国内外海上风电平台运维登靠系统概况

国内外海上风电平台运维登靠系统概况

李明

中海油能源发展股份有限公司湛江采油服务文昌分公司，广东湛江 524057

摘要：近年来，各国对电能的需求都在不断增加，海上风电工程建设越来越多。世界各国海上风电产业迅猛发展，海上风力发电成为可再生能源开发的重要发展方向。随着海上风力发电机组不断的投入使用，海上风电机组必然需要定期维护，并且运维服务范围呈现出从近海向远洋扩展的趋势。在海上运维作业中，海上登乘系统通常用于人员和设备的安全便捷转移。为了消除船舶外部环境引入的各种不稳定因素，国内外相继开发了多种用于海上运维的设备和船舶。对国内外不同风电运维设备以及登靠方式进行了详细论述。中国目前的运维船仍以顶靠登靠为主，在风电向远洋发展的大趋势下，亟待开发具有运动补偿功能的登靠装置或船舶。

关键词：海上风电平台；运维船；登靠系统；运动补偿

引言

目前，我国正在大力发展海上风电。 海上风电机组面临潮汐、台风、气流和闪电等恶劣环境，机组容易出现故障。为保证海上风电场稳定运行， 要对风电机组进行运行检测与定检维护，因此须配置符合海况的运维船舶，由于波、浪、流的影响，目前采用的顶靠登风机的型式在登临风机的时候风险较高，故运维船需考虑更为安全的登靠系统。

1海上风电维护形式和作业频率

随着风电场向远洋布置，运输过程占用时间增加，可能挤占风电设备的维护时间。所以针对远洋风电场的工程师和货物必须依托于的运维船来开展工作。除了采用船舶运输之外，也可以采用直升机进行人员等的登靠，尤其在时间较短或者海科及其恶劣的情况下。风电平台的运行维护的关键因素是运维的成本和风电场的可作业性，而这两者恰恰又是相互制约的关系，所以如果期望获取最优的运维策略，就需要在二者之间找到权衡点。从目前国内外的研究来看，风电场每年的可作业频率在50%～70%。春夏季可作业天数显著高于秋冬两季，但是作业频率也受到海况和波浪参数的影响。而国内目前采用的运维船顶靠登临风机平台的方式受波浪流的影响比较大，在秋冬两季登靠风机平台作业的时间窗口大为减少，特别是南海地区，依靠顶靠登临风机平台的方式，在秋冬两季基本无法登临风机平台对风机进行维护保养。所以从风电系统设计的理念来看，也逐步从向高可登靠性转变。

2辅助登靠系统的设计方案

船舶辅助登靠系统要保持运维船舶某一平台与风机基座的相对静止，因此须对运维船舶的运动进行补偿，以减少运动幅度。工程上的减振方式可分为主动减振和被动减振。被动减振机械结构的设计要求高，难度大，减振效果有上限。主动减振比被动减振的工程应用更多、更成熟。船体在波浪的作用下会产生6个自由度方向的运动，即3个坐标轴上的平移与旋转。因此，船舶辅助登靠系统采用6自由度并联平台对船体的运动进行补偿。舷梯为纯刚性机械结构，作为连接两平台的辅助工具，使整个结构的空间位置具有较好的可控性。位姿监测中心检测下平台和上平台的实时位姿，通过上位机进行杆长参数的求解，并通过运动补偿控制器对液压缸杆长进行控制，实现对船体的运动补偿。通过运动补偿，降低舷梯相对风机基座的运动幅值，保证人员、配件的安全着陆。由于液压系统的有效负载范围较大，故选取液压缸作为伸缩杆。液压油对运动部件起到润滑作用，并通过油液的流动把热量带走，实现系统的自冷却，以延长元件的使用寿命。

