超大型風電安裝船抗橫傾系統的設計原理及應用

顏建軍，顧 杰，梁巖峰,2，姜季江,2，張永康

（1.啟東中遠海運海洋工程有限公司，江蘇啟東 226200；2.中遠海運重工有限公司，上海 200135；3.廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006）

0 引言

隨著能源問題與環境以及發展矛盾的日益顯著，風力發電成為近年來世界各國普遍關注的可再生能源開發項目之一，相較于陸上風電，海上風電場的優勢明顯：海上風速較高，資源豐富；風機機組的噪聲控制問題相對而言不是很突出；機組大型化的應用空間較大，單機的裝機功率較大等。海上風電安裝船由此應運而生。隨著風機單機功率的發展，該類型船舶的裝機能力、重吊能力和甲板的可變載荷要求越來越高，目前歐洲市場的風電平臺的吊重能力普遍超過3 000 t，部分超級大型的風電安裝船甚至于達到5 000 t，該類型的船舶在浮態時進行重吊作業，吊機和重物在半徑范圍內都會對船舶產生橫傾力矩，從而導致船舶的橫傾。為避免船舶的傾覆，通常該類型的船舶配置有抗橫傾系統，該系統通過調撥船舶左右舷的抗橫傾艙內的水，來抵消吊機作業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償抗橫傾系統，然而被動補償系統只有在船舶達到預先抗橫傾系統設定值（如船舶傾角設定等），抗橫傾系統開始運行來平衡船舶，保持船舶的安全。本文主要介紹主動補償系統，其在船舶重吊開始時則通過監控重吊對于船舶所產生的橫傾力矩來運行系統，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。

1 抗橫傾系統簡介

抗橫傾系統的原理如圖1所示。抗橫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。通常抗橫傾系統設定自動平橫傾角設定值，當船舶傾角達到或超過抗橫傾系統所設定的傾角時，則此時系統的閥會陸續打開，同時抗橫傾泵也將啟動將傾斜側壓載艙的水駁運至另一側的壓載艙之內，直至船舶達到平衡為止，則此時該系統的傾斜儀（MRU）會給控制系統信號，停止抗橫傾泵，同時關閉相應的閥門，此后系統會自動進入待機模式，當船舶的傾角再次超過設定值時，抗橫傾系統會重復上述動作，以保證船舶的安全作業。

圖1 抗橫傾系統原理

2 抗橫傾系統實船應用及設計原理

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

圖2 抗橫傾系統布置

2.1 抗橫傾系統主要部件介紹

抗橫傾系統主要包含的設備介紹如下。

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

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

（3）傾斜儀：該系統配置有兩臺傾斜儀，一臺布置在左舷，一臺布置在右舷，都位于船中位置，當其中一臺損壞時，另外一臺依然可以保證系統的運行，然而當兩臺同時失效時，位于泵組控制箱內部的傾角傳感器通過光纖與系統連接，用以控制抗橫傾系統，同時船舶的傾斜儀數據也會通過綜控傳輸到抗橫傾系統內部，但是該信號僅僅作為參考信號，不用于系統的控制。

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

主要部件如圖3所示。

圖3 抗橫傾系統主要部件

2.2 抗橫傾系統控制界面簡介

抗橫傾系統的控制界面如圖4所示，包含了抗橫傾系統的所有的控制以及運行過程中所監控到的系統運行信息。

圖4 抗橫傾系統操作界面

Total部分是抗橫傾系統的設計和計算的基礎，也是判斷船舶抗橫傾能力的大小的依據，操作界面如圖5所示。

圖5 抗橫傾系統的柱狀圖

在Total部分中包含Heeling Angle、Tank Moment和Tank Flow，是對于船舶傾角狀態狀態和抗橫傾系統實時能力監控，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。以上的這兩個設定點可以根據需要進行調整，如warninglimits設定為±1°，alarmlimits設定為±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算而得。

橙色的立柱“3”顯示的是Tank Moment Limitation，當一對抗橫傾艙未曾激活則limitation將會下降，當一對抗橫傾艙激活后則limitation將會增大。上述數值“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設計的最大的力矩的比值；Availability Percentage為該狀態下抗橫傾艙的所能產生的最大的凈力矩與系統設計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：

當每個艙的液位在50%的時候，所能產生的扭矩是最大的，所以此時Availability為100%。

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

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

（3）Tank Flow

該Tank Flow主要是指系統在運行的過程中，系統所具有的瞬時流量。

2.3 抗橫傾系統控制模式的介紹

該項目的抗橫傾系統包含有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，轉速等來調整船舶的傾角；

（2）Pre Heel Mode：通過人為的預設定船舶的傾角，抗橫傾系統根據該設定值自動將船舶調整到該設定的船舶傾角；

（3）Auto Heel Mode：該模式為抗橫傾系統的被動補償模式，即當船舶的傾角達到預先設定值（如:-0.2°，+0.2°）時，則此時系統會自動啟動，將船舶的傾角調整到0°為止，該模式在船舶的運行過程中使用會較為頻繁。

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

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用較多，而第4種控制模式對于系統和控制的要求較高，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，其中與吊機的接口如下：

