運維交通船登乘過程波浪補償策略研究

賈傳寶

(福建省新能海上風電研發(fā)中心有限公司,福建 福州 350108)

當前，我國海上風電行業(yè)迅猛發(fā)展，海上風電場的規(guī)模和裝機容量也越來越大，海上風電場的運行和維護工作越來越受到重視。但由于海上風電場的海況十分惡劣，受到風、浪、流的影響，使得運維交通船的可達性受限。尤其是當運維交通船登靠風電機時，船舶橫搖、縱搖十分劇烈，使得運維技術(shù)人員登乘風機變得十分困難[1]。此外，海上風機基礎(chǔ)平臺沒有統(tǒng)一的靠泊結(jié)構(gòu)，與船舶連接的部件不統(tǒng)一，導致作業(yè)人員登乘過程更加困難。

1 海上風電運維交通船主要靠泊方式

目前，國內(nèi)海上風電運維交通船主要有單體船、雙體船等兩種船型。其中單體船大多采用側(cè)靠方式，受波浪影響嚴重，靠泊能力差；雙體船大多采用頂靠方式，主要依靠船艏橡膠與靠泊結(jié)構(gòu)的摩擦力，保證船舶的穩(wěn)定性。以上兩種靠泊方式，在受到浪流或者大風影響時，船舶會發(fā)生較大程度的搖擺，變得很不穩(wěn)定，人員登乘風機的安全風險很大。

為了解決運維人員登乘風機過程中的安全問題，在歐洲，已研制出專業(yè)化的波浪補償裝置。該裝置主要是解決人員登靠過程中船舶穩(wěn)定性問題，可以更好地保護作業(yè)人員安全，同時增加船舶可出海作業(yè)窗口時間，很大程度上提高了風電場運維效率。

2 解決運維交通船登乘問題的策略

運維交通船在人員登乘過程中產(chǎn)生危險的原因，主要是由于船舶受環(huán)境因素影響發(fā)生的橫搖與縱搖，影響登乘通道的平穩(wěn)性，如何解決穩(wěn)定性問題是解決登靠問題的核心[2]。

根據(jù)近年來對海上風電運維船舶的研究，考慮在船舶上增設(shè)一套專用登乘裝置，進行波浪補償，用于減少船舶在橫搖、縱搖時對登乘人員造成的不利影響，確保人員可以安全登上海上風機。

圖1 海上風電運維波浪補償裝置

該結(jié)構(gòu)可以改善運維人員登乘風機的條件，棧橋連接風機基礎(chǔ)，船舶橫搖時，棧橋可通過水平轉(zhuǎn)動軸使得步橋保持固定；當船舶水平位移時，棧橋可通過垂直鉸鏈使得步橋保持固定；當船舶深沉時，步橋可通過水平鉸鏈使得步橋與船舶保持連接，使得棧橋與風機相對靜止，形成一個相對固定的登乘通道，對海上波浪進行補償，保證人員登乘安全。

2.1 登乘裝置系統(tǒng)組成

登乘裝置主要由主控單元、電源、姿態(tài)傳感器、控制按鈕、報警指示燈、觸摸屏組成，系統(tǒng)原理圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)原理圖

其中，主控制單元負責接收姿態(tài)傳感器的艦船縱搖、橫搖、深沉信息，通過軟件計算對登靠系統(tǒng)的穩(wěn)定平臺進行主動補償，接收液壓缸位置反饋元件，對穩(wěn)定平臺進行閉環(huán)控制，使穩(wěn)定平臺位置穩(wěn)定，保證人員安全登上海上風電塔。姿態(tài)傳感器安裝在穩(wěn)定平臺跳板底座下方，用于感知艦船的姿態(tài)信息。每隔一定時間向控制單元傳送艦船的縱搖、橫搖和升沉信息。顯示屏用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)，如各個液壓缸的位置、艦船的姿態(tài)信息、工作模式等信息。

在主動補償過程中，系統(tǒng)通過接收到的縱搖、深沉信息和需要使穩(wěn)定平臺穩(wěn)定的目標位置，反求出俯仰缸和伸縮缸的位置伸縮量。隨后，控制器發(fā)出位置指令，并通過液壓缸的位置反饋元件對伺服閥進行位置的PID閉環(huán)控制，使棧橋穩(wěn)定在目標位置。

2.2 姿態(tài)理論計算

2.2.1 橫搖補償

首先對船舶橫搖運動過程進行建模，假設(shè)：橫搖支點到橫向補償油缸與登乘裝置連接點的距離為L1，橫搖支點到橫向補償油缸與登乘裝置連接點的距離為L2，橫向補償油缸初始長度為L3，油缸行程為d1，模型如圖3所示。

圖3 橫搖補償示意圖

其中：船舶在水平狀態(tài)下，L1與L2之間初始角度值為θ1。橫搖角γ1和角α1在運動過程中，相對大小是固定關(guān)系，如下：

α1=γ1+θ1

(1)

式(1)中，α1為使穩(wěn)定支架保持橫搖水平的角度，角α1可以通過三角形的三條邊長計算得出，公式如下：

(L3+d1)2=L12+L22-2L1L2cosα1

由此得到液壓缸的行程量，公式如下：

(2)

