自航自升式海上風電安裝平臺的節能設計

饒廣龍，張宇凡，王鵬

(1.中國船舶工業集團有限公司第七O八研究所，上海 200011；2.長江三峽設備物資有限公司，成都 610000)

自航自升式風電安裝平臺在作為綠色能源的風電產業鏈中具有重要地位。為進一步提高上風電安裝平臺的環保及節能效果，在平臺設計過程中，應著重考慮節能措施的運用。為此，從動力系統設計的角度出發，考慮通過合理配置與布局，采用冷卻海水內循環設計、逆功率回收、主發電機組柴油機缸套水余熱回收，以及變頻系統的運用等，提高風電安裝平臺的節能能力。

1 冷卻海水內循環設計

根據自航自升式風電安裝平臺須離開海面進行作業的特點，平臺須配置1個海水儲存艙，用于平臺升降過程中消防儲備用水。在平臺起升后進行作業時，由于船體離開海面，因此須使用潛水泵從海中向平臺供應海水用以冷卻使用。

以某2 000 t風電平臺為例，根據熱平衡計算，該平臺上配置有2臺1 000 m/h的潛水泵(1用1備)，4臺540 m/h的主海水冷卻泵(3用1備)，3臺220 m/h的輔海水冷卻泵(2用1備)。其最大工況，即動力定位工況熱平衡計算見表1。

表1 某2000 t風電平臺動力定位工況熱平衡計算

在平臺起升后進行作業時，須投入2臺主發電機組進行工作，同時推進系統停止工作。該工況下的冷卻水熱負荷見表2。

表2 某2 000 t風電平臺起升后作業工況熱平衡計算

根據表1和表2可知：起升后作業工況時，熱負荷較小，根據比熱容公式進行計算可知，經過板式冷卻器換熱后的海水溫升約為5.5 ℃。在某些季節、某些海域，其海水環境溫度較低，若根據傳統的海水冷卻系統設計思路，直接將冷卻海水排舷外，則未能充分利用海水的換熱能力。針對這種情況，在風電安裝平臺上，對海水冷卻系統進行優化設計，引入內循環及溫度監測控制的方式，系統見圖1。

圖1 內循環海水冷卻系統

系統中，通過潛水泵提升至平臺的海水，可直接進入海水儲存艙，亦可在海水儲存艙破損的特殊情況下，直接進入海水總管。在平臺起升后作業工況時，海水冷卻泵從與海水儲存艙相連的海水總管中吸水，經過中央冷卻器換熱后的海水排入海水儲存艙中，實現內循環。通過設置在海水儲存艙內的溫度傳感器，監測艙內的海水溫度，若艙內海水溫度較低，則繼續循環使用，不啟動潛水泵；若海水溫度上升至設定值的上限，則通過控制箱起動潛水泵，向海水儲存艙中補充溫度較低的海水，與艙內較熱的海水進行充分對流混合。當海水溫度達到設定值的下限，則停止潛水泵。整個補水過程中，多余的海水可從溢流管溢流至海中。

該設計可依據不同的海水環境溫度、不同的熱負荷，實現冷卻海水量的精準供應，避免因海水過量供應造成的電功率浪費。

2 升降裝置逆功率回收與再利用

隨著風電安裝平臺的大型化發展，樁腿長度加大，中小型風電安裝平臺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齒輪齒條式升降裝置。

電動齒輪齒條式升降裝置主要包括動力驅動裝置、動力傳遞裝置、升降控制系統、制動控制系統等,結構見圖2。

圖2 齒輪齒條式升降裝置

該類型的升降裝置一大特點是，在平臺下降過程中，升降電動機通電使電動機反轉，在平臺自重形成的位能性負載作用下，把電能反饋回電動機，這就是所謂“逆功率”。逆功率若不妥善處理，將會導致平臺在半空中突然失電而不能繼續下降。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，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。平臺逆功率為

(1)

式中：為電機效率，根據經驗取0.8；為機械效率，取0.8；為每個樁腿承擔的總重量，N；為降船速度，m/s。

與傳統的自升式鉆井平臺不同的是，自升式風電安裝平臺，在施工作業期內，需要頻繁地進行船體移位與升降平臺。典型的風機設備“一體化安裝”流程見圖3。

圖3 典型的風機設備“一體化安裝”流程

從圖3可見，對于一個完整的運輸施工流程來說，時間約為124 h，5 d，考慮待命1 d的時間，故1個典型的作業周期為6 d，其中將經歷3次，總計時長3 h的降平臺過程。頻繁地升降平臺，往往將產生巨大的逆功率，若能將其回收利用，則可一定程度提高船舶的節能性。

在風電平臺上配置動力電池，可一定程度實現節能。其原理是：在平臺下降過程中，動力電池吸收升降裝置的逆功率，為電池充電；其余階段，動力電池則可輸出電能，作為船上電網的補充。

以某自升式風電安裝平臺為例，其降平臺速度為0.45 m/min，其下降工況的裝載情況見表3。

表3 某風電安裝平臺下降工況裝載表

根據公式(1)可知，每個樁腿在降平臺過程中，將分別產生逆功率為335、297、293及330 kW，共計1 252 kW。

根據典型的風機設備“一體化安裝”流程，在一個安裝流程中，降平臺持續時間約為3 h，即可回收約3 600 kW·h的電量。考慮海況對風電安裝作業的影響，1年中有約150 d的作業窗口期，故可進行約25次的安裝作業。因此1年共可回收約90 000 kW·h的電量。

