自航自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)的節(jié)能設(shè)計(jì)

饒廣龍，張宇凡，王鵬

(1.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)有限公司第七O八研究所，上海 200011；2.長(zhǎng)江三峽設(shè)備物資有限公司，成都 610000)

自航自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)在作為綠色能源的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈中具有重要地位。為進(jìn)一步提高上風(fēng)電安裝平臺(tái)的環(huán)保及節(jié)能效果，在平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)著重考慮節(jié)能措施的運(yùn)用。為此，從動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，考慮通過(guò)合理配置與布局，采用冷卻海水內(nèi)循環(huán)設(shè)計(jì)、逆功率回收、主發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)缸套水余熱回收，以及變頻系統(tǒng)的運(yùn)用等，提高風(fēng)電安裝平臺(tái)的節(jié)能能力。

1 冷卻海水內(nèi)循環(huán)設(shè)計(jì)

根據(jù)自航自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)須離開(kāi)海面進(jìn)行作業(yè)的特點(diǎn)，平臺(tái)須配置1個(gè)海水儲(chǔ)存艙，用于平臺(tái)升降過(guò)程中消防儲(chǔ)備用水。在平臺(tái)起升后進(jìn)行作業(yè)時(shí)，由于船體離開(kāi)海面，因此須使用潛水泵從海中向平臺(tái)供應(yīng)海水用以冷卻使用。

以某2 000 t風(fēng)電平臺(tái)為例，根據(jù)熱平衡計(jì)算，該平臺(tái)上配置有2臺(tái)1 000 m/h的潛水泵(1用1備)，4臺(tái)540 m/h的主海水冷卻泵(3用1備)，3臺(tái)220 m/h的輔海水冷卻泵(2用1備)。其最大工況，即動(dòng)力定位工況熱平衡計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 某2000 t風(fēng)電平臺(tái)動(dòng)力定位工況熱平衡計(jì)算

在平臺(tái)起升后進(jìn)行作業(yè)時(shí)，須投入2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組進(jìn)行工作，同時(shí)推進(jìn)系統(tǒng)停止工作。該工況下的冷卻水熱負(fù)荷見(jiàn)表2。

表2 某2 000 t風(fēng)電平臺(tái)起升后作業(yè)工況熱平衡計(jì)算

根據(jù)表1和表2可知：起升后作業(yè)工況時(shí)，熱負(fù)荷較小，根據(jù)比熱容公式進(jìn)行計(jì)算可知，經(jīng)過(guò)板式冷卻器換熱后的海水溫升約為5.5 ℃。在某些季節(jié)、某些海域，其海水環(huán)境溫度較低，若根據(jù)傳統(tǒng)的海水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，直接將冷卻海水排舷外，則未能充分利用海水的換熱能力。針對(duì)這種情況，在風(fēng)電安裝平臺(tái)上，對(duì)海水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，引入內(nèi)循環(huán)及溫度監(jiān)測(cè)控制的方式，系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 內(nèi)循環(huán)海水冷卻系統(tǒng)

系統(tǒng)中，通過(guò)潛水泵提升至平臺(tái)的海水，可直接進(jìn)入海水儲(chǔ)存艙，亦可在海水儲(chǔ)存艙破損的特殊情況下，直接進(jìn)入海水總管。在平臺(tái)起升后作業(yè)工況時(shí)，海水冷卻泵從與海水儲(chǔ)存艙相連的海水總管中吸水，經(jīng)過(guò)中央冷卻器換熱后的海水排入海水儲(chǔ)存艙中，實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)。通過(guò)設(shè)置在海水儲(chǔ)存艙內(nèi)的溫度傳感器，監(jiān)測(cè)艙內(nèi)的海水溫度，若艙內(nèi)海水溫度較低，則繼續(xù)循環(huán)使用，不啟動(dòng)潛水泵；若海水溫度上升至設(shè)定值的上限，則通過(guò)控制箱起動(dòng)潛水泵，向海水儲(chǔ)存艙中補(bǔ)充溫度較低的海水，與艙內(nèi)較熱的海水進(jìn)行充分對(duì)流混合。當(dāng)海水溫度達(dá)到設(shè)定值的下限，則停止?jié)撍谩Ｕ麄€(gè)補(bǔ)水過(guò)程中，多余的海水可從溢流管溢流至海中。

