海上人員傳送技術(shù)及維修船運(yùn)動響應(yīng)研究

孫?，?，鄭向遠(yuǎn)，黃 一，高 山，李邦華

（1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.清華大學(xué) 深圳研究生院 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)部，廣東 深圳 518055）

0 引 言

在全球能源和環(huán)境問題日益突出的今天，風(fēng)能作為可再生能源代表，逐漸受到世界各國廣泛關(guān)注[1]。海上風(fēng)電代表著風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域的前沿和制高點(diǎn)，是世界上主要風(fēng)電市場重點(diǎn)關(guān)注的發(fā)展方向，也是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要內(nèi)容[2]。海上風(fēng)電設(shè)備結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，所處環(huán)境更加惡劣，相比于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電發(fā)展時間短，積累經(jīng)驗不足，在建造和維護(hù)過程中存在著更大的挑戰(zhàn)[3]。因此，隨著我國海上風(fēng)電規(guī)模不斷擴(kuò)大，發(fā)展可靠的人員傳輸方案，提高風(fēng)場維護(hù)效率，減少維護(hù)等待時間，降低風(fēng)場維修成本是十分必要的。

1 中國海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

截止到2014年底，全球超過91%（8 045.3MW）的海上風(fēng)電裝機(jī)容量集中在歐洲海域，主要分布在北海（5 094.2MW：63.3%），大西洋（1 808.6MW：22.5%）以及波羅的海（1 142.5MW：14.2%）[1]。世界其他國家和地區(qū)也正在加緊建設(shè)海上風(fēng)電的步伐。

中國2014年海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量為229MW，規(guī)模僅次于英國和德國，累計裝機(jī)容量達(dá)到657.88MW，位居世界第五位。

根據(jù)各地規(guī)劃，“十二五”及2020年前重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)上海的東海大橋、南匯、奉賢，江蘇的南通、鹽城南北部、連云港，山東的萊州灣、渤中、長島、半島北海和半島南海，河北的唐山、滄州，廣東的粵東、粵西、珠三角，浙江的杭州灣、舟山東部、象山、臺州、溫州，遼寧的瓦房店、花園口、莊河等海域的海上風(fēng)電項目。

中國政府提出，到2015年規(guī)劃建設(shè)5GW海上風(fēng)電，到2020年規(guī)劃建設(shè)30GW海上風(fēng)電。2014年8月，國家能源局列出44個海上風(fēng)電項目計劃共計10.53GW，到12月計劃最終又增加了250MW。從目前看，這些目標(biāo)都尚未實現(xiàn)，資金、政策和技術(shù)層面都存在一定問題。

2 海上人員運(yùn)輸相關(guān)問題研究回顧

Morrison[4]分析了海上風(fēng)電需要頻繁人員登陸檢修的原因，指出維修人員在風(fēng)機(jī)的建造、調(diào)試、測試以及操作和維修期間需要在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)上工作。在必要的維修電氣故障過程中，也會有大量的海上人工介入來維修風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)。

Morrison[4]還分析了采用船舶運(yùn)輸和直升飛機(jī)運(yùn)輸人員的優(yōu)缺點(diǎn)。采用船舶運(yùn)輸：優(yōu)點(diǎn)是價格便宜，缺點(diǎn)是速度慢、舒適度差、受海況因素限制較多、人員登陸較危險、靠近風(fēng)機(jī)時需精準(zhǔn)定位，操作難度大容易與結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞。采用直升飛機(jī)運(yùn)輸：優(yōu)點(diǎn)是速度快、不受波浪等海況的限制、人員登陸的時候更安全。缺點(diǎn)是僅在能見度好的時候可以工作、按小時計算租金，價格昂貴、有風(fēng)速限制；此外，還需要飛行員具備高超的駕駛能力，以避免與風(fēng)輪相撞。

Van Bussel和Bierbooms[5]研究了維修人員登陸海上風(fēng)機(jī)時面臨的困難并給出了采用不同方式登陸風(fēng)機(jī)的可到達(dá)率。采用Monte Carlo仿真方法估算海上風(fēng)機(jī)的可到達(dá)率，結(jié)果顯示以荷蘭的DOWEC海上風(fēng)場為例，若僅僅使用船舶運(yùn)輸維修人員，則可到達(dá)率不超過90%。

Hofmann和Sperstad[6]提出了一種新的評判模型NOWIcob（Norwegian offshore wind cost and benefit model），用來評估不同操作和維修策略對于海上風(fēng)場整個生命周期成本的影響。該評判模型可用來幫助減少海上風(fēng)場的建設(shè)和維修成本。

Marsh[7]分析了復(fù)合材料在海上風(fēng)電維修船上的應(yīng)用前景。雙體運(yùn)輸船的船體若采用復(fù)合材料，其優(yōu)點(diǎn)有：重量輕、橫搖小、碳排放量小、速度快、水動力性能好、沒有金屬腐蝕、減少疲勞和聲隔離性能好等。但同時也存在一定的缺點(diǎn)：若與風(fēng)機(jī)相撞，后期的維修時間長（復(fù)合船維修時間：3個月，鋁制船維修時間：2個星期）。