3 主發電機組柴油機缸套水余熱回收

柴油機淡水冷卻系統可分為低溫側和高溫側。高溫側的淡水溫度較高，可達80 ℃以上，具有較大的散熱量。若能夠將這部分熱量有效地集中回收，用以加熱平臺上所需的熱媒水，如用于中央空調，蒸發式造水機等，那么對降低全平臺的燃油消耗有著積極作用。

自航自升式風電安裝平臺通常采用全電力推進的方式，故平臺上往往設有多臺中等功率的主發電機組柴油機，各臺柴油機的工作負荷不均，且這類平臺往往會有DP符號的要求。因此，在設計缸套水余熱回收系統的時候，需要充分考慮平臺實際情況進行合理優化，既能實現余熱回收的目的，亦能滿足規范要求。

以1艘取得DP2符號的風電安裝平臺為例。

該風電安裝平臺配置7臺羅羅品牌的柴油機，其缸套水溫度可達到90℃。該平臺配置1臺全自動燃油熱水鍋爐，為中央空調、熱水柜、艙柜加熱盤管及熱水暖風機提供熱媒水。為了回收柴油機缸套水的熱量，在熱水鍋爐的回水管路上并聯布置7套缸套水換熱器，利用缸套水的余熱加熱鍋爐熱媒水。系統原理見圖4。

圖4 某DP2風電安裝平臺缸套水余熱回收系統

該風電平臺取得DP2符號，動力系統分為3個完全獨立的子系統，各子系統間互不影響。為此，作為動力系統組成部分的冷卻水系統，亦應互相獨立。同時，作為電力推進平臺，主發電機組的使用情況復雜多變，且使用時負荷不均，故將所有主發電機組的缸套水管路完全獨立，設置與主發電機組數量相同的缸套水換熱器。這樣，既可充分利用每臺主發電機組柴油機的缸套水余熱，亦可避免因柴油機負荷不同導致的不同溫度的缸套水之間的相互影響，同時也能滿足DP2符號的要求。

需要注意的是，不同品牌、不同機型的柴油機的缸套水溫度不同，有些柴油機缸套水溫度較高，可達90°，而有些柴油機溫度較低，僅80°左右，如MAN 27/38機型。因此在系統設計時，應結合實際使用的柴油機缸套水溫度以及全平臺熱水用戶的耗熱量，計算出合適的循環水量，以保證經過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的熱媒水，進行余熱回收。否則，設置在缸套水換熱器之前的溫控閥將因為溫度過高而長時間關閉，熱媒水與缸套水之間無法進行熱交換，從而導致缸套水余熱無法回收。

4 機艙變頻通風系統應用

通常，計算通風系統額定送風量時，按照外界空氣溫度35 ℃，100%負荷率的理論情況。但因季節不同，航行/作業海域不同，平臺作業工況不同，實際所需的通風量往往會小于理論計算值，從而造成長期地電功率浪費。變頻通風系統的應用則可較好地解決上述問題。機艙變頻通風系統包括變頻風機、變頻器、溫度傳感器、壓差傳感器和系統控制部分。其工作原理是：預先設定艙內溫度和壓差值，當機艙內溫度變化時，溫度傳感器將信號傳至控制箱，控制箱發送信號調整機艙風機風量；同時，機艙內設置空氣壓力傳感器，可自動控制風機風量，并設置高低壓報警，隨機艙壓力值發生變化，壓差傳感器將信號傳至控制箱，通過控制箱改變送風機風量以調整機艙壓差維持在+50 Pa左右，處于人員舒適的范圍。

以某2 000 t自航自升式風電安裝平臺為例，該平臺工況復雜多變，基本可分為巡航工況、全速航行工況、動力定位下樁腿工況、平臺起升/下降工況、起升后作業工況以及DP浮吊起重工況。該平臺的電力負荷估算及通風需求見表4。

表4 某2 000 t自航自升式風電安裝平臺的電力負荷估算

平臺裝船船功率為：6臺2 700 kW主發電機組，1臺800 kW停泊發電機組及1臺400 kW應急發電機組，4臺110 000 m/h的機艙通風機(3用1備)，4臺79 000 m/h的機艙抽風機(3用1備)。

由表4可見，不同工況下，平臺所需要投入的主發電機數量差異較大，因此柴油機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，如果無法及時根據實際通風需求量調整機艙的通風量，則會造成一定程度的電功率的浪費。例如，在巡航時，若開2臺風機，則通風量大于需求量，若只開1臺風機，則通風量小于需求量。而機艙變頻通風系統則可根據平臺的實際情況，實時準確地調整投入運行的風機數量及風機的負荷，以保證機艙獲得足夠的通風量的同時，風機亦可工作在最佳經濟點，從而達到節能的目的。

5 結論

在自航自升式風電安裝平臺上，通過對動力系統的設計及優化，可較好地提高平臺的節能效果。

1)通過對海水內循環系統的應用，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)通過對逆功率回收系統的應用，可將平臺下降時產生的逆功率轉化為電能儲存在平臺上，供電站使用，從而減少發電機組的燃油消耗。

3)通過對柴油機廢熱回收系統的應用可將柴油機的高溫水廢熱回收用于平臺熱源加熱，以減少加熱鍋爐對燃油的消耗。

4)通過應用變頻機艙通風系統，可實現在不同環境條件和不同工況下，靈活改變風機頻率和送風量，減少功率消耗。