超大型風(fēng)電安裝船抗橫傾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用

顏建軍，顧 杰，梁巖峰,2，姜季江,2，張永康

（1.啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司，江蘇啟東 226200；2.中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，上海 200135；3.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

隨著能源問題與環(huán)境以及發(fā)展矛盾的日益顯著，風(fēng)力發(fā)電成為近年來世界各國普遍關(guān)注的可再生能源開發(fā)項(xiàng)目之一，相較于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電場的優(yōu)勢明顯：海上風(fēng)速較高，資源豐富；風(fēng)機(jī)機(jī)組的噪聲控制問題相對而言不是很突出；機(jī)組大型化的應(yīng)用空間較大，單機(jī)的裝機(jī)功率較大等。海上風(fēng)電安裝船由此應(yīng)運(yùn)而生。隨著風(fēng)機(jī)單機(jī)功率的發(fā)展，該類型船舶的裝機(jī)能力、重吊能力和甲板的可變載荷要求越來越高，目前歐洲市場的風(fēng)電平臺的吊重能力普遍超過3 000 t，部分超級大型的風(fēng)電安裝船甚至于達(dá)到5 000 t，該類型的船舶在浮態(tài)時(shí)進(jìn)行重吊作業(yè)，吊機(jī)和重物在半徑范圍內(nèi)都會對船舶產(chǎn)生橫傾力矩，從而導(dǎo)致船舶的橫傾。為避免船舶的傾覆，通常該類型的船舶配置有抗橫傾系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過調(diào)撥船舶左右舷的抗橫傾艙內(nèi)的水，來抵消吊機(jī)作業(yè)所引起的船舶橫傾力矩，來保證船舶的平衡和吊重左右的安全。目前主流市場主要配置有被動補(bǔ)償抗橫傾系統(tǒng)，然而被動補(bǔ)償系統(tǒng)只有在船舶達(dá)到預(yù)先抗橫傾系統(tǒng)設(shè)定值（如船舶傾角設(shè)定等），抗橫傾系統(tǒng)開始運(yùn)行來平衡船舶，保持船舶的安全。本文主要介紹主動補(bǔ)償系統(tǒng)，其在船舶重吊開始時(shí)則通過監(jiān)控重吊對于船舶所產(chǎn)生的橫傾力矩來運(yùn)行系統(tǒng)，從而可以使得船舶在不停止重吊的情況下也能保證船舶的平穩(wěn)。

1 抗橫傾系統(tǒng)簡介

抗橫傾系統(tǒng)的原理如圖1所示?？箼M傾泵安裝在船舶中央，通過管路、閥件與船舶左右兩舷壓載艙連通。通常抗橫傾系統(tǒng)設(shè)定自動平橫傾角設(shè)定值，當(dāng)船舶傾角達(dá)到或超過抗橫傾系統(tǒng)所設(shè)定的傾角時(shí)，則此時(shí)系統(tǒng)的閥會陸續(xù)打開，同時(shí)抗橫傾泵也將啟動將傾斜側(cè)壓載艙的水駁運(yùn)至另一側(cè)的壓載艙之內(nèi)，直至船舶達(dá)到平衡為止，則此時(shí)該系統(tǒng)的傾斜儀（MRU）會給控制系統(tǒng)信號，停止抗橫傾泵，同時(shí)關(guān)閉相應(yīng)的閥門，此后系統(tǒng)會自動進(jìn)入待機(jī)模式，當(dāng)船舶的傾角再次超過設(shè)定值時(shí)，抗橫傾系統(tǒng)會重復(fù)上述動作，以保證船舶的安全作業(yè)。

圖1 抗橫傾系統(tǒng)原理

2 抗橫傾系統(tǒng)實(shí)船應(yīng)用及設(shè)計(jì)原理

某船廠5 000 t浮式風(fēng)電安裝船項(xiàng)目配置有較為先進(jìn)的抗衡系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含12臺可以正反轉(zhuǎn)的抗橫傾泵，為3對抗橫傾艙（AHWB03，AHWB05，AHWB09）服務(wù)，抗橫傾泵的主要參數(shù)為1 500 m3/h@15 m，設(shè)備的布置如圖2所示。

