海上風(fēng)電場運(yùn)維搶修船的電氣設(shè)計(jì)

福建省福船海洋工程技術(shù)研究院有限公司 湯增廣

海上風(fēng)電場運(yùn)維搶修船的電氣設(shè)計(jì)

福建省福船海洋工程技術(shù)研究院有限公司 湯增廣

隨著海上風(fēng)電技術(shù)的日益成熟，我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了迅猛發(fā)展的時(shí)代。與此同時(shí)，風(fēng)電場的日常運(yùn)行維護(hù)、故障搶修以及運(yùn)維技術(shù)人員和工具設(shè)備的運(yùn)輸?shù)榷汲蔀槠惹行枰P(guān)注的問題。風(fēng)電場運(yùn)維搶修船作為海上風(fēng)電場日常運(yùn)維搶修和人員安全登離風(fēng)塔的便利交通工具，對其研究開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?；陲L(fēng)電場運(yùn)維搶修船的使用要求，該文主要介紹42m海上風(fēng)電場雙體運(yùn)維搶修船電氣專業(yè)設(shè)計(jì)，包括電力系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)、登乘梯系統(tǒng)、通信報(bào)警系統(tǒng)等，并提出了一些特殊的電氣解決方案，優(yōu)化了電氣設(shè)備的配置。這些設(shè)計(jì)思路，可為將來運(yùn)維搶修船的研究開發(fā)和設(shè)計(jì)提供一些參考。

風(fēng)電場運(yùn)維搶修船 電力系統(tǒng) 動力定位 登乘梯 電氣設(shè)計(jì)

根據(jù)國家發(fā)展規(guī)劃，到2020年我國預(yù)計(jì)投入運(yùn)行的海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到3000萬kW。福建風(fēng)電場規(guī)劃目前有14個(gè)，總規(guī)劃裝機(jī)容量達(dá)575萬kW。目前取得國家能源局批準(zhǔn)，已開展前期工作的是：莆田平海灣和南日島等風(fēng)電項(xiàng)目。海上風(fēng)電場建成后，需要對其進(jìn)行運(yùn)維工作。根據(jù)現(xiàn)有國外使用經(jīng)驗(yàn)測算，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)海域內(nèi)20萬kW的風(fēng)電場至少需要配套3艘運(yùn)維船舶。由此可見，運(yùn)維船的市場需求是相當(dāng)可觀的。然而，當(dāng)前我國的風(fēng)電場運(yùn)維船主要由非專用船舶來兼用，如交通艇、貨船、漁船等，缺乏專業(yè)性。

本文介紹的42m海上風(fēng)電雙體運(yùn)維搶修船正是基于當(dāng)前市場的需求而考慮設(shè)計(jì)的，該船作為海上風(fēng)能源項(xiàng)目的配套船舶，主要用于風(fēng)電場的日常運(yùn)維、故障搶修和運(yùn)維技術(shù)人員及工具設(shè)備的運(yùn)輸。

1 項(xiàng)目簡介

本項(xiàng)目為42m海上風(fēng)電雙體運(yùn)維搶修船。該船為雙體、雙機(jī)、雙槳自航船。其主船體為鋼質(zhì)，上層建筑為鋁合金，配備風(fēng)浪補(bǔ)償?shù)浅讼到y(tǒng)、甲板吊機(jī)、風(fēng)塔與風(fēng)機(jī)維修工具以及風(fēng)機(jī)齒輪加油系統(tǒng)，并具有寬大的開敞作業(yè)甲板。主尺度(總長×型寬×型深)為42.00m×11.50m×4.00m，設(shè)計(jì)吃水為1.97m，航速為16.4kn，可搭乘35名作業(yè)人員，入級CCS，具有DP-2附加標(biāo)志。目標(biāo)作業(yè)航區(qū)為福建沿海，亦可兼顧中國其他沿海航區(qū)。

該船是由2臺船用高速柴油機(jī)（主機(jī)）經(jīng)齒輪箱傳遞，分別驅(qū)動2臺定螺距全回轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)槳，并且在艏部配置了2臺由電力驅(qū)動的側(cè)推器。

