超大型風(fēng)電安裝船的操縱性和動力定位能力分析

屠海洋， 王思銘， 高家鏞， 張甫杰

(1.上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135；2.南通中遠船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226005)

超大型風(fēng)電安裝船的操縱性和動力定位能力分析

屠海洋1， 王思銘2， 高家鏞1， 張甫杰1

(1.上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135；2.南通中遠船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226005)

以超大型自航自升式海上風(fēng)電安裝船MPI ADVENTURE為研究對象，對超大型船的操縱特性及其動力定位系統(tǒng)的定位能力進行分析。首先對代表船的結(jié)構(gòu)參數(shù)和功能特點作簡要介紹；然后分析指出以全回轉(zhuǎn)推進器為動力的風(fēng)電安裝船在自航操縱方面的特點，采用MARI DPCap軟件計算該船在不同推進器失效狀態(tài)下的動力定位能力；最后得出該船的定位能力滿足設(shè)計要求且具有一定冗余的結(jié)論。該分析對進一步了解目前最新型的風(fēng)電安裝船的性能特點具有一定幫助。

水路運輸； 動力定位； 操縱性； 定位能力； 風(fēng)電安裝船

Abstract: The object under research is the ultra large wind turbine installation vessel MPI ADVENTURE. The work focuses on the maneuverability and Dynamic Positioning(DP) capability of the vessel. The structural parameters and functional characteristics of the vessel are briefly introduced first and the maneuverability characteristics of this type vessel are analyzed. The DP capability of the vessel in diffrent failure states of the propellers is calculated. It is concluded that the DP capability of the vessel meets the design requirements with certain margin. The study gives us the knowledge about the performance characteristics of the most new type of wind turbine installation vessels.

Keywords: waterway transportation; dynamic positioning; maneuverability; capability for positioning; wind turbine installation vessel

風(fēng)能作為新型綠色能源，是目前最具工業(yè)開發(fā)規(guī)模的可再生能源。海上風(fēng)電資源豐富、風(fēng)速穩(wěn)定、對環(huán)境的負面影響較小，早已成為世界清潔能源發(fā)展的重要領(lǐng)域。加快發(fā)展海上風(fēng)電將成為能源戰(zhàn)略上的一種必然選擇。海上風(fēng)力發(fā)電機安裝作業(yè)平臺作為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重要設(shè)備，在海上風(fēng)電發(fā)展方面有著舉足輕重的作用。

海洋風(fēng)車安裝船是一種全新的海洋工程船，主要用于運輸和吊裝海上風(fēng)力發(fā)電機。其融合了運輸船、海上作業(yè)平臺、起重船和生活供給船的各項功能，并裝有先進的動力定位系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)，操作靈活，可獨立完成風(fēng)力發(fā)電機的運輸和安裝作業(yè)，全程無須其他船舶協(xié)助；此外，其還可通過自升工作平臺至水面以上，克服普通工程船工作環(huán)境不穩(wěn)定的缺點。但是，平臺所經(jīng)受的海洋環(huán)境復(fù)雜，其在運輸和就位過程中及風(fēng)暴自存狀態(tài)下的載荷與動力響應(yīng)嚴重影響著其工作效率和安全性。目前針對該類船舶的研究主要集中在全船結(jié)構(gòu)強度分析和樁腿動力分析上，對其自航特性、動態(tài)定位過程及定位能力特性的研究較少。

這里以南通中遠船務(wù)為荷蘭VROON公司設(shè)計建造的自升自航式超大型海上風(fēng)電安裝船MPI ADVENTURE (見圖1)為研究對象，對該船的結(jié)構(gòu)參數(shù)和功能特點作簡要介紹，并根據(jù)船舶的實際情況對滿載航行時的操縱特性和就位過程中不同狀態(tài)下的定位能力進行綜合分析，供該類船舶的設(shè)計者和管理者參考。

圖1 自升自航式超大型海上風(fēng)電安裝船MPI ADVENTURE

1 超大型自航自升式風(fēng)電安裝船的特性與功能

1.1船舶的基本參數(shù)[1]

主要對船舶參數(shù)、推進器參數(shù)及船舶設(shè)計要求作簡要介紹，分別見表1～表3。

表1 船舶參數(shù)

表2 推進器參數(shù)

表3 船舶設(shè)計要求

1.2船舶的功能特點

由于海上風(fēng)電機組對工作環(huán)境有一定要求，因此風(fēng)力發(fā)電機安裝作業(yè)平臺往往在風(fēng)浪較大的海上風(fēng)電場區(qū)域作業(yè)，所遭受到的風(fēng)、浪、流較為復(fù)雜，載荷也較大。作為集裝載運輸、自航自升、重型起重、動態(tài)定位和海上作業(yè)等多種功能于一體的自航自升式風(fēng)電安裝船，其主要有以下幾個特點。