3 海上人員運(yùn)輸工具簡介

在海上進(jìn)行人員傳送時，通常需先將人員送至海洋結(jié)構(gòu)附近，再通過相關(guān)的技術(shù)方法使人員登陸到結(jié)構(gòu)上。

海上人員運(yùn)輸工具包括：大型維修船、小型人員運(yùn)輸船、專門針對人員登陸而開發(fā)的特殊船舶以及直升飛機(jī)。大型維修船用來運(yùn)輸大型設(shè)備，在風(fēng)場建設(shè)初期用途很大。小型人員運(yùn)輸船則適合風(fēng)場運(yùn)營階段的維修和檢測工作。特殊船舶則是針對風(fēng)浪聯(lián)合作用下人員難以登陸這一問題而專門設(shè)計的。比如：Mobimar公司專門設(shè)計了三體船型的Mobimar 18 Wind人員運(yùn)輸船，可以在4 m有義波高營運(yùn)，可以在2.5 m有義波高完成人員傳送[8]。Vanishing Point，可在1.7 m波高的位置與結(jié)構(gòu)連接而毫無相對運(yùn)動[9]。Ocean Wind Marine LTD公司以英格蘭東北海岸為基礎(chǔ)設(shè)計的雙體船，可以在波高2-3 m的環(huán)境中工作[10]。AUSTAL公司計劃開發(fā)一種三體船，工作海域為所有歐洲國家的海域，船長27.4 m，船寬10.5 m，可運(yùn)載12名維修人員和3名船員，服務(wù)航速23節(jié)，設(shè)計有義波高為3 m[11]。直升飛機(jī)是最快捷的人員運(yùn)輸方式，但是價格極其昂貴，并不是理想的選擇。

在眾多船型中，單體船速度慢，穩(wěn)定性較差；三體船建造工藝復(fù)雜，價格昂貴。因此小型雙體客船是短途海上人員運(yùn)輸過程中的主要船型，尤其是在風(fēng)場進(jìn)入正常運(yùn)營階段以后。從歐洲一些船舶公司數(shù)據(jù)來看，海上風(fēng)場人員運(yùn)輸船船型以雙體船為主，價格區(qū)間為20～55萬英鎊。

表1 部分人員運(yùn)輸船價格[12]Tab.1 Prices of crew transfer vessels

4 海上人員登陸技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

靠船登陸技術(shù)包括：吊籃、起吊機(jī)、固定抓緊裝置、通道/懸梯以及液壓設(shè)備。

這些登陸技術(shù)各自有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，在工程實際中，通常根據(jù)傳送人數(shù)、設(shè)備大小和數(shù)量、海況、海上結(jié)構(gòu)的形式等多種因素選擇合適的運(yùn)輸工具，搭配登陸技術(shù)，確定合理的人員傳送方案，以保證傳送效率和安全性。

圖1 各種登陸技術(shù)Fig.1 Types of personnel transfer systems

目前海上人員傳送方式主要有以下幾種：吊升式人員傳送、固定抓緊式傳送、通道懸梯類傳送以及其他形式的傳送。

4.1 吊升式人員傳送

吊升傳送是最原始的海上人員傳送方式，吊升傳送需要有吊籃和起吊機(jī)配合。

4.1.1 吊籃

吊籃的發(fā)展經(jīng)歷了折疊網(wǎng)到剛性吊網(wǎng)，到剛性吊籃的發(fā)展過程。

圖2 折疊網(wǎng)Fig.2 Collapsible net

圖3 剛性吊網(wǎng)Fig.3 Rigid basket

圖4 剛性吊籃Fig.4 Rigid capsule

英國LHR Marine公司[13]研發(fā)了多種型號的折疊網(wǎng)。傳送時人員站立在折疊網(wǎng)外面，用手抓住折疊網(wǎng)，這種非剛性的折疊網(wǎng)極不穩(wěn)定，如圖2所示。

英國Seaway Heavy Lifting公司[14]研發(fā)了剛性的吊網(wǎng)，雖然剛性骨架起到了保護(hù)的作用，但這種吊網(wǎng)也是一種人員站立式結(jié)構(gòu)，極不安全，如圖3所示。

英國Reflex Marine公司[15]研發(fā)了更為先進(jìn)的人員坐立式剛性吊籃，它的不銹鋼骨架和浮體結(jié)構(gòu)可提供浮力和自動扶正功能，比之前的結(jié)構(gòu)更加安全，如圖4所示。

4.1.2 起吊機(jī)

采用吊籃傳送人員需要起重機(jī)配合。德國PTS公司[16]專門針對海上人員登陸設(shè)計一款雙臂液壓吊桿起重機(jī)（圖5），并于2008年完成全部海上試驗。

PTS起重機(jī)通過無線電遙感控制，可以保證船舶與結(jié)構(gòu)物之間有5 m的安全距離。該起重機(jī)有效地解決了船舶甲板與海上結(jié)構(gòu)物甲板高度差的問題：當(dāng)傳送重量小于500 kg時，可提升的高度是15 m；當(dāng)傳送重量超過500 kg時，安全的提升高度為8 m。