圖2 抗橫傾系統(tǒng)布置

2.1 抗橫傾系統(tǒng)主要部件介紹

抗橫傾系統(tǒng)主要包含的設(shè)備介紹如下。

（1）液位傳感器：每個(gè)抗橫傾艙配置有2套液位傳感器，用于測量艙內(nèi)壓載水的艙容。2套液位傳感器的主要作用是當(dāng)其中1套出現(xiàn)故障后，另外1套依然能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（2）抗橫傾泵：每對抗橫傾艙通過管路、閥門及泵相聯(lián)通。每臺泵都有單獨(dú)的變頻控制，每個(gè)閥門都有自己獨(dú)立的控制系統(tǒng)，一對抗橫傾系統(tǒng)中，單獨(dú)的泵、閥門或者其他部件故障時(shí)，其他的幾組可以正常運(yùn)行。

（3）傾斜儀：該系統(tǒng)配置有兩臺傾斜儀，一臺布置在左舷，一臺布置在右舷，都位于船中位置，當(dāng)其中一臺損壞時(shí)，另外一臺依然可以保證系統(tǒng)的運(yùn)行，然而當(dāng)兩臺同時(shí)失效時(shí)，位于泵組控制箱內(nèi)部的傾角傳感器通過光纖與系統(tǒng)連接，用以控制抗橫傾系統(tǒng)，同時(shí)船舶的傾斜儀數(shù)據(jù)也會通過綜控傳輸?shù)娇箼M傾系統(tǒng)內(nèi)部，但是該信號僅僅作為參考信號，不用于系統(tǒng)的控制。

（4）閥控系統(tǒng)：每條管線上布置有兩個(gè)電液式遙控閥，分別位于抗橫傾泵的兩側(cè)，該閥門的驅(qū)動頭全部連接到閥門的單獨(dú)控制箱內(nèi)。

主要部件如圖3所示。

圖3 抗橫傾系統(tǒng)主要部件

2.2 抗橫傾系統(tǒng)控制界面簡介

抗橫傾系統(tǒng)的控制界面如圖4所示，包含了抗橫傾系統(tǒng)的所有的控制以及運(yùn)行過程中所監(jiān)控到的系統(tǒng)運(yùn)行信息。

圖4 抗橫傾系統(tǒng)操作界面

Total部分是抗橫傾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算的基礎(chǔ)，也是判斷船舶抗橫傾能力的大小的依據(jù)，操作界面如圖5所示。

圖5 抗橫傾系統(tǒng)的柱狀圖

在Total部分中包含Heeling Angle、Tank Moment和Tank Flow，是對于船舶傾角狀態(tài)狀態(tài)和抗橫傾系統(tǒng)實(shí)時(shí)能力監(jiān)控，即此刻該船舶抗橫傾能力的大小在此上面可以得到直觀反饋。

（1）Heeling Angle

左側(cè)的豎直列中的范圍為-2.5°～2.5°，橙色的顯示的是橫傾角度的warning limits，紅色的是alarm limits。以上的這兩個(gè)設(shè)定點(diǎn)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，如warninglimits設(shè)定為±1°，alarmlimits設(shè)定為±1.5°。

（2）Tank Moment

Tank Moment由中間的立柱顯示，顯示的范圍為±2 000 MN·m。該立柱顯示的是被激活的艙室所具有的最大的凈力矩。凈力矩是通過激活的左邊艙和激活的右邊艙的容積通過合并計(jì)算而得。

橙色的立柱“3”顯示的是Tank Moment Limitation，當(dāng)一對抗橫傾艙未曾激活則limitation將會下降，當(dāng)一對抗橫傾艙激活后則limitation將會增大。上述數(shù)值“5”表示Usage Percentage和Availability Percentage。Usage Percentage為激活的抗 橫傾艙的凈力矩與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大的力矩的比值；Availability Percentage為該狀態(tài)下抗橫傾艙的所能產(chǎn)生的最大的凈力矩與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大的力矩的比值。舉例說明如下。

例1：3對抗橫傾艙系統(tǒng)正常，每對艙水量總和為100%；兩對抗橫傾艙（Tank Pair 2# & 3#）的左邊艙和右邊艙壓載水的液位正好是50%；Tank Pair1#的液位左邊艙為75%，右邊艙為25%。則此時(shí)：

當(dāng)每個(gè)艙的液位在50%的時(shí)候，所能產(chǎn)生的扭矩是最大的，所以此時(shí)Availability為100%。

例2：3對抗橫傾艙系統(tǒng)正常，Tank 1的水量總和為100%；Tank Pair 2#和Tank Pair 3#的左右兩個(gè)邊艙的液位均為60%（Total＞100%）；Tank Pair 1#的左右兩個(gè)邊艙的液位均為50%。則此時(shí)：