3国外主要的海上风电运维登靠方式

（1）对接风机平台的登靠方式。从爬梯的登靠方式来看，其主要针对沿海风电场，无法满足远洋风电场服务的需求。同时更加恶劣的海科增加了作业工程师在登靠过程中的危险性，同时未补偿的船舶运动也会引起身体不适。针对这些问题，此类运维船舶的设计尺寸更大，配备了动力定位系统，同时引入不同形式的补偿系统，基本可以消除船舶和风机平台的相对运动。典型的产品有Ampelmann公司A和E型产品、BargeMaster公司的产品、KenzFigee集团的产品等。Ampelmann公司A型系统是经典的六自由度运动补偿舷梯系统。其依靠安装在甲板上的六自由度液压补偿平台，对传感器提供的实时准确的船舶运动进行主动运动补偿，有效地消除所有运动。其系列产品中除了可以进行人员输送外，可以兼顾大型货物的转运。适用于船与风机平台之间的换乘。它是具有三自由度补偿的舷梯，可补偿3.5m以内的有效波高，可有效提高风机平台的可作业频率。同时该海上换乘舷梯拥有吊运功能，可吊装2t重的货物。装置在起重机的辅助下可以实现全自由度的主动运动补偿。登靠采用的典型着陆装置包括着陆锥和主动缓冲器两种。主动缓冲器通过两个小型液压缸对舷梯换乘点施加恒张力来使舷梯末端固定，可以提高着陆的准确性。（2）软梯登靠方式。其主要特点是在风机平台上安装可远程控制的伸缩舷梯，维护人员通过舷梯或与舷梯相连的挂梯（或软梯）登靠风机平台，仅可实现人员的转移。该类型登乘方式适用于大型的海上发电机组平台，平台空间大，易于安装直梯或者可远程控制的伸缩舷梯。同时满足船舶可尾靠海域空间，但不泊靠不接触基座。（3）针对大型货物转运的起重设备。前面阐述的登靠设备主要实现人员的转运和一定量货物的运输。但是如果考虑到远洋风电场的需求以及风机功率的逐步增大，需要运维转运的货物重量就更大。传统起重设备叠加运动补偿功能后，就基本具备了风机平台维修所需的转运登靠功能，即将之前的舷梯替换为起重机。国外典型的产品有 CargoSafe、Kenz、SMST 等公司的海上起重机。此类海上起重机具备多自由度的运动补偿，从而可以基本消除船舶运动的影响。由于补偿准确性取决于船舶运动测量的准确性，Kenz 公司采用惯性导航系统进行船舶运动测量。

4辅助登靠系统的建模与仿真

软件Adams/view提供了丰富的建模工具，包括几何元素、布尔运算和模型修饰工具等。它可以建立任何机械系统的虚拟样机，应用范围广，仿真功能很强。但是，Adams软件的控制能力比较差，与Matlab软件进行联合仿真，通过数据的互通，可以弥补这一缺点。对控制系统联合仿真，实现了直接利用Adams中建立的机械系统仿真模型，不须编写具体程序代码或使用微分方程进行建模，大大提高仿真效率。对于机械系统，避免了Adams控制方面的劣势，更能直观地展示仿真结果。软件Adams和软件Matlab联合仿真，将机械和控制系统结合在一起，提髙了系统的研究效率，降低了开发成本，更容易获得机械与控制系统的最佳整体性能。用Adams软件对Stewart平台进行建模得到的模型图。上平台（静平台）的外接圆半径为800mm，下平台（动平台）的外接圆半径为1200mm。上下平台的铰链均采用球铰。液压缸行程端与缸体之间采用移动副连接，通过控制移动副的行程实现液压缸长度的变化。上下平台短边对应的圆心角均为30°。初始位置时，上平台的长边与下平台的短边对应平行，同时中心点上下相对，且初始高度差为1200mm。

结语

综上所述，与国外风电运维登靠设备相比较，中国风电运维设备和船舶在技术上仍存在较大的差距。如果直接从国外引进先进设备，目前的引进费用还比较高。所以亟需国内自主开发风机平台和海上平台的登靠系统。并且与运维相关的船舶设计与开发已经得到重点关注，其中“可伸缩式登船栈桥系统研制”也已经纳入《高技术船舶科研几乎项目指南（2016年版）》。

参考文献

［1］罗承先.世界海上风力发电现状［J］.中外能源，2019，24（2）：22-27.

［2］舟丹.全球海上风电发展趋势［J］.中外能源，2019，24（2）：98.

［3］高巍，周华.风电运维船登靠作业概率评估［J］.中国海洋平台，2018，33（6）：77-84.