3200t風電安裝船的機電系統(tǒng)設計

趙媛媛

（南通欣通船舶與海洋工程設計有限公司 南通226004）

3200t風電安裝船的機電系統(tǒng)設計

趙媛媛

（南通欣通船舶與海洋工程設計有限公司 南通226004）

簡述了3 200 t風電安裝船的總體布置及主要功能,針對柴油機驅動的全回轉舵槳的動力推進裝置、自動化的電站系統(tǒng)、風電機組DP1（動力定位）安裝定位系統(tǒng)、風電機組的浮式運輸系統(tǒng)和船舶座底配套高壓沖洗水系統(tǒng)方案進行介紹與分析，從而描繪出該船在機電系統(tǒng)設計方面的特點與亮點。

風電機組；海上風電安裝船；機電系統(tǒng)設計

引 言

風力發(fā)電機組是風力發(fā)電電源的核心組成部分，主要包括筒體、機頭、葉片及其基礎（以下簡稱風電機組）。風電機組主要的功能是將海上風能轉為電能，屬于清潔能源，其前景、經(jīng)濟效益非?？捎^。風電機組一般安裝在近海，主要有分體式海上安裝和整機式海上安裝兩種方式。海上安裝方法分為通用海上浮吊安裝法、海洋平臺安裝法和風機專用安裝船安裝法。近階段采用專用安裝船的安裝方法比較多。海上風電安裝船主要是為在海上安裝風電機組的配套專用設備，目前我國的風電安裝船的設計技術也取得了突破，但整體技術還處于起步與探索階段［1-2］。

3200t海上風電安裝船為海上風電能源項目的配套船舶，主要用于整體一步式安裝風電機組，即從風電機組的組裝場地到海上風力發(fā)電場，并負責將風電機組一次性放置到位，將船舶運輸、自航功能、座底、自升、起重功能融為一體。

1　項目總體介紹

本船是一艘自航（在運輸過程中）大型重吊船，主尺度（長×寬×型深）為 138.0 m×66.0 m×11.25 m 、設計吃水為5.0 m 、排水量為30 000 t、航速為5 kn、船級社為CCS ，可以最大整機運輸重3 200 t、筒體最高90 m的風電機組，為海上風電項目，于2012年開始建造。

本船首尾各有1個C形槽，整體組裝后的風電機組整體拖曳到本船首尾C形槽內。底部為水泥中空塔形基礎。運輸過程中，塔形基礎中注滿壓縮空氣實現(xiàn)浮式運輸。首尾左、右舷各布置1臺柴油機驅動的全回轉舵槳，到達安裝場地后，采用動力定位系統(tǒng)確定安裝位置；同時，塔形基礎中排出壓縮空氣并注入壓載水，通過重力作用安裝風電機組于海床上。首、尾配備2臺3 200 t固定桁架式吊機，用于起、吊風電機組及在風電機組運輸過程中固定扶持作用。本船在潮間帶作業(yè)時可以座底，并配有船舶上浮時的船底沖洗裝置。

圖1　總布置圖

另外，采用的3 200 t桁架吊機為本船風電機組安裝時的特殊和關鍵設備，其技術參數(shù)如下：桁架吊機采用滑輪升降形式，主要靠安裝在桁架底部的3臺卷揚機來實現(xiàn)，可以起重3 200 t。吊機總高度為68.0 m、中間環(huán)梁直徑為35 m、門架主梁底面離船體表面為30 m。起升高度為水上6 m、起升速度為0.7 m/min、裝機容量為750 kW、整機重1 100 t。

3200t風電安裝船主要功能如下：

（1）本船可實現(xiàn)動力定位功能（DP1），定位精度為0.5 m。動力定位作業(yè)海況為：風力≤7級（蒲氏風標）、水流≤2 m/s、有義波高≤9.0 m。