例3：僅兩對抗橫傾艙系統(tǒng)正常，Tank 1的水量總和為100%；Tank Pair 2#的左右兩個(gè)邊艙的液位均為60%（Total＞100%）；Tank Pair 1#的液位左邊艙為75%，右邊艙為25%。則此時(shí)：

（3）Tank Flow

該Tank Flow主要是指系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，系統(tǒng)所具有的瞬時(shí)流量。

2.3 抗橫傾系統(tǒng)控制模式的介紹

該項(xiàng)目的抗橫傾系統(tǒng)包含有4種控制模式：Manual Mode；Pre Heel Mode；Auto Heel Mode；LMC（Load Moment Control）Mode。具體如下：

（1）Manual Mode：手動控制泵的流量，轉(zhuǎn)速等來調(diào)整船舶的傾角；

（2）Pre Heel Mode：通過人為的預(yù)設(shè)定船舶的傾角，抗橫傾系統(tǒng)根據(jù)該設(shè)定值自動將船舶調(diào)整到該設(shè)定的船舶傾角；

（3）Auto Heel Mode：該模式為抗橫傾系統(tǒng)的被動補(bǔ)償模式，即當(dāng)船舶的傾角達(dá)到預(yù)先設(shè)定值（如:-0.2°，+0.2°）時(shí)，則此時(shí)系統(tǒng)會自動啟動，將船舶的傾角調(diào)整到0°為止，該模式在船舶的運(yùn)行過程中使用會較為頻繁。

（4）Load Moment Control Mode（LMC Mode）：該模式為主動補(bǔ)償模式，主要運(yùn)用于船舶的重吊作業(yè)，對于重吊船的作用至關(guān)重要。

以上所述4種控制模式中前面3種模式用的較為普遍，通常在集裝箱船上面應(yīng)用較多，而第4種控制模式對于系統(tǒng)和控制的要求較高，下文對此作簡單的介紹。

LMC Mode作為重吊過程中的控制，主要的接口在于吊機(jī)，其中與吊機(jī)的接口如下：

（1）Slew Angle：吊機(jī)的該信號直接由船舶的綜控輸出到抗橫傾系統(tǒng)；

（2）Boom Angle：吊機(jī)的該信號直接由船舶的綜控輸出到抗橫傾系統(tǒng)；

（3）Main Hook Load：該界面顯示總的主吊鉤吊重，該吊重包含有吊鉤及其附件的重量+吊機(jī)上貨物的重量；

（4）Aux Hook Load：該界面顯示總的浮吊鉤吊重，該吊重包含有吊鉤及其附件的重量+吊機(jī)上貨物的重量。

以上4組信號為抗橫傾系統(tǒng)需要從吊機(jī)處獲得到的輸入信號，在上述的信息取得之后，抗橫傾系統(tǒng)結(jié)合船舶抗橫傾艙的狀態(tài)會進(jìn)行船舶扭矩的計(jì)算，下文介紹兩個(gè)專業(yè)術(shù)語：

（1）Total Crane Moment：吊機(jī)在任何給定時(shí)間產(chǎn)生的總力矩，該數(shù)值為絕對值，沒有經(jīng)過去毛重后的數(shù)值，屬于總的扭矩，即使在吊機(jī)不運(yùn)行且吊鉤上并沒有重物，該數(shù)值都不會為0；

（2）Uncompensated Crane Moment：未得到補(bǔ)償?shù)牡踯嚵厥窃诘踯嚨目偭刂袦p去吊車毛重力矩、船舶凈力矩和抗橫傾本身的力矩而得到的力矩。

結(jié)合上文提到的兩個(gè)專業(yè)術(shù)語，簡單介紹船舶LMC Mode運(yùn)行的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型，未得到補(bǔ)償?shù)牧赜?jì)算公式如下：