動力裝置配置如表1所示。

表1 動力裝置配置

42m海上風(fēng)電雙體運(yùn)維搶修船主要功能有：

(1)快速響應(yīng)進(jìn)行搶修運(yùn)維作業(yè)，并且滿足福建風(fēng)電場全年280天以上的出航任務(wù)。

(2)運(yùn)載35名運(yùn)維技術(shù)人員、工具及較小的風(fēng)機(jī)配件等。

(3)在海況為：風(fēng)速≤6級風(fēng)（13.8m/s）、有義波高≤3.0m、水流≤2.4knots下，實(shí)現(xiàn)DP-2的定位功能，并通過風(fēng)浪補(bǔ)償?shù)浅颂輥肀ＷC人員安全上下風(fēng)塔平臺。

2 電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電制

本船主電源采用AC400V 50Hz三相三線絕緣系統(tǒng)，動力設(shè)備采用AC380V 50Hz三相三線系統(tǒng)，正常照明采用AC220V 50Hz 三相三線（主干）系統(tǒng)和單相雙線（分支）系統(tǒng)，應(yīng)急照明采用DC24V雙線絕緣系統(tǒng)，通信報(bào)警系統(tǒng)采用AC220V 50Hz單相雙線系統(tǒng)或DC24V 雙線絕緣系統(tǒng)，無線電通信導(dǎo)航設(shè)備采用AC220V 50Hz 單相雙線系統(tǒng)或DC24V 雙線絕緣系統(tǒng)。

2.2 工況使用情況

根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算，各工況下發(fā)電機(jī)組使用情況如表2所示。

表2 各工況下發(fā)電機(jī)組使用情況單位：額定功率×數(shù)量（臺）

在“航行”“停泊”工況下，1臺260kW的發(fā)電機(jī)運(yùn)行，可滿足全船供電需求。

在“進(jìn)出港”工況下，1臺400kW的發(fā)電機(jī)運(yùn)行，可滿足全船供電需求。

在“DP作業(yè)”工況下，惡劣海況時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)均斷開，3臺發(fā)電機(jī)分區(qū)供電。

在“DP作業(yè)”工況下，較好海況時(shí)，根據(jù)用電所需，任意選擇2臺發(fā)電機(jī)分區(qū)運(yùn)行供電。

在“DP作業(yè)”工況下，最大單點(diǎn)故障時(shí)，任意兩臺非故障發(fā)電機(jī)分區(qū)或并車運(yùn)行供電。

2.3 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本船采用分區(qū)獨(dú)立供電，主配電板匯流排之間采用聯(lián)絡(luò)開關(guān)聯(lián)接。其中聯(lián)絡(luò)開關(guān)可由功率管理單元控制。該船的配電系統(tǒng)單線圖見圖1。

按照圖1所示配電系統(tǒng)，當(dāng)任何一處單點(diǎn)故障發(fā)生時(shí)，至少仍能保證對船舶具有一半的操縱能力，降低主電網(wǎng)失電風(fēng)險(xiǎn)。本船配備2臺艏側(cè)推和1臺風(fēng)浪補(bǔ)償?shù)浅颂荩浜碾姽β瘦^大。同時(shí)，根據(jù)電力負(fù)荷的計(jì)算，最終確定采用兩大一小的發(fā)電機(jī)組功率配置方案。因發(fā)電機(jī)組尺寸相對較大，故將3臺發(fā)電機(jī)組分別安裝在左右機(jī)艙片體、發(fā)電機(jī)艙。對應(yīng)的配電板也布置于相應(yīng)3個(gè)處所。配電板上主開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、負(fù)載開關(guān)之間采用短延時(shí)整定時(shí)間的不同來滿足規(guī)范對系統(tǒng)選擇性保護(hù)的要求。為滿足具有DP-2的附加標(biāo)志，這就對系統(tǒng)供配電、電纜走向和電氣設(shè)備布置提出了更高的要求，全船的配電網(wǎng)絡(luò)按照冗余對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，對于所有重要負(fù)載布置均為冗余對稱，保證在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下發(fā)生最大單點(diǎn)故障時(shí)，船舶仍具有船東認(rèn)可的定位能力。