1)具有普通船的優(yōu)點，無須拖船輔助，工作效率高、造價低，能獨立完成海上作業(yè)。

2)具有自升式平臺的優(yōu)點，海上作業(yè)時樁腿插入海底，平臺主體被抬升至水面以上，可提供穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境。

3)具有寬大的甲板空間，能放置海上施工設(shè)備，通用性較好，能完成多種海上作業(yè)。

4)平臺靈活、機動性較好，可在短時間內(nèi)斷開與其他海上工作物的聯(lián)系，有利于在惡劣風(fēng)浪到來之前及時、迅速撤離現(xiàn)場，避免不必要的經(jīng)濟損失。

5)能在4.8 m浪高和14 m/s風(fēng)速條件下完成海上風(fēng)電機組的高精度吊裝。

6)裝有DP-2級動力定位系統(tǒng)，可在不用錨的情況下保持自動浮式準確定位及實現(xiàn)測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)的有機集成。

7)平臺具有較好的操縱性，無須外力協(xié)助，可原地掉頭，靠離泊方便、靈活。

2 超大型自航自升式風(fēng)電安裝船的操縱性分析

該船是海上風(fēng)電運輸與安裝的專用船舶,航行中靠安裝在艉部的3臺全旋回推進器提供動力，這使得其具有優(yōu)異的操縱性能。但是，該船的操縱模式[2]與傳統(tǒng)的定距螺旋槳舵葉船舶完全不同，正確掌握其操縱性能和推進器間的組合操縱是保證該船安全航行的關(guān)鍵。操縱習(xí)慣上的不同主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1)推進器的方向控制手柄與推進器是同步、同方向轉(zhuǎn)動的，手柄向右旋轉(zhuǎn)，則對應(yīng)的螺旋槳也同步向右旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生的推力致使船首向左轉(zhuǎn)動。

2)船舶在航時一般采用隨動控制工作模式。由于船舶轉(zhuǎn)向是靠轉(zhuǎn)動推進器實現(xiàn)的，因此船舶高速航行時轉(zhuǎn)角太大可能會造成較大橫傾及損壞推進器。傳統(tǒng)的船舶操縱舵令和車鐘令不適合該類船舶。

3)該船的操縱有獨立機動和航行兩種模式，其中獨立機動模式主要用于低速下的掉頭、靠離泊和定位，通過各推進器的協(xié)調(diào)作用使船舶完成微速前進和后退、原地旋回及橫向移動等動作。

本船屬于淺吃水肥大型船，具有良好的回轉(zhuǎn)性,但低速直航時航向穩(wěn)定性較差，需要通過適當(dāng)轉(zhuǎn)動推進器的角度來調(diào)整航向和航跡。由于船舶較寬，因此其橫搖和縱搖的大小對甲板貨物的安全有較大影響。研究報告[1]表明，航速和水深對平臺的運動響應(yīng)影響很大。圖2為船舶不同航速下的縱搖運動曲線。

圖2 不同航速下的縱搖運動

從圖2中可看出，為保證船上風(fēng)力發(fā)電機的安全，可通過適當(dāng)減小航速來改善船舶的搖蕩性能，但船速不能過低，否則會引起較大的縱蕩和縱搖。

3 超大型自航自升式風(fēng)電安裝船的動力定位能力分析

動力定位能力是指裝有動力定位系統(tǒng)的船舶或平臺在給定的工作環(huán)境下保持位置不變的能力。[3-4]其不僅可以作為動力定位的評價標(biāo)準，而且能為優(yōu)化推力系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。

該船除了具有自航能力之外,還有動力定位能力,能使船舶準確地將樁腿插入設(shè)定的海底后升出海面,避免浪和流的影響，為快速、安全地安裝海上風(fēng)力發(fā)電機創(chuàng)造條件。當(dāng)動力定位系統(tǒng)出現(xiàn)故障或維修時，會導(dǎo)致部分推進器停止工作，進而對船舶的動力定位能力產(chǎn)生一定影響。因此，為保證船舶能在設(shè)計海況條件下保持在某一位置上，其動力系統(tǒng)除了具備設(shè)計工況要求的參數(shù)之外，還要有一定的推力冗余。美國石油學(xué)會(American Petroleum Institute，API)規(guī)范給出的建議是以最大推力的20%作為推力冗余，推力器的最大推力取為極限推力的80%。分析船舶在不同動力失效狀況下的最大定位能力對船舶的安全生產(chǎn)有一定幫助，有利于操作人員在生產(chǎn)過程中作出正確判斷。