Uncompensated Moment=Tank Moment-（Crane Total Moment+Tare Moment）

任何時(shí)刻Tanks Moment & Crane Total Moment為恒定值，每一步操作時(shí)將Uncompensated Moment設(shè)定為0，確保后面操作過程中，抗橫傾系統(tǒng)的補(bǔ)償都是吊機(jī)的動作所產(chǎn)生的力矩。在船舶運(yùn)行過程中，抗橫傾系統(tǒng)確保uncompensated moment非常低，以及船舶的橫傾角度盡量不變化，但是如果吊機(jī)的扭矩和扭矩的變化遠(yuǎn)大于抗橫傾的泵調(diào)整速度，此時(shí)uncompensated moment和船舶的heelangle將快速增長而無法調(diào)整。

當(dāng)船舶的扭力平衡之后，此時(shí)抗橫傾系統(tǒng)開始調(diào)整，來平衡各個(gè)艙室的液位到servicelevel確保tank moment和heelangel不改變。如果艙室的液位平衡后會改變tankmoment，則此時(shí)泵進(jìn)入idlemode。在idle mode情況下，泵和閥門全部在運(yùn)行，但此時(shí)為零流量。泵會自動轉(zhuǎn)入RPM Control來平衡兩個(gè)液艙的液位差。

LMC Mode包含有兩種操作狀況：Splash Zone Operation&Deck Operation。該模式主要用于補(bǔ)償?shù)鯔C(jī)引起的船體力矩，泵的控制模式為Flow Control Mode，流量的大小通過系統(tǒng)吊機(jī)運(yùn)行過程中對于船舶產(chǎn)生的力矩的變化而變化。

（1）Splash Zone Operation

在船舶動力定位下運(yùn)行過程中，吊機(jī)將貨物下放到海水里面時(shí)，此時(shí)海水海浪對于貨物的影響必須考慮到。當(dāng)海浪打到貨物上面時(shí)，則此時(shí)會對于貨物有浮力以及其他相關(guān)力的作用，此時(shí)對于吊機(jī)的力矩會有一定的影響。因?yàn)樵摬糠值牧κ嵌虝r(shí)間時(shí)刻變化的，如果泵的流量根據(jù)這個(gè)不斷的力矩頻繁變化的話，對于泵的磨損會比較大?？紤]到上述原因，則增加了“Splash Zone Operation”，當(dāng)該模式啟動后，則會在短時(shí)間內(nèi)過濾掉這部分的力，這個(gè)時(shí)間可以設(shè)定，如20 s或者1min，在該時(shí)間段內(nèi)CraneLoad Cell出現(xiàn)變化，則抗橫傾泵開始自動調(diào)整流量。

（2）Deck Operation

該模式主要用在吊機(jī)將貨物從主甲板吊起或者貨物放置主甲板。貨物從主甲板吊離或者放置到主甲板，則此時(shí)船舶的扭矩將會產(chǎn)生重大的變化，該部分的改變也必須考慮進(jìn)去。該模式的計(jì)算基礎(chǔ)及原理：當(dāng)Deck Operation激活后，吊鉤載荷會加到Tare Moment上，當(dāng)該模式de-actived時(shí)，吊鉤的載荷會從Tare Moment上刪除掉。以下舉例說明。

假設(shè)船舶的吊機(jī)位置在中線上，吊臂的長度為100m，吊臂的重心在50 m的位置，吊臂的質(zhì)量為10 t，起始位置吊臂在boomrest上面，令：ML為Moment due to the load only；MC為Moment due to the crane body（in this case the boom）；MS為Ship Moment/Tare Moment；MT為Tank Moment=ML+MC+MS，默認(rèn)為Uncompensated Moment一直為零。

例1：5 t的貨物放置主甲板，吊臂向左舷旋轉(zhuǎn)90°，準(zhǔn)備吊起重物，則有：ML=0；MC=10 t×50 m=500 m·t；MS=0；MT=500 m·t。吊機(jī)將貨物吊起，則有：ML=5 t×100 m=500 m·t；MC=500 m·t；MS=0；MT=1 000 m·t。貨物吊至右舷偏離中心線5 m的位置，但是此時(shí)貨物未放置主甲板，則有：ML=5 t×-5 m=-25 m·t；MC=10 t×-2.5 m=-25 m·t；MS=0；MT=-50 m·t。Deck Operation Mode Active，并且貨物放置主甲板，則有：ML=0；MC=-25 m·t；MS=0+（-25）=-25 m·t；MT=-50 m·t。當(dāng)貨物放好之后，De-Active Deck Operation Mode，則有：ML=0；MC=-25 m·t；MS=-25-（0）=-25 m·t；MT=-50 m·t。