該設(shè)計(jì)可依據(jù)不同的海水環(huán)境溫度、不同的熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)冷卻海水量的精準(zhǔn)供應(yīng)，避免因海水過(guò)量供應(yīng)造成的電功率浪費(fèi)。

2 升降裝置逆功率回收與再利用

隨著風(fēng)電安裝平臺(tái)的大型化發(fā)展，樁腿長(zhǎng)度加大，中小型風(fēng)電安裝平臺(tái)上常用的圓柱型樁腿匹配液壓插銷式升降裝置已不再適用。取而代之的是桁架式樁腿匹配電動(dòng)齒輪齒條式升降裝置。

電動(dòng)齒輪齒條式升降裝置主要包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、動(dòng)力傳遞裝置、升降控制系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)等,結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 齒輪齒條式升降裝置

該類型的升降裝置一大特點(diǎn)是，在平臺(tái)下降過(guò)程中，升降電動(dòng)機(jī)通電使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，在平臺(tái)自重形成的位能性負(fù)載作用下，把電能反饋回電動(dòng)機(jī)，這就是所謂“逆功率”。逆功率若不妥善處理，將會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)在半空中突然失電而不能繼續(xù)下降。通常的處理方法是使用剎車電阻，將這部分逆功率吸收。值得注意的是，在吸收逆功率時(shí)，剎車電阻釋放大量熱量，還需提供足夠的冷卻水將這部分熱量帶走釋放。平臺(tái)逆功率為

(1)

式中：為電機(jī)效率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.8；為機(jī)械效率，取0.8；為每個(gè)樁腿承擔(dān)的總重量，N；為降船速度，m/s。

與傳統(tǒng)的自升式鉆井平臺(tái)不同的是，自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)，在施工作業(yè)期內(nèi)，需要頻繁地進(jìn)行船體移位與升降平臺(tái)。典型的風(fēng)機(jī)設(shè)備“一體化安裝”流程見(jiàn)圖3。

圖3 典型的風(fēng)機(jī)設(shè)備“一體化安裝”流程

從圖3可見(jiàn)，對(duì)于一個(gè)完整的運(yùn)輸施工流程來(lái)說(shuō)，時(shí)間約為124 h，5 d，考慮待命1 d的時(shí)間，故1個(gè)典型的作業(yè)周期為6 d，其中將經(jīng)歷3次，總計(jì)時(shí)長(zhǎng)3 h的降平臺(tái)過(guò)程。頻繁地升降平臺(tái)，往往將產(chǎn)生巨大的逆功率，若能將其回收利用，則可一定程度提高船舶的節(jié)能性。

在風(fēng)電平臺(tái)上配置動(dòng)力電池，可一定程度實(shí)現(xiàn)節(jié)能。其原理是：在平臺(tái)下降過(guò)程中，動(dòng)力電池吸收升降裝置的逆功率，為電池充電；其余階段，動(dòng)力電池則可輸出電能，作為船上電網(wǎng)的補(bǔ)充。

以某自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)為例，其降平臺(tái)速度為0.45 m/min，其下降工況的裝載情況見(jiàn)表3。

表3 某風(fēng)電安裝平臺(tái)下降工況裝載表

根據(jù)公式(1)可知，每個(gè)樁腿在降平臺(tái)過(guò)程中，將分別產(chǎn)生逆功率為335、297、293及330 kW，共計(jì)1 252 kW。

根據(jù)典型的風(fēng)機(jī)設(shè)備“一體化安裝”流程，在一個(gè)安裝流程中，降平臺(tái)持續(xù)時(shí)間約為3 h，即可回收約3 600 kW·h的電量?？紤]海況對(duì)風(fēng)電安裝作業(yè)的影響，1年中有約150 d的作業(yè)窗口期，故可進(jìn)行約25次的安裝作業(yè)。因此1年共可回收約90 000 kW·h的電量。

