運(yùn)維交通船登乘過程波浪補(bǔ)償策略研究

賈傳寶

(福建省新能海上風(fēng)電研發(fā)中心有限公司,福建 福州 350108)

當(dāng)前，我國海上風(fēng)電行業(yè)迅猛發(fā)展，海上風(fēng)電場的規(guī)模和裝機(jī)容量也越來越大，海上風(fēng)電場的運(yùn)行和維護(hù)工作越來越受到重視。但由于海上風(fēng)電場的海況十分惡劣，受到風(fēng)、浪、流的影響，使得運(yùn)維交通船的可達(dá)性受限。尤其是當(dāng)運(yùn)維交通船登靠風(fēng)電機(jī)時(shí)，船舶橫搖、縱搖十分劇烈，使得運(yùn)維技術(shù)人員登乘風(fēng)機(jī)變得十分困難[1]。此外，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)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(dǎo)致作業(yè)人員登乘過程更加困難。

1 海上風(fēng)電運(yùn)維交通船主要靠泊方式

目前，國內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)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(yán)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(fēng)影響時(shí)，船舶會(huì)發(fā)生較大程度的搖擺，變得很不穩(wěn)定，人員登乘風(fēng)機(jī)的安全風(fēng)險(xiǎn)很大。

為了解決運(yùn)維人員登乘風(fēng)機(jī)過程中的安全問題，在歐洲，已研制出專業(yè)化的波浪補(bǔ)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(hù)作業(yè)人員安全，同時(shí)增加船舶可出海作業(yè)窗口時(shí)間，很大程度上提高了風(fēng)電場運(yùn)維效率。

2 解決運(yùn)維交通船登乘問題的策略

運(yùn)維交通船在人員登乘過程中產(chǎn)生危險(xiǎn)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(duì)海上風(fēng)電運(yùn)維船舶的研究，考慮在船舶上增設(shè)一套專用登乘裝置，進(jìn)行波浪補(bǔ)償，用于減少船舶在橫搖、縱搖時(shí)對(duì)登乘人員造成的不利影響，確保人員可以安全登上海上風(fēng)機(jī)。

圖1 海上風(fēng)電運(yùn)維波浪補(bǔ)償裝置

該結(jié)構(gòu)可以改善運(yùn)維人員登乘風(fēng)機(jī)的條件，棧橋連接風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，船舶橫搖時(shí)，棧橋可通過水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸使得步橋保持固定；當(dāng)船舶水平位移時(shí)，棧橋可通過垂直鉸鏈?zhǔn)沟貌綐虮３止潭?；?dāng)船舶深沉?xí)r，步橋可通過水平鉸鏈?zhǔn)沟貌綐蚺c船舶保持連接，使得棧橋與風(fēng)機(jī)相對(duì)靜止，形成一個(gè)相對(duì)固定的登乘通道，對(duì)海上波浪進(jìn)行補(bǔ)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(bào)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(fù)責(zé)接收姿態(tài)傳感器的艦船縱搖、橫搖、深沉信息，通過軟件計(jì)算對(duì)登靠系統(tǒng)的穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償，接收液壓缸位置反饋元件，對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行閉環(huán)控制，使穩(wěn)定平臺(tái)位置穩(wěn)定，保證人員安全登上海上風(fēng)電塔。姿態(tài)傳感器安裝在穩(wěn)定平臺(tái)跳板底座下方，用于感知艦船的姿態(tài)信息。每隔一定時(shí)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(gè)液壓缸的位置、艦船的姿態(tài)信息、工作模式等信息。

在主動(dòng)補(bǔ)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(tái)穩(wěn)定的目標(biāo)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(duì)伺服閥進(jìn)行位置的PID閉環(huán)控制，使棧橋穩(wěn)定在目標(biāo)位置。