例2：5 t的貨物從主甲板吊起。當(dāng)完成例1的操作之后，將貨物吊從左舷距離中線5 m的位置吊起。當(dāng)?shù)鯔C(jī)到達(dá)貨物的上方時(shí)：ML=0；MC=10 t×2.5 m=25 m·t；MS=-25 m·t；MT=0。Deck Operation Mode Active，負(fù)載轉(zhuǎn)移到吊機(jī)上時(shí)：ML=0；MC=25 m·t；MS=-25+0=-25 m·t；MT=0。當(dāng)貨物的重量全部轉(zhuǎn)移到吊機(jī)上后，吊機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，此時(shí)De-activedDeck Operation Mode：ML=5 t×5 m=25 m·t；MC=25 m·t；MS=-25-（25）=-50 m·t；MT=0。當(dāng)?shù)鯔C(jī)開始旋轉(zhuǎn)到270°到達(dá)貨物點(diǎn)時(shí)：ML=5 t×-100 m=-500 m·t；MC=10 t×-50 m=-500 m·t；MS=-50 m·t；MT=-1 050 m·t。吊機(jī)放下貨物后：ML=0；MC=-500 m·t；MS=-50 m·t；MT=-550 m·t。

2.4 抗橫傾系統(tǒng)布置及設(shè)計(jì)注意點(diǎn)

抗橫傾系統(tǒng)的設(shè)備和管系的布置對于抗橫傾系統(tǒng)的能力也存在一定的影響，根據(jù)此項(xiàng)目的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)在設(shè)計(jì)過程中需要考慮到的主要的注意點(diǎn)如下。

（1）考慮到抗橫傾系統(tǒng)的能力，泵布置的位置越低越好，以便抗橫傾艙的可以使用到的有效艙容越多。

（2）若有朝下的彎頭加吸口的話，吸口的周邊不要有強(qiáng)結(jié)構(gòu)，且吸口的高度要計(jì)算，現(xiàn)場要控制好。

（3）抗橫傾泵的布置盡量都位于船舶的中線位置，以便管道的阻力不會對于系統(tǒng)的流量產(chǎn)生影響。

（4）抗橫傾泵的曲線如圖6所示，由該曲線可以看出如果一對抗橫傾艙布置有2臺或者4臺抗橫傾泵，盡量保證一半的抗橫傾泵的朝向與另外一半相反，由泵的曲線可以看出來，抗橫傾泵的正反轉(zhuǎn)的流量有較大區(qū)別；以上的正反方向布置在管路布置類似的情況下，可以保證左右駁運(yùn)時(shí)，流量不會產(chǎn)生較大的差異。

圖6 抗橫傾泵的曲線

（5）在抗橫傾系統(tǒng)中玻璃鋼管較多，且船舶的管路均為玻璃鋼管，在做固定支架的時(shí)候，需要注意使用滑動支架和膨脹節(jié)，以便減少船舶的變形應(yīng)力對于管路的影響。

（6）管路的布置應(yīng)盡量直，減少非必要的彎頭等。

以上管路的注意點(diǎn)是為減少由于管路的原因?qū)е铝髁康牟蛔?，設(shè)備的布置注意點(diǎn)是為了減少左右平衡時(shí)流量的穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

隨著風(fēng)電市場的裝機(jī)功率越來越大以及風(fēng)電市場也逐步地從近海走向遠(yuǎn)海，目前市場上對大型風(fēng)電船的需求也逐步增大，考慮到船舶的操作性以及穩(wěn)性，抗橫傾系統(tǒng)在該種項(xiàng)目上面顯得尤為重要。新的市場對于該系統(tǒng)又提出新的要求，如何將該系統(tǒng)與船舶的裝載計(jì)算機(jī)通訊，通過船舶的穩(wěn)性高度（GM）來控制該系統(tǒng)的運(yùn)行，從而做到主動補(bǔ)償，將會是對于未來大型重吊船更加切實(shí)的要求。該要求在船舶的初始設(shè)計(jì)階段需要做好詳細(xì)的分析，雖然抗橫傾系統(tǒng)對于重吊船的運(yùn)營來說比較重要也是非?？煽康南到y(tǒng)，但該系統(tǒng)的缺陷也較為明顯，初期的投資較大，對于船舶電站的要求較高，也希望在技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步的基礎(chǔ)之上，該系統(tǒng)的成本越來越低，從而得到進(jìn)一步的應(yīng)用。