3 主發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)缸套水余熱回收

柴油機(jī)淡水冷卻系統(tǒng)可分為低溫側(cè)和高溫側(cè)。高溫側(cè)的淡水溫度較高，可達(dá)80 ℃以上，具有較大的散熱量。若能夠?qū)⑦@部分熱量有效地集中回收，用以加熱平臺(tái)上所需的熱媒水，如用于中央空調(diào)，蒸發(fā)式造水機(jī)等，那么對(duì)降低全平臺(tái)的燃油消耗有著積極作用。

自航自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)通常采用全電力推進(jìn)的方式，故平臺(tái)上往往設(shè)有多臺(tái)中等功率的主發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)，各臺(tái)柴油機(jī)的工作負(fù)荷不均，且這類平臺(tái)往往會(huì)有DP符號(hào)的要求。因此，在設(shè)計(jì)缸套水余熱回收系統(tǒng)的時(shí)候，需要充分考慮平臺(tái)實(shí)際情況進(jìn)行合理優(yōu)化，既能實(shí)現(xiàn)余熱回收的目的，亦能滿足規(guī)范要求。

以1艘取得DP2符號(hào)的風(fēng)電安裝平臺(tái)為例。

該風(fēng)電安裝平臺(tái)配置7臺(tái)羅羅品牌的柴油機(jī)，其缸套水溫度可達(dá)到90℃。該平臺(tái)配置1臺(tái)全自動(dòng)燃油熱水鍋爐，為中央空調(diào)、熱水柜、艙柜加熱盤管及熱水暖風(fēng)機(jī)提供熱媒水。為了回收柴油機(jī)缸套水的熱量，在熱水鍋爐的回水管路上并聯(lián)布置7套缸套水換熱器，利用缸套水的余熱加熱鍋爐熱媒水。系統(tǒng)原理見(jiàn)圖4。

圖4 某DP2風(fēng)電安裝平臺(tái)缸套水余熱回收系統(tǒng)

該風(fēng)電平臺(tái)取得DP2符號(hào)，動(dòng)力系統(tǒng)分為3個(gè)完全獨(dú)立的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間互不影響。為此，作為動(dòng)力系統(tǒng)組成部分的冷卻水系統(tǒng)，亦應(yīng)互相獨(dú)立。同時(shí)，作為電力推進(jìn)平臺(tái)，主發(fā)電機(jī)組的使用情況復(fù)雜多變，且使用時(shí)負(fù)荷不均，故將所有主發(fā)電機(jī)組的缸套水管路完全獨(dú)立，設(shè)置與主發(fā)電機(jī)組數(shù)量相同的缸套水換熱器。這樣，既可充分利用每臺(tái)主發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)的缸套水余熱，亦可避免因柴油機(jī)負(fù)荷不同導(dǎo)致的不同溫度的缸套水之間的相互影響，同時(shí)也能滿足DP2符號(hào)的要求。

需要注意的是，不同品牌、不同機(jī)型的柴油機(jī)的缸套水溫度不同，有些柴油機(jī)缸套水溫度較高，可達(dá)90°，而有些柴油機(jī)溫度較低，僅80°左右，如MAN 27/38機(jī)型。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際使用的柴油機(jī)缸套水溫度以及全平臺(tái)熱水用戶的耗熱量，計(jì)算出合適的循環(huán)水量，以保證經(jīng)過(guò)熱水用戶后的熱媒水溫度低于缸套水溫度，這樣才可以利用缸套水的溫度加熱全平臺(tái)的熱媒水，進(jìn)行余熱回收。否則，設(shè)置在缸套水換熱器之前的溫控閥將因?yàn)闇囟冗^(guò)高而長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉，熱媒水與缸套水之間無(wú)法進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致缸套水余熱無(wú)法回收。