（2）可以同時裝載2個3 200 t風電機組。

（3）具有自航與運輸能力。

（4）可以在近海及潮間帶作業(yè)。

（5）船上定員為60人。

2　機電系統(tǒng)的設計特點

具有創(chuàng)新理念的大型整體式風電安裝運輸船，采用了目前造船業(yè)的先進理念，主要體現(xiàn)在：采用柴油機驅動的全回轉舵槳的動力推進裝置；自動化的電站系統(tǒng)；采用DP技術的風機安裝定位系統(tǒng)；風電機組的浮式運輸系統(tǒng)；船舶座底配套高壓沖洗水系統(tǒng)。

2.1柴油機驅動的全回轉舵槳的動力系統(tǒng)

為滿足風機安裝精度誤差為0.5 m，配置動力定位控制用于風、水流干擾下船舶位置的調整。用于動力定位的推進模塊，采用柴油機驅動Z型全回轉舵槳的推進系統(tǒng)，根據(jù)動力定位能力分析結果，在首、尾左右舷的推進艙室里各設置1臺2 000 kW柴油主機和1臺2 206 kW的Z形全回轉舵槳（共4套裝置）。在進行安裝作業(yè)時，通過拖輪拖帶將本船拖于近海作業(yè)區(qū)域（潮間帶），然后依靠自身舵槳的推進系統(tǒng)進行移動、定位、安裝座底和風機。

在采用柴油機驅動Z型全回轉舵槳的動力推進裝置系統(tǒng)里，推進主機、全回轉舵槳的控制模塊、系統(tǒng)的技術接口對本船完成風電安裝功能起到了至關重要的作用，在與多方協(xié)調后，確定了以下方案：

（1）主機控制系統(tǒng)

4臺主機采用氣電主機遙控系統(tǒng)，每臺主機具有一套遙控系統(tǒng)，4套控制系統(tǒng)相互獨立。主機系統(tǒng)工作模式分以下2種：航行模式及DP定位作業(yè)模式，首尾兩個駕駛室均作為主駕駛室并且都具有航行與DP定位時的作業(yè)功能。在航行模式，尾部駕駛室控制首部2臺主機，尾部2臺主機不運行；首部駕駛室控制尾部2臺主機，首部2臺主機不運行；DP定位作業(yè)模式，首部2臺主機和尾部2臺主機可同時運行。在首、尾駕駛室和機艙集控室分別可對主機進行遙控操作，在駕控臺和機艙集控臺上設有監(jiān)視主機正常運行的儀表及指示系統(tǒng)，并設有主機各種聲光報警指示。另外，機旁設有必要的儀表，用來保證機旁操作。主推進系統(tǒng)應配置與DP1系統(tǒng)要求的技術接口，具有人工越控功能，同時駕駛室應該設有對主機進行應急停車的裝置（該裝置獨立于主機遙控系統(tǒng)）。

（2）全回轉舵槳系統(tǒng)

全回轉舵槳采用4臺Z形全回轉推進器，最大輸入功率為2 206 kW，最大輸入轉速為1 000 r/min；最大輸入扭矩為23 500 N·m；螺旋槳中心距離為3 300 mm ； 螺旋槳直徑為 2 650 mm ；舵槳轉舵速度為15 ～18 °/s ；重約5 t（含油料）。整個裝置由液壓回轉操作系統(tǒng)控制其回轉，控制系統(tǒng)采用220 V主電源，應急電源為DC 24 V；尾部駕駛室設1個舵槳控制報警板，完成對首部2臺全回轉舵槳的隨動遙控功能；首部駕駛室1個舵槳控制報警板，完成對尾部2臺全回轉螺旋槳的隨動遙控功能；每套全回轉舵槳系統(tǒng)配有舵角反饋機構、中央控制箱，用來對回轉和轉速進行應急控制，回轉機構和主機轉速可在駕控臺由1個混合式控制手柄控制，水平轉動手柄可以對螺旋槳進行360°回轉操作，同時扳動手柄可使主機轉速在怠速與全速之間進行調整。

這樣的設計可以在系統(tǒng)故障或者電源失電的情況下快速選擇使用備用模式，主機轉速通過加速、減速按鈕的方式進行控制。此外，系統(tǒng)集成了對主離合器的合、脫排保護程序，可防止誤操作。