3.1不同推力失效情況下的動力定位能力計算

該船的動力定位能力為DNV DYNPOS AUTR，即DP-2。 根據(jù)DP-2的要求[4-5]，安裝有DP-2動力定位系統(tǒng)的船舶在出現(xiàn)單個故障(例如傳感器、控制電板、控制閥、單個推進器及發(fā)電機等)時，可在規(guī)定的環(huán)境條件下在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動保持位置和艏向。因此，除了選定所有推進器處于正常工作狀態(tài)之外，還選取可能出現(xiàn)單個故障的幾個系統(tǒng)狀態(tài)對其進行定位能力分析，具體如下(為方便說明，各動力表示見圖3)。

圖3 推進器的位置示意圖

1)完整模式：所有推進器正常工作。

2)失效模式一：T1號推進器失效——單個側(cè)推器失效下的情況。

3)失效模式二：A2號推進器失效——單個推進器失效下的情況。

4)失效模式三：T1號和A1號推進器失效——2個推進器失效下的情況；

利用荷蘭航海研究所開發(fā)的動力定位計算軟件MARI DPCap進行計算。在計算動力定位能力之前，要對不同的定位狀態(tài)進行建模。由于DPCap系統(tǒng)已在其數(shù)據(jù)庫中保存計算所需的系數(shù)(也可自定義風(fēng)、浪、流計算系數(shù))，因此建模過程比較簡單。各工況輸入的數(shù)據(jù)主要有船舶參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和動力參數(shù)。根據(jù)軟件界面要求輸入船舶設(shè)計數(shù)據(jù)，其中：各結(jié)構(gòu)的受風(fēng)面積和形狀系數(shù)見表4，風(fēng)浪關(guān)系見表5。在動力欄中輸入相應(yīng)的艏側(cè)推器和艉部全方位推進器對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

表4 各結(jié)構(gòu)的受風(fēng)面積和形狀系數(shù)

表5 風(fēng)浪關(guān)系

輸入船舶、環(huán)境和動力數(shù)據(jù)之后，軟件即可進行定位能力計算，計算結(jié)果見圖4～圖7，其中：軸向風(fēng)速單位為kn，風(fēng)浪流假定為同向；根據(jù)船舶設(shè)計的要求，潮流流速分別取1.0 kn，1.5 kn和2.0 kn；浪高值是軟件根據(jù)風(fēng)速大小自動取的值。

圖4 完整模式不同流速下的定位能力圖

3.2超大型風(fēng)電安裝船動力定位能力分析

一般利用船舶不同狀態(tài)下的動力定位能力曲線(如圖4～圖7)對動力定位能力進行分析。該曲線是一條在極坐標(biāo)上從0°～360°的封閉包絡(luò)線，曲線上的半徑坐標(biāo)表示該舷角下船舶能定位的最大風(fēng)速。定位能力曲線在船舶實際操作中具有極其重要的作用，能明確顯示船舶在不同狀態(tài)下的定位能力，有助于操作人員在船舶定位之前和定位過程中作出正確的判斷。

圖5 單個艏側(cè)推器T1失效下的定位能力圖

圖6 單個推進器A2失效下的定位能力圖

圖7 推進器T1和A1同時失效下的定位能力圖

3.2.1推進器完整狀態(tài)下的定位能力

該船在流速為2.0 kn，風(fēng)速<32 kn時，具有全方位控位能力；在風(fēng)速為60 kn時，其控位風(fēng)舷角在艏部±15°之間和艉部±20°之間；在風(fēng)速為80 kn時，只有頂風(fēng)流狀態(tài)下才可控位。即在6級風(fēng)、2 kn潮流以下，船舶能全方位定位；在頂風(fēng)狀態(tài)下，船舶能頂住80 kn的颶風(fēng)保持船位不動。由以上分析可知，流速變化對船舶的定位能力影響較小，影響較大的是風(fēng)速和風(fēng)舷角(風(fēng)舷角在30°～100°時影響較大)。

3.2.2單臺艏側(cè)推器失效狀態(tài)下的定位能力

艏部安裝完全相同的3臺隧道式側(cè)推器，縱向排列，考慮到轉(zhuǎn)艏作用的大小，取離舯部最遠的側(cè)推器T1失效時的狀態(tài)進行動力定位能力分析。經(jīng)過計算，可得不同流速下的定位能力曲線圖(如圖5所示)。由該圖可知，在流速為2.0 kn，風(fēng)速<22 kn時，該船具有全方位控位能力；在風(fēng)速為60 kn時，其控位風(fēng)舷角為艏部±15°和艉部±20°之間；在風(fēng)速為80 kn時，其控位能力只有在風(fēng)舷角±10°之間才行。風(fēng)力繼續(xù)增強，船舶將失控并發(fā)生漂移。