4 機(jī)艙變頻通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用

通常，計(jì)算通風(fēng)系統(tǒng)額定送風(fēng)量時(shí)，按照外界空氣溫度35 ℃，100%負(fù)荷率的理論情況。但因季節(jié)不同，航行/作業(yè)海域不同，平臺(tái)作業(yè)工況不同，實(shí)際所需的通風(fēng)量往往會(huì)小于理論計(jì)算值，從而造成長(zhǎng)期地電功率浪費(fèi)。變頻通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用則可較好地解決上述問(wèn)題。機(jī)艙變頻通風(fēng)系統(tǒng)包括變頻風(fēng)機(jī)、變頻器、溫度傳感器、壓差傳感器和系統(tǒng)控制部分。其工作原理是：預(yù)先設(shè)定艙內(nèi)溫度和壓差值，當(dāng)機(jī)艙內(nèi)溫度變化時(shí)，溫度傳感器將信號(hào)傳至控制箱，控制箱發(fā)送信號(hào)調(diào)整機(jī)艙風(fēng)機(jī)風(fēng)量；同時(shí)，機(jī)艙內(nèi)設(shè)置空氣壓力傳感器，可自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量，并設(shè)置高低壓報(bào)警，隨機(jī)艙壓力值發(fā)生變化，壓差傳感器將信號(hào)傳至控制箱，通過(guò)控制箱改變送風(fēng)機(jī)風(fēng)量以調(diào)整機(jī)艙壓差維持在+50 Pa左右，處于人員舒適的范圍。

以某2 000 t自航自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)為例，該平臺(tái)工況復(fù)雜多變，基本可分為巡航工況、全速航行工況、動(dòng)力定位下樁腿工況、平臺(tái)起升/下降工況、起升后作業(yè)工況以及DP浮吊起重工況。該平臺(tái)的電力負(fù)荷估算及通風(fēng)需求見(jiàn)表4。

表4 某2 000 t自航自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的電力負(fù)荷估算

平臺(tái)裝船船功率為：6臺(tái)2 700 kW主發(fā)電機(jī)組，1臺(tái)800 kW停泊發(fā)電機(jī)組及1臺(tái)400 kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，4臺(tái)110 000 m/h的機(jī)艙通風(fēng)機(jī)(3用1備)，4臺(tái)79 000 m/h的機(jī)艙抽風(fēng)機(jī)(3用1備)。

由表4可見(jiàn)，不同工況下，平臺(tái)所需要投入的主發(fā)電機(jī)數(shù)量差異較大，因此柴油機(jī)的燃燒空氣耗量以及空氣散熱量也有著較大的差距。在不同工況下，如果無(wú)法及時(shí)根據(jù)實(shí)際通風(fēng)需求量調(diào)整機(jī)艙的通風(fēng)量，則會(huì)造成一定程度的電功率的浪費(fèi)。例如，在巡航時(shí)，若開(kāi)2臺(tái)風(fēng)機(jī)，則通風(fēng)量大于需求量，若只開(kāi)1臺(tái)風(fēng)機(jī)，則通風(fēng)量小于需求量。而機(jī)艙變頻通風(fēng)系統(tǒng)則可根據(jù)平臺(tái)的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)整投入運(yùn)行的風(fēng)機(jī)數(shù)量及風(fēng)機(jī)的負(fù)荷，以保證機(jī)艙獲得足夠的通風(fēng)量的同時(shí)，風(fēng)機(jī)亦可工作在最佳經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

5 結(jié)論

在自航自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)上，通過(guò)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，可較好地提高平臺(tái)的節(jié)能效果。

1)通過(guò)對(duì)海水內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用，可充分利用海水的換熱能力，減少海水提升泵電功率的消耗。

2)通過(guò)對(duì)逆功率回收系統(tǒng)的應(yīng)用，可將平臺(tái)下降時(shí)產(chǎn)生的逆功率轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在平臺(tái)上，供電站使用，從而減少發(fā)電機(jī)組的燃油消耗。

3)通過(guò)對(duì)柴油機(jī)廢熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用可將柴油機(jī)的高溫水廢熱回收用于平臺(tái)熱源加熱，以減少加熱鍋爐對(duì)燃油的消耗。

4)通過(guò)應(yīng)用變頻機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境條件和不同工況下，靈活改變風(fēng)機(jī)頻率和送風(fēng)量，減少功率消耗。