PTS起重機(jī)需安裝在每個海洋結(jié)構(gòu)上，在結(jié)構(gòu)正常運(yùn)營階段，起重機(jī)的利用率低，浪費(fèi)嚴(yán)重。此外，將人員送回船舶甲板的過程難度更大，人員在平臺甲板著陸的時候無法配合船舶的運(yùn)動，存在危險，易受傷。

吊升傳送方式極不安全，已經(jīng)不被廣泛采用，僅在當(dāng)船舶甲板與海上結(jié)構(gòu)的甲板高度差距過大的時候，采用該方法傳送人員。吊籃的發(fā)展則經(jīng)歷了折疊網(wǎng)到剛性吊網(wǎng)，到剛性吊籃的發(fā)展過程。

4.2 固定抓緊式傳送

4.2.1 Mobimar 18 Wind人員運(yùn)輸船

圖5 PTS起吊機(jī)Fig.5 PTSCrane

Mobimar公司是芬蘭的一家船廠，該公司曾推出一種人員運(yùn)輸船Mobimar 18 Wind（圖6）。該船采用三體船船型，在船艏安裝了獨(dú)特的夾具結(jié)構(gòu)。該船可以在4 m有義波高營運(yùn)，可以在2.5 m有義波高完成人員傳送，登陸角度達(dá)到180°，每次可運(yùn)送12名旅客[17]。

雖然Mobimar 18 Wind優(yōu)勢很多，但由于是針對人員登陸專門設(shè)計的船舶，用途單一；且采用三體船型，建造成本高。若使用該船，將會顯著增加風(fēng)場的維護(hù)成本。

4.2.2 MaXccess T-series人員傳送系統(tǒng)

MaXccess系統(tǒng)（圖7）是發(fā)展成熟的人員傳送系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)歷了系統(tǒng)完善的發(fā)展過程，其設(shè)計已經(jīng)得到了勞氏船級社的認(rèn)可，設(shè)計和操作方面有著大量的安全記錄證明[18]。

MaXccess T-series系統(tǒng)由英國OSBIT POWER公司開發(fā)，有兩個型號：MaXccess T12和MaXccess T18。MaXccess T12用于長度小于18 m的船舶；MaXccess T18用于長度大于18 m的船舶。

MaXccess系統(tǒng)可以迅速夾在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的附屬鋼結(jié)構(gòu)上，限制了船艏的垂直和水平方向的運(yùn)動，但允許船舶橫搖、縱搖和艏搖，因此波高對人員傳送的限制依然很大。

2011年10月和2012年3月，MaXccess系統(tǒng)分別完成了碼頭試驗和海上試驗。其中，海上試驗持續(xù)9天，MaXccess系統(tǒng)夾在風(fēng)機(jī)緩沖柱上的總時間超過12個小時，共完成36次人員傳送，試驗可在1.9 m有義波高下安全進(jìn)行[19]。

MaXccess T12和MaXccess T18的主要性能參數(shù)如表2所示。

圖6 Mobimar 18 Wind人員運(yùn)輸船F(xiàn)ig.6 Mobimar 18 wind personnel transport ship

圖7 MaXccess系統(tǒng)測試中Fig.7 MaXccess system in testing

4.2.3 Houlder-TASTM人員傳送系統(tǒng)

英國的Houlder公司和BMT Nigel Gee公司針對無動力定位系統(tǒng)的船舶，聯(lián)合設(shè)計開發(fā)了一種叫做TASTM的人員登陸系統(tǒng)（圖8）。TASTM是一種具有專利的動態(tài)補(bǔ)償平臺，系統(tǒng)末端安裝了滾輪，通過滾輪與海上風(fēng)電機(jī)塔架摩擦力來抑制船體的晃動。該系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)材料為船用鋁合金，結(jié)構(gòu)重量較小[20]。

圖8 Houlder-TASTM系統(tǒng)Fig.8 Houlder-TASTM system

2012年的夏天，TASTM系統(tǒng)首次在南安普敦舉行的海上作業(yè)展覽會上公開亮相[20]，此后在第27屆Offshore Achievement Awards獲得了安全革新獎（Safety Innovations Award）[21]。2012年，TASTM系統(tǒng)進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可保證在有義波高1.8 m下人員運(yùn)輸安全。TASTM系統(tǒng)能夠抵御垂向+/-1.5 m，船舷角度為+/-25°的位移[22]。2014年6月，TASTM系統(tǒng)又進(jìn)行了一系列試驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)更加安全[23]。

4.3 通道懸梯式傳送

4.3.1 MaXccess P-series人員傳送系統(tǒng)

OSBIT Power公司與Tyne Gangway公司聯(lián)合為海上人員傳送開發(fā)了MaXccess P-series通道系統(tǒng)，產(chǎn)品分為4個型號：MaXccess P25、MaXccess P35（圖 9）、MaXccess P40 和MaXccess P45.5。MaXccess P-series的工作原理是：首先通過人工操控，將系統(tǒng)搭在目標(biāo)結(jié)構(gòu)上；之后系統(tǒng)根據(jù)船舶的運(yùn)動可以自由伸展、縮短、傾斜或轉(zhuǎn)動，在六個自由度上主動或被動進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償。MaXccess P-series的主要性能參數(shù)如表3所示。