圖1 配電系統(tǒng)單線圖

3 動力定位系統(tǒng)在海上風(fēng)電場運(yùn)維作業(yè)的應(yīng)用

船舶動力定位是一項(xiàng)能夠保證船舶在海洋干擾（風(fēng)、浪、流）環(huán)境下保持位置和艏向的高新技術(shù)，不僅應(yīng)用于石油和天然氣等海洋勘探開發(fā)，還廣泛應(yīng)用于電纜與管道敷設(shè)及維修、風(fēng)電場運(yùn)維、海上救援、援潛救生等領(lǐng)域。對于具有一定難度和危險(xiǎn)的船舶，動力定位系統(tǒng)（動力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)）都采用了冗余技術(shù)（DP-2或DP-3）設(shè)計(jì)以保證系統(tǒng)的可靠性。本船需經(jīng)常性地穿梭于海上風(fēng)電場，并將運(yùn)維人員送上風(fēng)塔，因此需要在風(fēng)塔旁進(jìn)行可靠的定位，故為其配置一套動力定位系統(tǒng)是非常有必要的。該船需滿足在福建所有風(fēng)電場惡劣海況下（風(fēng)速≤6級風(fēng)、有義波高≤3.0m、水流≤2.4knots），能實(shí)現(xiàn)DP-2的定位功能。本船入級CCS（中國船級社）,動力定位系統(tǒng)滿足CCS對DP-2的特殊要求，具有足夠的冗余度，在任何單點(diǎn)故障情況下可不中斷保持定位功能。其中單點(diǎn)故障包括任何運(yùn)動部件的故障和系統(tǒng)的單個(gè)故障。

3.1 動力定位系統(tǒng)配置

本船動力定位系統(tǒng)主要包含動力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、動力定位控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和獨(dú)立的聯(lián)合操縱桿系統(tǒng)、UPS電源及打印機(jī)。本船動力定位系統(tǒng)配置方案見圖2。

圖2 動力定位系統(tǒng)配置方案

動力系統(tǒng)由2套功率為895kW的柴油機(jī)、3套柴油發(fā)電機(jī)組（其中2套功率為400kW，1套功率為250kW）及3套配電板組成。配電板分別設(shè)置于左右機(jī)艙、發(fā)電機(jī)艙，兩臺艏側(cè)推分別由左右機(jī)艙的配電板匯流排供電。在配電板設(shè)有功率管理單元（PMS），對電力系統(tǒng)進(jìn)行控制、保護(hù)和監(jiān)測，能按負(fù)荷大小自動起停解列發(fā)電機(jī)組，自動并車并進(jìn)行負(fù)載分配及聯(lián)絡(luò)開關(guān)的控制。

推進(jìn)系統(tǒng)由2套全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)裝置和2套艏側(cè)推裝置組成。主推進(jìn)裝置為全回轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)舵槳，由主機(jī)驅(qū)動，額定功率為895kW，推力為7.7t；艏側(cè)推裝置為定距槳，由電力驅(qū)動，功率為280kw，推力為4.6t，采用變頻控制。

控制系統(tǒng)配置2套控制計(jì)算機(jī)、并且相互冗余，系統(tǒng)軟件包含用于登乘風(fēng)塔操作的功能?？刂葡到y(tǒng)還配置了2臺互為備用的DP主操作站和一套獨(dú)立的Joystick系統(tǒng)。每臺DP主操作站包含對2套全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)裝置、2套艏側(cè)推裝置、位置參考單元的控制和反饋信息的連接。當(dāng)在線的DP控制器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會迅速切換至備用控制器，仍保持船舶的DP控制。Joystick系統(tǒng)完全獨(dú)立于DP系統(tǒng)的連接，所有來往于推進(jìn)裝置的信號須單獨(dú)設(shè)置，保證在DP系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)能手動進(jìn)行船舶操縱而不使用參考系統(tǒng)。

測量系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置成即使單個(gè)傳感器輸入丟失也不會損害船舶的DP控制能力。根據(jù)CCS對DP-2的要求，本船DP系統(tǒng)配置了如下傳感器：2套電羅經(jīng)、2套風(fēng)向風(fēng)速儀、2套DGPS、1套激光位置傳感器、2套運(yùn)動參考單元（MRU）。

3.2動力定位系統(tǒng)能力分析

評估船舶動力定位系統(tǒng)的重要指標(biāo)是其所具備的定位能力。本船的動力定位能力分析的蝴蝶圖見圖3，其中圖3-a為推進(jìn)系統(tǒng)完好工況下，流速0～3knts，抵抗風(fēng)載荷的情況；圖3-b為左艏側(cè)推進(jìn)器失效工況下，流速0～3knts，抵抗風(fēng)載荷的情況；圖3-c為左艉主推進(jìn)器失效工況下，流速0～3knts，抵抗風(fēng)載荷的情況。