2.2自動化的電站系統(tǒng)設計

3200t風電安裝船采用了柴油機驅動的全回轉舵槳的動力裝置系統(tǒng)，與采用電力推進系統(tǒng)相比，大大降低營運及建造成本。通過對全船重要設備的匯總以及該船的工作情況和動力需求，對全船的用電負荷進行計算與分析，結果如表1所示。

表1　3200t風電安裝船各工況電力負荷計算結果

在綜合考慮到短路電流、施工工藝、采購成本等情況下，確定全船的電制系統(tǒng)。主電源采用交流AC 400 V、50 Hz三相三線絕緣系統(tǒng)，正常照明和其他弱電設備系統(tǒng)采用交流AC 220 V、50 Hz、三線和雙線絕緣系統(tǒng)。考慮到成本問題，本船不存在分區(qū)供電的問題，220 V主匯流排為整體的一段，220 V主配電板上額定電流小于63 A的用電設備連接開關采用微型斷路器（MCB）。考慮到變壓器充磁的問題，將2臺主變壓器的連鎖放在次邊做，電力系統(tǒng)總線圖如圖2所示。

圖2　電力系統(tǒng)總線圖

在自動電站管理方面，配電板配備1套功率管理系統(tǒng)，控制和管理電網(wǎng)的發(fā)電設備，確保船舶在所有工況下不間斷供電，為船舶負載提供足夠的電源。自動電站主要保護全船電網(wǎng)和進行電功率的匹配。當電網(wǎng)出現(xiàn)應急情況（比如某臺發(fā)電機組跳閘）時，電站保護系統(tǒng)將在其他運行發(fā)電機組過載跳閘之前將主推進功率降低，不至于全船電網(wǎng)斷電。自動電站包括手動、半自動、自動三種操作模式，并具有電網(wǎng)負載超過90%（可調）后自動卸載功能、電網(wǎng)負載減少至35%（可調）時運行機組自動解列、故障排除后，重要負載按原順序重新起動、大功率的設備的（吊機、壓載泵、消防泵） 重載請求/重載問訊功能自檢功能、分油機室油泵和風機緊急切斷、組合啟動屏的停止按鈕帶自鎖功能等［3-4］。

2.3DP技術的風機安裝定位系統(tǒng)

本船設計要求為在海上進行定位作業(yè)，配置動力定位控制系統(tǒng)1套，在船東提出的海況環(huán)境下達到DP-1的定位能力。本船入級船級社為CCS（中國船級社），CCS對DP-1的系統(tǒng)配置有特定的要求。DP定位系統(tǒng)主要有控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、推力系統(tǒng)、位置參考系統(tǒng)和傳感器組成［5］。在DP定位能力和FMEA（故障模式效能分析）后，在首、尾駕駛室各設置DP控制臺控制4套主推進器系統(tǒng)。最后本船動力定位系統(tǒng)采用Kongsberg控制系統(tǒng)，包括風速風向儀（航行設備共用）、電羅經(jīng)（航行設備共用）、MRU船舶姿態(tài)傳感器、2套差分DGPS（差分式全球定位系統(tǒng)）、DP控制臺（計算機）、DP控制器、Joystick（混合聯(lián)動操縱桿）控制板、UPS（不間斷電源）等，系統(tǒng)框圖見圖3。

圖3　DP系統(tǒng)框圖

2.4風電機組浮式運輸壓縮空氣系統(tǒng)