圖9 MaXccess P35系統(tǒng)Fig.9 MaXccess P35 system

表3 MaXccess P-series主要性能參數(shù)Tab.3 Performance parameters of MaXccess P-series

4.3.2 Ampelmann人員傳送系統(tǒng)

由荷蘭Delft大學(xué)提供技術(shù)支持的Ampelmann公司，開發(fā)的人員傳送系統(tǒng)Ampelmann系統(tǒng)有多個型號：A-type、E-type、L-type 和 O-type。 Delft大學(xué)在 2005 年初提出了Ampelmann系統(tǒng)的概念；隨后進(jìn)行了縮尺模型試驗；2006年9月設(shè)計并建造示范系統(tǒng)；2007年夏季示范系統(tǒng)建成；2008年開始投入生產(chǎn)。記錄表明[24]：Ampelmann系統(tǒng)（圖10）可以在5個星期內(nèi)完成7 000人次傳送工作，比原計劃提前3星期。

A-type可用來運(yùn)輸人員和小型設(shè)備。系統(tǒng)由自穩(wěn)六足結(jié)構(gòu)的六個液壓柱組成，每個液壓柱長2 m，可以補(bǔ)償垂向運(yùn)動2.5 m。E-type結(jié)構(gòu)形式與A-type相似，但液壓柱長度是A-type的1.5倍，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更大，能夠承受更惡劣的海況，工作海況可達(dá)到有義波高4 m。L-type是Amelmann系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)最小的，適用于小型無動力定位系統(tǒng)的人員運(yùn)輸船，運(yùn)輸更加快捷高效。O-type是針對平穩(wěn)海況下的大型人員運(yùn)輸船設(shè)計的，它沒有使用六足液壓桿結(jié)構(gòu)，而是使用運(yùn)動補(bǔ)償技術(shù)。系統(tǒng)僅搭在平臺上，船舶以低功率運(yùn)營，處于自由漂浮狀態(tài)。O-type可以長時間工作，保持與結(jié)構(gòu)連接數(shù)個小時甚至幾天的時間。

圖10 Ampelmann A-type系統(tǒng)Fig.10 Ampelmann A-type system

表4 Amepelmann系統(tǒng)的主要性能參數(shù)Tab.4 Performance parameters of Amepelmann Systems

截止2014年10月9日，超過35個Ampelmann系統(tǒng)在世界各風(fēng)場工作，累計完成人員傳送超過80 萬人次[25]。

4.3.3 MOTS 1000/G人員傳送系統(tǒng)

MOTS 1000/G是懸梯登陸系統(tǒng)[26]（圖11），設(shè)計安裝在有動力定位系統(tǒng)的船上。MOTS 1000/G可以在有義波高3.5 m以下傳送人員，垂向運(yùn)動補(bǔ)償最大4 m，總重量7.5 t，承載能力150 kg。MOTS 1000/G的主要性能參數(shù)如表5所示。

表5 MOTS 1000/G系統(tǒng)的主要性能參數(shù)Tab.5 Performance parameters of MOTS 1000/G

圖11 MOTS 1000/G系統(tǒng)Fig.11 MOTS 1000/Gsystem

4.3.4 Houlder—Personnel Transfer System人員傳送系統(tǒng)

Houlder公司針對有動力定位系統(tǒng)的船舶設(shè)計了一款人員傳送系統(tǒng)（圖12）。該系統(tǒng)的液壓懸梯根據(jù)船舶的運(yùn)動提供主動或被動的運(yùn)動補(bǔ)償，可保證人員在有義波高3 m時高效安全地登陸海上結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)重25 t，水平方向最遠(yuǎn)可到達(dá)23 m，回轉(zhuǎn)角度360°，安全工作載荷350 kg，工作溫度：-20°～+35°。系統(tǒng)工作時，對船舶運(yùn)動的要求是：升沉運(yùn)動：-5 m～+5 m，橫蕩縱蕩：-1.5 m～+1.5 m，橫搖縱搖：-6°～+6°，艏搖：-4°～+4°[27]。

4.4 其他形式傳送

德國momac公司還開發(fā)了一種人員傳送系統(tǒng)—MOTS 500[28]（圖13）。MOTS 500是針對無動力定位系統(tǒng)的船舶設(shè)計的高空作業(yè)籠系統(tǒng)，可補(bǔ)償所有方向的船舶運(yùn)動。MOTS 500總重量為3.4 t，承載能力150 kg，可以在有義波高2.5 m傳送人員。該系統(tǒng)垂向運(yùn)動補(bǔ)償最大為3.2 m，當(dāng)船舶垂向運(yùn)動小于3.2 m的時候，系統(tǒng)可以保證人員傳送安全。MOTS 500的主要性能參數(shù)如表6所示。