圖3 動力定位能力分析蝴蝶圖

從以上分析結(jié)果可以看出，在惡劣海況并發(fā)生最大單點(diǎn)故障情況下，該船在大多角度已無法實(shí)現(xiàn)定位。但當(dāng)風(fēng)舷角為-30°～30°（頂風(fēng)）及120°～240°（逆風(fēng)）時(shí)，在設(shè)計(jì)要求的海況下，船舶仍能實(shí)現(xiàn)定位，即在該環(huán)境載荷下仍能滿足船舶出航進(jìn)行搶修作業(yè)，但此時(shí)的動力定位能力需得到船東的認(rèn)可。由此可見，動力定位系統(tǒng)的引入，使得船舶能在惡劣海況及船舶單一故障發(fā)生情況下仍能進(jìn)行運(yùn)維作業(yè)，也使得該船成為真正意義上的運(yùn)維搶修船。

4 風(fēng)浪補(bǔ)償?shù)浅颂菹到y(tǒng)在海上風(fēng)電場的應(yīng)用

本船所擔(dān)負(fù)的另一個(gè)重要任務(wù)，就是把運(yùn)維人員安全送上風(fēng)塔。這就需要一個(gè)可靠的登乘梯系統(tǒng)。在本船主甲板尾部設(shè)有一套主動風(fēng)浪補(bǔ)償?shù)浅颂菅b置，其伸縮范圍為7～11m，登乘高度為12m，俯仰角為±20°，可在360°方向上旋轉(zhuǎn)，具有6個(gè)方向運(yùn)動自由度（縱向、橫向、垂向、俯仰、側(cè)傾、航向）的補(bǔ)償。

該登乘梯裝置主要由液壓動力單元（舷梯旋轉(zhuǎn)及伸縮、6自由度主動補(bǔ)償）、控制單元和信號燈系統(tǒng)等組成。

該登乘梯控制箱布置于登乘梯附近，主要功能包括控制登乘梯的旋轉(zhuǎn)及伸縮、監(jiān)測登乘梯運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行與風(fēng)塔的連接或斷開、根據(jù)海況環(huán)境及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析并輸出信號至信號燈系統(tǒng)對運(yùn)維人員的登離做出指示。6自由度運(yùn)動主動補(bǔ)償功能由該系統(tǒng)自帶控制裝置自動控制，無需人工干預(yù)。該登乘梯裝置設(shè)有應(yīng)急操作系統(tǒng)，當(dāng)其動力裝置電源出現(xiàn)故障時(shí)，能自動脫開與風(fēng)塔平臺的連接，并保證登乘梯通道的位置，由人工進(jìn)行回收及存放。信號系統(tǒng)用于指示運(yùn)維人員登離，指示燈有紅、黃、綠三種顏色。紅燈表示設(shè)備故障，不允許登離；黃燈表示系統(tǒng)未進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；綠燈系統(tǒng)表示運(yùn)行正常，運(yùn)維人員允許登離風(fēng)塔平臺。此外，舷梯裝置與DP-2動力定位系統(tǒng)設(shè)有電氣接口，可通過接入DP-2動力定位系統(tǒng)的傳感器參數(shù)（位置、動作、艏向、風(fēng)速風(fēng)向）進(jìn)行更加精確的補(bǔ)償控制。

目前，國內(nèi)的運(yùn)維船大多未設(shè)有專用的登乘系統(tǒng)，或者僅設(shè)置了簡易的登乘梯，而該風(fēng)浪補(bǔ)償?shù)浅颂莸脑O(shè)置，使得船舶與風(fēng)機(jī)承臺可以保持一定距離而不需緊緊靠泊在風(fēng)機(jī)承臺上，并且能在較大潮差及風(fēng)浪下使運(yùn)維人員安全平穩(wěn)的往返于本船與風(fēng)塔之間，在較大程度上滿足了船舶在海上風(fēng)電場特殊作業(yè)工況下的使用要求，

5 船內(nèi)通信報(bào)警系統(tǒng)