2.2 姿態(tài)理論計(jì)算

2.2.1 橫搖補(bǔ)償

首先對(duì)船舶橫搖運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行建模，假設(shè)：橫搖支點(diǎn)到橫向補(bǔ)償油缸與登乘裝置連接點(diǎn)的距離為L1，橫搖支點(diǎn)到橫向補(bǔ)償油缸與登乘裝置連接點(diǎn)的距離為L2，橫向補(bǔ)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(bǔ)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(yùn)動(dòng)過程中，相對(duì)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(jì)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(bǔ)償

對(duì)船舶縱搖及升沉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模，假設(shè)：縱搖支點(diǎn)到棧橋與主體結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)距離為L4，縱搖補(bǔ)償油缸和棧橋與登乘裝置各自連接點(diǎn)之間距離為L5，棧橋與登乘裝置和縱搖補(bǔ)償油缸連接點(diǎn)之間距離為L6,縱搖補(bǔ)償油缸初始長度為L7，棧橋初始長度為L8,縱搖補(bǔ)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(bǔ)償示意圖

以傳感器安裝點(diǎn)A點(diǎn)為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，則B點(diǎn)坐標(biāo)可以按下式計(jì)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(jì)算出：

γ2=180°-α2-β1+θ2

其中，β1由余弦定理解三角形計(jì)算得出：

(L7+d2)2=L52+L62-2L5L6cosβ1

因此，C點(diǎn)坐標(biāo)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(tái)的長度。

在實(shí)際工作過程中，A、B、C點(diǎn)縱坐標(biāo)還要加上升沉量。

實(shí)際工作中，系統(tǒng)處于自動(dòng)調(diào)整狀態(tài)，此時(shí)可以調(diào)整液壓缸d2和d3，并實(shí)時(shí)計(jì)算C點(diǎn)的坐標(biāo)，然后系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，此時(shí)記錄下C點(diǎn)的坐標(biāo)(Cx0,Cy0)作為穩(wěn)定目標(biāo)，并進(jìn)行補(bǔ)償，方法如下：

當(dāng)船由于縱搖以及升沉導(dǎo)致C點(diǎn)變化時(shí)，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(yùn)動(dòng)范圍如圖5中虛線所示。

圖5 縱搖補(bǔ)償及升沉補(bǔ)償范圍

其中，設(shè)A點(diǎn)升沉為h，則B點(diǎn)的坐標(biāo)可按下式計(jì)算：

(Bx,By)=(L4cos(α2-θ2),L4sin(α2-θ2)+h)

C點(diǎn)坐標(biāo)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(tái)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(tái)穩(wěn)定在某一點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)

3.1 橫搖、縱搖測(cè)試

為驗(yàn)證登乘裝置的精度，需對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。首先進(jìn)行傳感器安裝，固定轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸，使轉(zhuǎn)臺(tái)橫搖在±8°范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，得出轉(zhuǎn)臺(tái)角度與傳感器測(cè)得的姿態(tài)值，計(jì)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(tái)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(bǔ)償測(cè)試

補(bǔ)償測(cè)試主要是通過調(diào)節(jié)姿態(tài)傳感器位置，計(jì)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(shí)際動(dòng)作情況，測(cè)量油缸伸縮量，姿態(tài)傳感器分別在±8°范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)作，測(cè)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(yīng)及時(shí)，動(dòng)作精度良好。

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

4 結(jié)束語

國家目前在大力推動(dòng)新能源和可再生能源高質(zhì)量發(fā)展，海上風(fēng)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(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要支撐，在“十四五”期間將再次迎來蓬勃發(fā)展。海上風(fēng)電運(yùn)維作為海上風(fēng)電場全壽命周期的重要環(huán)節(jié)，是保證海上風(fēng)場安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要工作，而運(yùn)維環(huán)節(jié)中安全風(fēng)險(xiǎn)最高的就是船舶登靠過程，海上環(huán)境復(fù)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(bǔ)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(bǔ)償理論在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)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(xiàng)目開發(fā)、運(yùn)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(shí)現(xiàn)登乘波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化。