環(huán)梁)上各插銷的進(jìn)位、中位、到位共24只?，F(xiàn)場控制臺還外接多個能控制升降油缸伸縮及油量、控制插銷油缸動作的電磁閥?，F(xiàn)場控制臺外接的控制與通信線路有比例調(diào)節(jié)閥的控制線和接至中央升降控制臺的通信線。

現(xiàn)場控制臺上設(shè)有直接手動控制各電磁閥的操作按鈕，除此之外，主要的控制和顯示都集中在觸摸屏上進(jìn)行。觸摸屏主頁面上可進(jìn)行多頁面切換，能分別顯示樁腿動作、泵站狀態(tài)、系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)報警和操作說明等。

在現(xiàn)場控制臺上樁腿升降控制有“手動單步控制”、“半自動控制”和“自動控制”三種方式。手動單步控制方式是在相關(guān)的保障條件下手動分步地進(jìn)行插、拔銷的單獨(dú)操作，可用于維修和調(diào)試。半自動控制模式是指平臺相對樁腿進(jìn)行一個行程節(jié)距(孔距)范圍內(nèi)升或降的自動控制?！白詣涌刂啤眲t要在中央升降控制臺的干預(yù)下保持4條樁腿的同步動作，此時應(yīng)將現(xiàn)場控制臺的控制權(quán)限由“現(xiàn)場控制”轉(zhuǎn)為“遠(yuǎn)程控制”，由中央升降控制臺通過通信線路進(jìn)行集中控制。

在進(jìn)行樁腿升降操作前，必須檢查電氣程序的互鎖情況。為防止由于推動樁腿運(yùn)動的主缸及上下插銷油缸間的動作不協(xié)調(diào)而引起樁腿或平臺的墜落以及斷銷等重大事故，除在PLC中輸入一些互鎖程序外，還增設(shè)了有利于防止操作失誤的手動提示功能[3]。

2.5 液壓動力裝置的控制

平臺升降裝置中升降油缸和插銷油缸的動作都必須由液壓動力系統(tǒng)來支持。液壓動力裝置是平臺升降控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。為了便于管理，其中主泵等控制還能在中央升降控制臺上遠(yuǎn)程操作。對應(yīng)4條樁腿，設(shè)有4套液壓動力站，每套液壓動力站由2組(250+90) kW的液壓泵組成，集中安裝在液壓間內(nèi)。在液壓泵站的成組控制柜旁增加了液壓油柜加熱冷卻控制箱，以保證整套液壓動力系統(tǒng)的正常工作。油柜加熱冷卻控制箱除了控制循環(huán)泵和加熱器的工作外，還配有PLC及觸摸屏，集中管理16臺液壓泵及循環(huán)泵的有關(guān)聯(lián)鎖控制要求，輸出允許起動信號。在其觸摸屏上可顯示4套液壓動力站的主要參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，指示液壓油柜的溫度、液面高度、各類運(yùn)行信號和報警信號。有關(guān)的監(jiān)測報警信息還可通過通信線路送達(dá)中央升降控制臺和現(xiàn)場控制臺進(jìn)行顯示，也可通過通信線路在本控制箱的觸摸屏上獲取顯示樁腿狀態(tài)的頁面?？刂葡涿姘迳喜贾昧苏滓簤合到y(tǒng)內(nèi)主要電磁閥的手動控制按鈕以及單個泵站故障時應(yīng)急旁通閥的操作開關(guān)等。

3 結(jié) 論

“藍(lán)潮1001號”平臺選用的升降裝置控制系統(tǒng)較之以前使用的同類系統(tǒng)性能上有很大提高，技術(shù)更為先進(jìn)，操作使用更加方便。本平臺自投產(chǎn)以來，平臺移位多次，液壓升降系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。平臺的升降本是一件相當(dāng)繁雜的工作，需要多人協(xié)同配合并存在一定的風(fēng)險。整個作業(yè)過程需考慮的因素很多，歷時較長。通常在定位前應(yīng)對海底一定深度基土的承載能力進(jìn)行計算，估算樁腿插入土中的深度，而且還必須控制在合理范圍之內(nèi)，過深、過淺都會影響作業(yè)。升降過程中還可能出現(xiàn)樁腿沉降不均、傾斜過大等不安全因素。這些問題對操作者特別是指揮人員的要求很高，必須沉著應(yīng)對。從設(shè)計控制系統(tǒng)的角度出發(fā)，其功能可考慮得更加周全，盡量降低操作人員的工作強(qiáng)度。在新開發(fā)的控制系統(tǒng)中如能將類似“專家系統(tǒng)”的一些功能加以集成，解決一些現(xiàn)場快速計算、作業(yè)指導(dǎo)、應(yīng)急預(yù)案處理提示等問題，則其功能將更趨完善。

[1] 孟昭瑛, 任貴永. 海上自升式平臺工作原理和基本特性[J]. 中國海洋平臺, 1994， 9(6): 167.

[2] 王玲玲，邱一龍，沈鵬，等. 自升式海上風(fēng)電安裝船升降控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造，2012(9)： 54.

[3] 詹永麒，張錫亮. 插銷爬桿型液壓自升式海洋石油鉆井平臺PLC控制[J]. 機(jī)床與液壓， 2000(增刊)： 108.

JackingControlofSelf-ElevatingWindTurbineInstallationUnit

CHEN Mu-dan

(HansailMarine&OffshoreDesignCo.,Ltd.,Shanghai200011,China)

The general situation of hydraulic ring beam and pin type jacking installation of “Lanchao 1001” is introduced. The basic work principle, arrangement of control system, setting of control position, control mode and hydraulic power control of jacking control system are described. “Lanchao 1001” has come into service. Through the practice, it is proved that the control system has the advantages of high reliability and safety, simple structure, and convenient operation, satisfying the jacking requirements of the wind turbine installation unit.

above-water platform; wind turbine installation unit; jacking installation; hydraulic control system

U656.6; U665

A

2095-7297(2014)02-0156-04

2014-05-29

陳牡丹(1984-)，女，工程師，主要從事船舶電氣設(shè)計方面的研究。