圖12 Houlder Personnel Transfer系統(tǒng)Fig.12 Houlder Personnel Transfer system

表6 MOTS 500系統(tǒng)的主要性能參數(shù)Tab.6 Main performance parameters of MOTS 500 system

續(xù)表6

4.5 各種傳送方式總結(jié)

現(xiàn)將以上各種傳送系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表7所示。

從目前資料來看，有關(guān)海上風(fēng)電維修船人員登陸系統(tǒng)的研究工作主要集中在歐洲國家，雖然已有關(guān)于登陸系統(tǒng)的研究，但是目前的登陸系統(tǒng)有各自不足之處，波高仍是限制人員登陸的主要因素。

在我國，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正處于起步階段，對于登陸系統(tǒng)的研究幾乎空白。在未來幾年，海上風(fēng)電是我國重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。然而，若沒有成熟的維修技術(shù)作保障，海上風(fēng)電的發(fā)展也將大大受到限制。登陸系統(tǒng)是人員登陸過程中最重要的一個環(huán)節(jié)，在該環(huán)節(jié)上自身發(fā)展落后或者在技術(shù)上受制于外國，將會給我國帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，我們迫切地需要發(fā)展自己的海上風(fēng)電維修事業(yè)，研發(fā)屬于自己的登陸系統(tǒng)。

圖13 MOTS 500系統(tǒng)Fig.13 MOTS 500 system

表7 各種傳送系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)Tab.7 Summary of merits and limitations of boat personnel transfer systems

5 人員運(yùn)輸船水動力性能分析

對于任何人員傳送系統(tǒng)，其性能都和運(yùn)輸船的船體運(yùn)動密切相關(guān)。因此本文以某雙體客船為例，使用頻域分析軟件WAMIT，對人員運(yùn)輸船的水動力特性展開研究。需要注意的本文著重考慮運(yùn)輸船在接近海上風(fēng)電機(jī)塔筒基礎(chǔ)時的靠船運(yùn)動，此時航速可假設(shè)為零。

本文中水動力計算部分使用的軟件是WAMIT，WAMIT V6.0以上的版本可以使用基于B樣條的高階方法來表示結(jié)構(gòu)物的幾何外形以及求解結(jié)構(gòu)物表面的速度勢和壓力。對比低階方法，高階方法能夠節(jié)省大量計算時間并且結(jié)果更加準(zhǔn)確。

5.1 本文中使用的模型

本文中使用的雙體船模型為一高速雙體客船，船長25.1 m，船寬8.8 m，吃水1.45 m，單個片體寬2.6 m，片體間距3.6 m。圖14為該雙體船的型線圖。

圖14 雙體船型線圖Fig.14 The catamaran’s drawing lines

圖15 幾何模型：雙體船與雙體之間的自由表面Fig.15 The catamaran geometric modeling and free surface between the two hulls

在建模方面，本文使用的是MultiSurf軟件。MultiSurf可以直接與WAMIT建立連接，即MultiSurf中建立的幾何模型可直接用于WAMIT的高階方法計算。在MultiSurf中建模，只需建立出水線面以下結(jié)構(gòu)的濕表面部分。

對于本文中的水動力計算模型，由于要考慮船舶靠近風(fēng)機(jī)時的運(yùn)動響應(yīng)，因此需要建立雙體船模型和風(fēng)機(jī)模型，二者一動一靜，在計算時考慮其相互作用。

對于雙體船，兩個片體之間有一大塊水體，這部分水體會對雙體船的水動力性能產(chǎn)生影響。因此在建模的時候，需在兩個片體之間的液面建立自由液面，最終的雙體船模型如圖15所示，粉紅色區(qū)域為自由液面。

風(fēng)機(jī)模型采用單樁模型，風(fēng)機(jī)水下部分化簡成一個圓柱模型，直徑為5 m。圖16是在MultiSurf中建立的風(fēng)機(jī)幾何模型。

水深為15 m，同時考慮維修人員在登陸風(fēng)機(jī)時，可能遭遇不同方向的波浪，因此浪向角設(shè)定為0°、30°、60°、90°、120°、150°和 180°。

雙體船模型與風(fēng)機(jī)模型位置關(guān)系的相對位置圖如圖17所示，在通常情況下，雙體船采用船頭正對基礎(chǔ)的登陸方式，而非船舷緊貼樁基礎(chǔ)。這里，假設(shè)船頭距離風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)表面為1 m。

圖16 風(fēng)機(jī)模型Fig.16 The wind turbine model

圖17 模型的相對位置圖Fig.17 Plan view of the relative placements of models

5.2 本文使用的波浪譜

通常情況下，在工程上描述海況時，僅僅考慮風(fēng)浪的作用，即假設(shè)波浪譜是單峰譜（如：JONSWAP譜、PM譜等）。而在沿海地區(qū)時常還應(yīng)該考慮風(fēng)浪和涌浪的聯(lián)合作用，此時應(yīng)該使用雙峰譜來描述海況，尤其在我國東南沿海和南海。