2.2.2 縱搖及升沉補償

對船舶縱搖及升沉運動進行建模，假設(shè)：縱搖支點到棧橋與主體結(jié)構(gòu)連接點距離為L4，縱搖補償油缸和棧橋與登乘裝置各自連接點之間距離為L5，棧橋與登乘裝置和縱搖補償油缸連接點之間距離為L6,縱搖補償油缸初始長度為L7，棧橋初始長度為L8,縱搖補償油缸行程為d2，棧橋行程為d3，模型如圖4所示。

圖4 縱搖及升沉補償示意圖

以傳感器安裝點A點為原點，建立坐標系，則B點坐標可以按下式計算：

(Bx,By)=(L4cos(α2-θ2),L4sin(α2-θ2))

(3)

式(3)中，L4為穩(wěn)定支架距離傳感器的高度；α2為AB與艦船甲板的夾角；θ2為縱搖角。

BC與水平面的夾角γ2可以計算出：

γ2=180°-α2-β1+θ2

其中，β1由余弦定理解三角形計算得出：

(L7+d2)2=L52+L62-2L5L6cosβ1

因此，C點坐標為:

(Cx,Cy)=(L4cos(α2-θ2)+(L8+d3)cosγ2,

L4sin(α2-θ2)+(L8+d3)sinγ2)

(4)

式中，L8為BC的距離，穩(wěn)定平臺的長度。

在實際工作過程中，A、B、C點縱坐標還要加上升沉量。

實際工作中，系統(tǒng)處于自動調(diào)整狀態(tài)，此時可以調(diào)整液壓缸d2和d3，并實時計算C點的坐標，然后系統(tǒng)進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，此時記錄下C點的坐標(Cx0,Cy0)作為穩(wěn)定目標，并進行補償，方法如下：

當船由于縱搖以及升沉導致C點變化時，通過液壓缸d2的變化來調(diào)整β1角，并通過液壓缸d3來調(diào)整梯子的長度，梯子末端的運動范圍如圖5中虛線所示。

圖5 縱搖補償及升沉補償范圍

其中，設(shè)A點升沉為h，則B點的坐標可按下式計算：

(Bx,By)=(L4cos(α2-θ2),L4sin(α2-θ2)+h)

C點坐標取穩(wěn)定開始的初始值(Cx0,Cy0)，

可以求得：

β1=180°-α2-γ2+θ2

(5)

(6)

為了保證穩(wěn)定平臺橫搖與水平面水平，可以根據(jù)式(2)求出橫搖軸的位移量d1；為了保證穩(wěn)定平臺穩(wěn)定在某一點，可以根據(jù)式(5)、(6)求出俯仰軸和伸縮軸的位移量d2，d3。

3 模擬實驗

3.1 橫搖、縱搖測試

為驗證登乘裝置的精度，需對控制系統(tǒng)進行模擬實驗。首先進行傳感器安裝，固定轉(zhuǎn)臺俯仰軸，使轉(zhuǎn)臺橫搖在±8°范圍內(nèi)運動，得出轉(zhuǎn)臺角度與傳感器測得的姿態(tài)值，計算出偏差值即為傳感器的精度，結(jié)果見表1。

表1 橫搖、縱搖角度偏差表

從表1可以看出，橫搖傳感器與轉(zhuǎn)臺的偏差值為：-0.19°～-0.05°，縱搖偏差范圍在-0.07°～+0.17°，橫搖、縱搖精度在±0.2°范圍內(nèi)，滿足控制精度要求。

3.2 補償測試

補償測試主要是通過調(diào)節(jié)姿態(tài)傳感器位置，計算出橫向油缸、俯仰油缸以及棧橋伸縮油缸的伸縮量。根據(jù)登乘裝置實際動作情況，測量油缸伸縮量，姿態(tài)傳感器分別在±8°范圍內(nèi)進行動作，測得橫向油缸的伸縮量誤差小于15mm，俯仰油缸的伸縮量誤差小于20mm，伸縮油缸的伸縮量誤差小于20mm，控制系統(tǒng)響應及時，動作精度良好。

通過理論計算和模擬實驗證明，波浪補償策略可以很好地解決運維交通船在登乘過程中的橫搖與縱搖問題，使得運維人員可以在平穩(wěn)的棧橋上進行登乘風機，保證人員安全。同時，該方案可以在一定程度上增加可出海作業(yè)時間，相比沒有安裝波浪補償裝置的船舶，可以適應更惡劣的海況，增加風場的運維作業(yè)窗口期，保證風電場經(jīng)濟效益。

4 結(jié)束語

國家目前在大力推動新能源和可再生能源高質(zhì)量發(fā)展，海上風電產(chǎn)業(yè)是我國能源轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展的重要方向，也是實現(xiàn)碳中和目標的重要支撐，在“十四五”期間將再次迎來蓬勃發(fā)展。海上風電運維作為海上風電場全壽命周期的重要環(huán)節(jié)，是保證海上風場安全穩(wěn)定運行的重要工作，而運維環(huán)節(jié)中安全風險最高的就是船舶登靠過程，海上環(huán)境復雜，在船舶性能不夠完善的情況下極易發(fā)生安全事故[3]。若船舶配置合適的波浪補償?shù)浅搜b置，可以很好地解決在登靠過程中的不利因素。目前波浪補償理論在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的認可，但受國內(nèi)制造工藝限制，系統(tǒng)液壓設(shè)備的穩(wěn)定性還有待提高。在政府有關(guān)部門、項目開發(fā)、運維等單位的共同努力下，將來一定能夠探索出一套可行、有效的解決方案，實現(xiàn)登乘波浪補償系統(tǒng)的標準化和產(chǎn)業(yè)化。