3.2.3單臺艉推進器失效狀態(tài)下的定位能力

艉推進器為3臺全回轉(zhuǎn)式推進器，橫向排列，轉(zhuǎn)向靈活。3臺推進器在縱向和橫向上產(chǎn)生力的能力是相同的，但同樣的力對船的轉(zhuǎn)彎力矩不同，A1或A3失效會使船舶定位能力曲線左右不對稱。在不對稱失效的情況下，容易使一些特定方向上保持定位所需的推力器最大推力變大，造成該方向上的定位能力減弱，進而導(dǎo)致船舶的定位能力減弱。從圖6中可看出，在單臺艉推進器失效的情況下，船舶在1.5 kn流中的最大全方位定位能力仍達到38 kn風(fēng)，比單個艏側(cè)推器失效時的定位能力要強。隨著流速增加，船舶定位能力下降。

3.2.4艏艉各一臺推進器失效狀態(tài)下的定位能力

在該條件下，船舶的艏艉動力都損失1/3，船舶的定位能力大幅度下降。在1 kn流中，船舶只有在<6級風(fēng)的條件下才能達到全方位定位；而在2.0 kn流中，船舶的最大全方位定位能力只能達到18 kn風(fēng)。因此，船舶在該狀態(tài)下無法滿足設(shè)計條件下的定位能力要求。

由以上分析可知：在動力完整的情況下, 船舶在2 kn流、32 kn風(fēng)以下狀態(tài)下有全方位控位能力；在單個推進器失效的情況下,船舶的控位能力下降,但仍能在2 kn流、22 kn風(fēng)或1.5 kn流、26 kn風(fēng)中全方位控制船位；在雙推進器失效的情況下，船舶的定位能力無法達到船舶設(shè)計要求。由于船舶頂風(fēng)狀態(tài)下的控位能力優(yōu)于其他狀態(tài)，因此船舶在大風(fēng)中盡量采用頂風(fēng)或偏頂風(fēng)定位，以利于安全。

總體而言，MPI ADVENTURE船的動力定位能力達到了設(shè)計要求，能在設(shè)計的海況下進行定位，且有一定的冗余。但在某臺推進器失效的狀態(tài)下，船舶定位的冗余度不大，需要及時修復(fù)失效推進器，避免其他推進器長時間高負荷運行。

4 結(jié)束語

以MPI ADVENTURE為研究對象，分析超大型自航自升式風(fēng)電安裝船的航行和操縱特點；考慮到DP-2級動力定位系統(tǒng)對冗余度的要求，計算不同狀態(tài)下單臺推進器失效情況下的船舶動力定位能力，并對結(jié)果作一定的分析。由計算結(jié)果可知,船舶能在設(shè)計要求的環(huán)境下產(chǎn)生足夠的推力來抵抗風(fēng)、浪和流等3種環(huán)境載荷，能有效定位且具有一定的冗余。

[1] 超大型海上風(fēng)電安裝作業(yè)平臺海洋環(huán)境載荷與運動特性分析研究報告[R].南通：南通中遠船務(wù)責(zé)任有限公司，2014.

[2] 黃海曦,陸悅銘.全旋回推進器船舶的引航操縱[J].水運管理,2014，36(5):16-18.

[3] 李軍,方泉根,龔少軍.海工船動力定位能力分析系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].中國航海,2014，37(1):120-125.

[4] 張本偉,楊鴻,陳瑞峰，等.動力定位控位能力分析方法探討[J].中國造船，2009，50(S):205-214.

[5] 馬超，莊亞峰，陳俊英.船舶動力定位系統(tǒng)技術(shù)[J].中國造船,2009，50(S):52-57.

AnalysisofManeuverabilityandDPCapabilityforUltra

LargeWindTurbineInstallationVesselTUHaiyang1,WANGSiming2,GAOJiayong1,ZHANGFujie1

(1. State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China; 2. COSCO (Nantong) Shipyard Group Co. Ltd, Nantong 226005, China)

2016-01-26

江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項資金(BA2011005)

屠海洋(1967—),男,浙江上虞人，研究員，碩士生導(dǎo)師，從事船舶航行安全與智能航海方面的技術(shù)研究。 E-mail:oceantu@126.com

1000-4653(2016)01-0074-05

U661.7

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