Torsethaugen譜是目前發(fā)展較好的一種7參數(shù)雙峰譜，目前已被DNV規(guī)范收錄使用[29]。對于未知海域，在多個參數(shù)未知的情況下，使用Torsethaugen譜是較佳選擇。Torsethaugen譜考慮將風(fēng)浪譜與涌浪譜疊加，公式如下：

其中）為涌浪譜，）為風(fēng)浪譜。 各圖譜如圖18-21所示。

本文對人員登陸時船舶的運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行了估算，分別采用了JONSWAP譜和Torsethaugen譜，并對兩種譜的結(jié)果進(jìn)行了對比。海況參數(shù)方面，結(jié)合本文中使用的小型人員運(yùn)輸船模型，有義波高Hs取2.5 m，譜峰周期Tp取6 s。圖20是使用的Torsethaugen譜，圖21是本文中使用的JONSWAP譜，其涌浪的周期為10.96 s，由經(jīng)驗公式確定[29]。

圖18 風(fēng)浪譜Fig.18 Wind sea spectrum

圖19 涌浪譜Fig.19 Swell sea spectrum

圖20 Torsethaugen譜Fig.20 Torsethaugen spectrum

圖21 JONSWAP譜Fig.21 JONSWAPspectrum

5.3 雙體船阻尼確定

分析船舶的耐波性能時，阻尼的影響不可忽略。WAMIT軟件基于勢流理論開發(fā)，可以自行計算波浪的輻射阻尼，但是用戶還需自行添加粘性阻尼矩陣。目前關(guān)于雙體船粘性阻尼的資料并不完整，本文中雙體船粘性阻尼估算方法參考單體船，并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男拚?/p>

船舶六自由度中，橫搖運(yùn)動響應(yīng)受阻尼影響最大。日本學(xué)者Ikeda等人[30]對橫搖阻尼進(jìn)行了深入的研究，并總結(jié)出了經(jīng)驗性的估算公式。將橫搖阻尼分為5種：

其中：Bf為船體摩擦阻尼；Be為漩渦阻尼；BW為興波阻尼；BL為升力阻尼；BBK為舭龍骨阻尼。

本文中的計算模型無航速，無舭龍骨，輻射阻尼由WAMIT自行算出，因此BL、BBK和BW均為0。對雙體船水下單個片體的Bf和Be進(jìn)行估算，隨后進(jìn)行修正，得到整個雙體船的橫搖阻尼。對于其余5個自由度的粘性阻尼，本文僅考慮了摩擦阻尼。摩擦阻尼按經(jīng)驗值取臨界阻尼的5%，最終得到整個阻尼矩陣。

6 計算結(jié)果

6.1 船體運(yùn)動RAO

通過WAMIT軟件，可以求得六個自由度的RAO結(jié)果，將結(jié)果繪制成線圖，如圖22所示。

從RAO圖可以看出，每個自由度的RAO規(guī)律不同，其中橫搖是最值得關(guān)注的自由度，在不同的浪向角中，橫浪（90°）無疑是最危險的工況，尤其是對橫搖和垂蕩運(yùn)動。

6.2 JONSWAP譜下的響應(yīng)譜

由于整個分析過程為線性分析過程，暫不考慮波浪非線性，因此可以通過線性譜分析的方法得到響應(yīng)譜。由RAO結(jié)果得到的JONSWAP譜下的響應(yīng)譜如圖23所示。

圖23 雙體船6自由度JONSWAP響應(yīng)譜圖Fig.23 JONSWAPresponse spectrum of catamaran’s 6 DOFs motions

在JONSWAP譜下，每條響應(yīng)譜的曲線都有一個明顯的峰值，這與JONSWAP譜本身的譜峰頻率有極大的關(guān)系。

6.3 Torsethaugen譜下的響應(yīng)譜

由RAO結(jié)果，通過譜分析的方法也能得到Torsethaugen譜下的響應(yīng)譜，各響應(yīng)譜圖如圖24所示。

圖24 雙體船6自由度Torsethaugen響應(yīng)譜圖Fig.24 Torsethaugen response spectra of catamaran’s 6 DOFs motions

Torsethaugen譜下的響應(yīng)譜與JONSWAP譜下的響應(yīng)譜有很大的區(qū)別。前者響應(yīng)值更大，并且由于雙峰譜涌浪因素的作用，在低頻的時候響應(yīng)值明顯變大，甚至出現(xiàn)比fp處更高的峰值。

6.4 最大運(yùn)動響應(yīng)估計

在窄帶高斯過程假設(shè)下，通過響應(yīng)譜可以估算短期隨機(jī)波下運(yùn)輸船的最大運(yùn)動響應(yīng)。本文將海上維修登陸時間設(shè)為20分鐘，分別估算了這兩種海浪譜下的最大運(yùn)動響應(yīng)，結(jié)果如表8和表9所示。

表8 JONSWAP譜下雙體船最大運(yùn)動響應(yīng)估計Tab.8 Extreme motion response of catamaran under JONSWAP wave spectrum

表9 Torsethaugen譜下雙體船最大運(yùn)動響應(yīng)估計Tab.9 Extreme motion response of catamaran under Torsethaugen spectrum