本船船內(nèi)通信及報(bào)警系統(tǒng)主要包括：聲力電話系統(tǒng)、應(yīng)急主機(jī)傳令鐘系統(tǒng)、公共廣播系統(tǒng)、通用緊急報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和輪機(jī)員呼叫報(bào)警系統(tǒng)等。本船出航進(jìn)行運(yùn)維作業(yè)時(shí)，可載運(yùn)35名運(yùn)維人員。因運(yùn)維人員需離開船舶至風(fēng)電場進(jìn)行作業(yè)，故不能做為特殊人員考慮。而目前規(guī)范對風(fēng)電場運(yùn)維人員還未有明確定義。由于其人數(shù)達(dá)到35名，已達(dá)到規(guī)范對客船載客人數(shù)要求的規(guī)定，故本船的設(shè)計(jì)還需滿足規(guī)范對客船的相關(guān)要求。船內(nèi)通信及報(bào)警設(shè)備中需特別考慮的是公共廣播系統(tǒng)和通用緊急報(bào)警系統(tǒng)。規(guī)范要求公共廣播系統(tǒng)應(yīng)能在駕駛室同時(shí)向船員和乘員或兩者通常所在的處所及集合站發(fā)送廣播信息，同時(shí)也能分別向船員和乘員發(fā)送廣播信息。通用緊急報(bào)警系統(tǒng)則應(yīng)能將通用緊急報(bào)警信號分別向船員和乘員，以及同時(shí)向兩者發(fā)出。

6 風(fēng)電場設(shè)備運(yùn)行維護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)

本船能通過船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)或3G/4G網(wǎng)絡(luò)連接接入風(fēng)電場設(shè)備運(yùn)行維護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠快速準(zhǔn)確的捕捉、記錄、跟蹤現(xiàn)場或客戶的各種服務(wù)要求，及時(shí)受理并作出響應(yīng)。該系統(tǒng)根據(jù)故障的影響級別或者客戶要求的緊急程度等確定服務(wù)優(yōu)先級，然后通過電子海圖系統(tǒng)的定位導(dǎo)航功能快速準(zhǔn)確的到達(dá)故障現(xiàn)場進(jìn)行運(yùn)維搶修作業(yè)，很大程度上提高運(yùn)維服務(wù)的效率。該系統(tǒng)的設(shè)置，使得船舶成為風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)海上的一個(gè)延伸，增加了風(fēng)電場運(yùn)維的機(jī)動性。

7 無線電通信導(dǎo)航系統(tǒng)

本船無線電通信導(dǎo)航系統(tǒng)包含無線電通信設(shè)備及航行設(shè)備。為了保證本船與其它船舶、風(fēng)塔人員及岸基的通信聯(lián)絡(luò)，本船無線電通信設(shè)備的配備按GMDSS A1+A2海區(qū)的要求配置。同時(shí)，為了保證本船在海上執(zhí)行搶修任務(wù)時(shí)的正常航行安全，本船的導(dǎo)航設(shè)備按規(guī)范對中國沿海航區(qū)船舶的要求配置。另外，因本船作業(yè)目的地為風(fēng)電場，考慮船舶經(jīng)常性脫離正常航道，故配置較高性能的電子海圖儀系統(tǒng)及回聲測深儀系統(tǒng)。

8 結(jié)束語

海上風(fēng)電場具有風(fēng)資源優(yōu)越、環(huán)保、節(jié)約土地、規(guī)模大等優(yōu)勢，我國擁有1.8萬km的海岸線及300多萬km2的管轄海域，具有巨大的市場開發(fā)潛能。作為風(fēng)電場不可或缺的配套項(xiàng)目，風(fēng)電運(yùn)維搶修船同樣有著非常樂觀的前景。42m海上風(fēng)電雙體運(yùn)維搶修船為開發(fā)創(chuàng)新型的風(fēng)電運(yùn)維、運(yùn)輸、搶修船，采用雙體船型，借鑒海工船的設(shè)計(jì)思路，而動力定位系統(tǒng)與風(fēng)浪補(bǔ)償?shù)浅颂菹到y(tǒng)的配合相得益彰，該電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，希望能為今后海上風(fēng)電場運(yùn)維船的設(shè)計(jì)提供一些參考。

[1] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S]. 2015.

[2] 中國船舶工業(yè)集團(tuán)有限公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊（電氣分冊），2013.

[3] ABS.GUIDE FOR CERTIFICATION OF OFFSHORE ACCESS GANGWAYS，2016.

[4] (美) M.J.Morgan. 耿恵彬,譯.近海船舶的動力定位[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1984.

[5] 朱永強(qiáng) 張旭.風(fēng)電場電氣系統(tǒng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[6] 葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2014.