（1）Slew Angle：吊機的該信號直接由船舶的綜控輸出到抗橫傾系統；

（2）Boom Angle：吊機的該信號直接由船舶的綜控輸出到抗橫傾系統；

（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+吊機上貨物的重量。

以上4組信號為抗橫傾系統需要從吊機處獲得到的輸入信號，在上述的信息取得之后，抗橫傾系統結合船舶抗橫傾艙的狀態會進行船舶扭矩的計算，下文介紹兩個專業術語：

（1）Total Crane Moment：吊機在任何給定時間產生的總力矩，該數值為絕對值，沒有經過去毛重后的數值，屬于總的扭矩，即使在吊機不運行且吊鉤上并沒有重物，該數值都不會為0；

（2）Uncompensated Crane Moment：未得到補償的吊車力矩是在吊車的總力矩中減去吊車毛重力矩、船舶凈力矩和抗橫傾本身的力矩而得到的力矩。

結合上文提到的兩個專業術語，簡單介紹船舶LMC Mode運行的基礎數學模型，未得到補償的力矩計算公式如下：

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

任何時刻Tanks Moment & Crane Total Moment為恒定值，每一步操作時將Uncompensated Moment設定為0，確保后面操作過程中，抗橫傾系統的補償都是吊機的動作所產生的力矩。在船舶運行過程中，抗橫傾系統確保uncompensated moment非常低，以及船舶的橫傾角度盡量不變化，但是如果吊機的扭矩和扭矩的變化遠大于抗橫傾的泵調整速度，此時uncompensated moment和船舶的heelangle將快速增長而無法調整。

當船舶的扭力平衡之后，此時抗橫傾系統開始調整，來平衡各個艙室的液位到servicelevel確保tank moment和heelangel不改變。如果艙室的液位平衡后會改變tankmoment，則此時泵進入idlemode。在idle mode情況下，泵和閥門全部在運行，但此時為零流量。泵會自動轉入RPM Control來平衡兩個液艙的液位差。

LMC Mode包含有兩種操作狀況：Splash Zone Operation&Deck Operation。該模式主要用于補償吊機引起的船體力矩，泵的控制模式為Flow Control Mode，流量的大小通過系統吊機運行過程中對于船舶產生的力矩的變化而變化。

（1）Splash Zone Operation

在船舶動力定位下運行過程中，吊機將貨物下放到海水里面時，此時海水海浪對于貨物的影響必須考慮到。當海浪打到貨物上面時，則此時會對于貨物有浮力以及其他相關力的作用，此時對于吊機的力矩會有一定的影響。因為該部分的力是短時間時刻變化的，如果泵的流量根據這個不斷的力矩頻繁變化的話，對于泵的磨損會比較大。考慮到上述原因，則增加了“Splash Zone Operation”，當該模式啟動后，則會在短時間內過濾掉這部分的力，這個時間可以設定，如20 s或者1min，在該時間段內CraneLoad Cell出現變化，則抗橫傾泵開始自動調整流量。

（2）Deck Operation

該模式主要用在吊機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，則此時船舶的扭矩將會產生重大的變化，該部分的改變也必須考慮進去。該模式的計算基礎及原理：當Deck Operation激活后，吊鉤載荷會加到Tare Moment上，當該模式de-actived時，吊鉤的載荷會從Tare Moment上刪除掉。以下舉例說明。

假設船舶的吊機位置在中線上，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90°，準備吊起重物，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。當吊機到達貨物的上方時：ML=0；MC=10 t×2.5 m=25 m·t；MS=-25 m·t；MT=0。Deck Operation Mode Active，負載轉移到吊機上時：ML=0；MC=25 m·t；MS=-25+0=-25 m·t；MT=0。當貨物的重量全部轉移到吊機上后，吊機開始旋轉，此時De-activedDeck Operation Mode：ML=5 t×5 m=25 m·t；MC=25 m·t；MS=-25-（25）=-50 m·t；MT=0。當吊機開始旋轉到270°到達貨物點時：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 抗橫傾系統布置及設計注意點

抗橫傾系統的設備和管系的布置對于抗橫傾系統的能力也存在一定的影響，根據此項目的相關經驗，總結在設計過程中需要考慮到的主要的注意點如下。

（1）考慮到抗橫傾系統的能力，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結構，且吸口的高度要計算，現場要控制好。

（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的流量產生影響。

（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，抗橫傾泵的正反轉的流量有較大區別；以上的正反方向布置在管路布置類似的情況下，可以保證左右駁運時，流量不會產生較大的差異。

圖6 抗橫傾泵的曲線

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

（6）管路的布置應盡量直，減少非必要的彎頭等。

以上管路的注意點是為減少由于管路的原因導致流量的不足，設備的布置注意點是為了減少左右平衡時流量的穩定。

3 結束語

隨著風電市場的裝機功率越來越大以及風電市場也逐步地從近海走向遠海，目前市場上對大型風電船的需求也逐步增大，考慮到船舶的操作性以及穩性，抗橫傾系統在該種項目上面顯得尤為重要。新的市場對于該系統又提出新的要求，如何將該系統與船舶的裝載計算機通訊，通過船舶的穩性高度（GM）來控制該系統的運行，從而做到主動補償，將會是對于未來大型重吊船更加切實的要求。該要求在船舶的初始設計階段需要做好詳細的分析，雖然抗橫傾系統對于重吊船的運營來說比較重要也是非常可靠的系統，但該系統的缺陷也較為明顯，初期的投資較大，對于船舶電站的要求較高，也希望在技術不斷發展和進步的基礎之上，該系統的成本越來越低，從而得到進一步的應用。