續(xù)表9

對比兩個譜下最大運(yùn)動響應(yīng)估計的結(jié)果，最大運(yùn)動響應(yīng)隨浪向角的變化規(guī)律基本相同。需要特別關(guān)注浪向角為90°和180°時的運(yùn)動響應(yīng)。

從以上估算結(jié)果來看，雙峰譜對運(yùn)動響應(yīng)的影響比較大。雖然希冀使用雙體船模型，其耐波性優(yōu)于單體船模型，但是從數(shù)據(jù)可以看出，橫搖響應(yīng)依然非常大（從JONSWAP譜的12.24°到Torsethaugen譜的11.31°）。在實際工程中，若要準(zhǔn)確估算船舶的運(yùn)動響應(yīng)，十分有必要根據(jù)海上風(fēng)電工作海域的實際海況選擇合適的雙峰譜或單峰譜來估算登陸船的運(yùn)動響應(yīng)，并非是單峰譜下的響應(yīng)就一定大于雙峰譜，但我們建議應(yīng)選擇較為保守的結(jié)果。

6.5 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)對雙體船運(yùn)動的影響

圖25 雙體船6自由度RAO對比圖Fig.25 RAOcomparison of catamaran’s 6 DOFs motions

為了研究風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的存在以及雙體船與風(fēng)機(jī)之間的距離對于雙體船運(yùn)動的影響，本文還對船艏距風(fēng)機(jī)表面4 m和無風(fēng)機(jī)的情況分別進(jìn)行了計算，并將結(jié)果與6.4節(jié)中船艏距風(fēng)機(jī)表面1 m時的結(jié)果進(jìn)行了對比。

風(fēng)機(jī)的存在對雙體船運(yùn)動的影響很小，本文特意選擇了各自由度中影響較大的浪向角來加以說明。對于縱蕩、橫蕩和艏搖三個自由度，本文分別選擇了浪向角為180°、90°和30°的結(jié)果進(jìn)行對比。對于橫搖運(yùn)動，本文選擇了浪向角為90°和120°的結(jié)果對比。對于縱搖運(yùn)動，本文選擇了浪向角為0°和60°的結(jié)果對比。對于垂蕩運(yùn)動，本文選擇了浪向角為90°和180°的結(jié)果對比。結(jié)果如圖25所示。

從以上結(jié)果可以看出，風(fēng)機(jī)的存在對縱蕩、橫蕩和艏搖運(yùn)動的影響很小，雙體船與風(fēng)機(jī)之間的距離的影響幾乎可忽略不計。風(fēng)機(jī)對于橫搖運(yùn)動的影響也非常小。僅在浪向角為120°時，橫搖運(yùn)動略有差別。對于縱搖運(yùn)動，無風(fēng)機(jī)時，縱搖運(yùn)動最大；登陸船與風(fēng)機(jī)的距離對縱搖影響很小。對于垂蕩運(yùn)動，在無風(fēng)機(jī)存在時，雙體船的垂蕩運(yùn)動在低頻的RAO要大于有風(fēng)機(jī)時的RAO，在高頻反而要小。然而在有風(fēng)機(jī)時，雙體船與風(fēng)機(jī)之間的距離對垂蕩影響卻不大。因此，在實際工程中可忽略風(fēng)機(jī)對登陸船運(yùn)動的影響。

由于本文計算模型中雙體船船寬8.8 m，風(fēng)機(jī)直徑5 m，和雙體船與風(fēng)機(jī)距離（1-4 m）均在同一個量級上，而雙體船船頭正對樁基礎(chǔ)，因此風(fēng)機(jī)在流場中的存在對垂蕩和縱搖產(chǎn)生影響，而對運(yùn)輸船的其他自由度運(yùn)動并沒有產(chǎn)生大的影響。由此可得出結(jié)論，在研究海上風(fēng)場人員登陸問題的時候，可以忽略運(yùn)輸船與風(fēng)機(jī)之間的相對距離的影響。

7 結(jié) 論

當(dāng)前世界上各種先進(jìn)的人員傳送系統(tǒng)多在歐洲海上風(fēng)電場得以應(yīng)用，有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和工作海況的限制，本文對其加以總結(jié)，為實際工程中選擇合適傳送系統(tǒng)和研發(fā)新型傳送系統(tǒng)提供了有力的建議。海上風(fēng)場的人員傳送將直接影響其運(yùn)營成本，我國正大力發(fā)展海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，但是對海上人員傳送這一問題的研究還處于一片空白，因此十分有必要對這一問題展開全面而深入的研究，尤其是開發(fā)屬于自己的海上人員傳送系統(tǒng)。目前，影響人員登陸的主要因素就是波高，其次是波浪的周期組成特性。從本文的算例中看出，在風(fēng)浪為主的海況下，單峰波譜下比雙峰波譜下預(yù)報的橫搖與縱搖結(jié)果要大，而垂蕩較小。因此，需要充分考慮當(dāng)?shù)睾Ｓ虻恼鎸嵅ɡ藯l件，采用適合的波譜來估算船舶的運(yùn)動響應(yīng)，提供傳送系統(tǒng)設(shè)計時所需的精確的運(yùn)動輸入。多體水動力的計算分析還表明，需要考慮風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)的存在，但雙體船與風(fēng)機(jī)之間的距離在若干米范圍內(nèi)時，此距離對雙體船的耐波運(yùn)動特性的改變幾乎沒有影響。

[1]GWEC.Global wind report 2014[R].2014.