風力發(fā)電機組的塔形基礎為水泥中空結構，表面預埋吃起孔、灌漿孔。在運輸過程中，風電機組通過桁架吊機的固定與扶持穩(wěn)定后，由船上向筒形基礎注入壓縮空氣，使風機底部基礎不浸入水中，吊離水面浮式運輸?shù)桨惭b場地。在安裝過程中需要的為3 000 m3（自由空氣），1.5 MPa壓縮空氣總量。對于這么大的空氣量，直接配置這么大的空壓機，無論從工藝、安裝與建造成本上都不理想。經(jīng)過多方面論證和綜合考慮，我們采用岸邊提供以及船上配置壓縮機補充壓縮空氣的供給方案。2 000 m3（自由空氣）壓縮空氣由岸邊提供，船上2臺服務壓縮機提供1 000 m3（自由空氣）壓縮空氣，壓縮機還有運輸過程中補充氣體的功能。壓縮空氣儲存裝置為 20個容量5 m3、壓力為3.0 MPa空氣瓶，分別布置在主甲板空氣瓶室，采用多罐并聯(lián)經(jīng)減壓裝置后向風電機組底座基礎充氣，這樣的設計減少了服務空壓機的容量、臺數(shù)和空氣瓶的數(shù)量、并減少了設備的安裝空間，同時也節(jié)約了成本，詳細原理圖見圖4。

圖4　風電機組浮式運輸壓縮空氣系統(tǒng)

2.5座底高壓沖洗水系統(tǒng)

本船的作業(yè)區(qū)域為潮間帶，在淺灘作業(yè)會存在座底工況。座底施工后，船底與海床表面存在淤泥，會對船底板產(chǎn)生吸附力。當完成安裝作業(yè)后，在船舶通過啟動壓載系統(tǒng)上浮的過程中，為釋放船底與海床的吸附力，配置了高壓沖洗水系統(tǒng)，可以保證該船坐地后順利升起，壓力可隨工作條件調節(jié)。

高壓沖洗系統(tǒng)由2臺125 m3/h×6.0 MPa高壓水泵組、高壓水管系、半管式充水槽和高壓水噴頭等組成,沖洗水壓力最高可達到6.0 MPa，系統(tǒng)設計方案見下頁圖5所示。高壓水泵供水水源由船上高壓水艙供給，在高壓水管至高壓水艙之間裝有負荷卸載管路，超壓時經(jīng)溢流閥回水到高壓沖洗水艙，啟動高壓水泵時，出水可沿此管路返回高壓沖洗水艙，達到空載起動、減少啟動電流的目的。2臺高壓水泵能就地控制及遠程控制，并向監(jiān)測報警中心輸出故障運行信號。

圖5　高壓沖洗水系統(tǒng)方案示意圖

3　結 論

中國的海岸線擁有眾多海上風電場，風電安裝技術尚處于起步階段，故具有巨大的市場開發(fā)潛能。3 200 t風電安裝船為開發(fā)創(chuàng)新型的風電機組整體一步式安裝運輸船，采用整體探索式設計理念和先進技術，其機電系統(tǒng)設計有其獨特的設計特點，為以后其他風電安裝船提供一定的參考和借鑒。

［1］ 孫廣喜,黃亞新.海上風電場分體安裝法及其應用［J］.中國工程科學. 2010（11）：53-59.

［2］ 張?zhí)?汪張?zhí)?一種新船型——海上風電設備安裝船的開發(fā)［J］.船舶，2009（5）：38-43.

［3］ 中國船舶工業(yè)公司.船舶設計實用手冊（電氣分冊）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

［4］ 海洋石油工程設計指南編委會.海洋石油工程設計指南 第三分冊（海洋石油工程電氣、儀控、通信設計）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［5］ 中國船級社.國內航行海船建造規(guī)范（第四篇 電器裝置）［M］.北京：人民交通出版社，2006.

On design of machinery and electrical system on 3 200 t wind power installation vessel

ZHAO Yuan-yuan
(Department of Technology, Sintong Marine and Offshore Pte., Ltd., Nantong 226004, China)

This paper describes the general layout and main functions of a 3 200 t wind power installation vessel. It introduces and analyzes the propulsion system of azimuthing the rudder driven by diesel engine, the automatic power system, the installation positioning system and the floating transport system of wind power set DP1 (dynamic positioning), and the high-pressure washing system matching to ship bottom. Thereby, it portrays the characteristics and the highlights in the design of the machinery and electrical system.

wind power set; offshore wind power installation vessel; machinery and electrical system design

U674.3

A

1001-9855（2015）02-0094-07

2014-06-23；

2014-07-21

趙媛媛（1983- ），女，助理工程師，研究方向：船舶輪機和電氣設計。