[2]中國循環(huán)經(jīng)濟(jì)協(xié)會可再生能源專業(yè)委員會-2014中國風(fēng)電發(fā)展報告[R].2014.

[3]鄧院昌,王鐵強(qiáng).海上風(fēng)電場建設(shè)的現(xiàn)狀分析與經(jīng)驗教訓(xùn)[C].第十三屆中國海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會論文集,2007.

[4]Ewen Morrison.Personnel transfer to offshore wind turbines[C].The 3rd Internation Conference on Marine Renewable Energy(MAREC 2004),2004:153-162.

[5]Van Bussel G JW,Bierbooms W.Analysis of different means of transport in the operation and maintenance strategy for the reference DOWECoffshore wind farm[C]//Proc OW EMES.Naples,2003.

[6]Hofmann M,Sperstad I B.Nowicob-a tool for reducing the maintenance costs of offshore wind farms[J].Energy Procedia,2013,35:177-186.

[7]Marsh G.Opportunities for composites in wind farm service vessels[J].Reinforced Plastics,2012,56(6):16-20.

[8]Offshore wind farm service and crew transfer[DB/OL].http://www.mobimar.com/workboats-offshore_wind_farm_service_and_crew_transfer.2014.

[9]Powerglide 46 wind farm crew catamaran[DB/OL].http://www.powerglide30.com/windfarm.html.2015.

[10]Welcome to ocean wind marine LTD[DB/OL].http://oceanwindmarineltd.com/.2009.

[11]New austal vessel to enhance wind farm support operations[DB/OL].http://www.austal.com.2012.

[12]Apollo Duck[DB/OL].http://commercial.apolloduck.com/listings.phtml?cid=617.2014.

[13]LHR marine.X-800 offshore personnel transfer net[DB/OL].https://www.lhrmarine.com.2016.

[14]Seaway heavy lifting[DB/OL].https://www.seawayheavylifting.com.cy/.2015.

[15]Reflexmarine.This is what we do[DB/OL].2015.

[16]Harbour trials of PTSin Hamburg[DB/OL].http://pts-offshore.com/en/aktuell.htm.2008.

[17]Mobimar.Offshore wind farm service and crew transfer[DB/OL].http://www.mobimar.com/workboats-offshore_wind_farm_service_and_crew_transfer.2015.

[18]Marinelink.New safer vessel transfer system[DB/OL].http://www.marinelink.com/news/transfer-vessel-system345464.aspx 2012.

[19]Sea Technology Group.MaXccess personnel-transfer platform completes sea trials[J].Sea Technology:Worldwide Information Leader for Marine Business,Science&Engineering,2012,53(4):79-79.

[20]自動化在線.遠(yuǎn)海的操作與維護(hù):到達(dá)所有區(qū)域[DB/OL].http://www.autooo.net/classid109-id118509.html.2013.

[21]國際船舶網(wǎng).Houlder海上通道系統(tǒng)獲安全革新獎[DB/OL].http://www.cnss.com.cn/html/2013/cbpj_0328/97734.html.2013.

[22]World Maritime News.BMT nigel gee complete offshore trials for turbine access system(UK)[DB/OL].http://worldmaritimenews.com/archives/66336/houlder-bmt-nigel-gee-complete-offshore-trials-for-turbine-access-system-uk/.2012.

[23]Offshore WIND.Houlder’s TASon trial at thanet wind farm[DB/OL].http://www.offshorewind.biz/2014/06/30/houlders-tason-trial-at-thanet-wind-farm/offshoreWIND,2014.

[24]Ampelmann.Our products for safe offshore access[DB/OL].http://www.ampelmann.nl/products/.2016.

[25]Offshore WIND.Ampelmann opens news facility in Rotterdam harbor[DB/OL].https://www.offshorewind.biz/2014/10/09/ampelmann-opens-news-facility-in-rotterdam-harbor/offshoreWIND.2014.

[26]Momac.Momac Offshore Transfer System MOTS-G designed for DPvessels[R].Report.2013.

[27]Houlder.Offshore personnel transfer system[DB/OL].http://houlderltd.com/case-study/personnel-transfer-system/.2016.

[28]Momac.momac Offshore Access Systems MOTS[DB/OL].http://www.momac-robotics.de/momac-Offshore-Access-System-MOTS.html#sitemap momac.2012.

[29]Det Norske Veritas.Recommended practice det norske veritas[S].DNV-RP-C205,2010.

[30]Yuki Kawahara,Kazuya Maekawa,Yoshiho Ikeda.Characteristics of roll damping of various ship types and a simple prediction formula of roll damping on the basis of ikeda’s method[C].The 4th Asia-Pacific Workshop on Marine Hydrodymics-APHydro2008,2008.