起大型風(fēng)電安裝船的操縱性和動力定位能力分析屠海洋;王思銘【摘要】以超大型自航自升式海上風(fēng)電安裝船MPIADVENTURE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(jìn)行分析.首先對代表船的結(jié)構(gòu)參數(shù)和功能特點(diǎn)作簡要介紹;然后分析指出以全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器為動力的風(fēng)電安裝船在自航操縱方面的特點(diǎn)，采用MARIDPCap軟件計算該船在不同推進(jìn)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(jìn)一步了解目前最新型的風(fēng)電安裝船的性能特點(diǎn)具有一定幫助.【期刊名稱】《中國航?！贰灸?卷)，期】2016(039)001【總頁數(shù)】5頁(P74-78)【關(guān)鍵詞】水路運(yùn)輸;動力定位;操縱性;定位能力;風(fēng)電安裝船【作者】屠海洋;王思銘【作者單位】上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200135浦通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，江蘇南通226005【正文語種】中文【中圖分類】U661.7Abstract:TheobjectunderresearchistheultralargewindturbineinstallationvesselMPIADVENTURE.TheworkfocusesonthemaneuverabilityandDynamicPositioning(DP)capabilityofthevessel.Thestructuralparametersandfunctionalcharacteristicsofthevesselarebrieflyintroducedfirstandthemaneuverabilitycharacteristicsofthistypevesselareanalyzed.TheDPcapabilityofthevesselindiffrentfailurestatesofthepropellersiscalculated.ItisconcludedthattheDPcapabilityofthevesselmeetsthedesignrequirementswithcertainmargin.Thestudygivesustheknowledgeabouttheperformancecharacteristicsofthemostnewtypeofwindturbineinstallationvessels.Keywords:waterwaytransportation;dynamicpositioning;maneuverability;capabilityforpositioning;windturbineinstallationvessel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(fù)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(jī)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(yùn)輸和吊裝海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其融合了運(yùn)輸船、海上作業(yè)平臺、起重船和生活供給船的各項(xiàng)功能，并裝有先進(jìn)的動力定位系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)，操作靈活，可獨(dú)立完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)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(diǎn)。但是，平臺所經(jīng)受的海洋環(huán)境復(fù)雜，其在運(yùn)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(yán)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(qiáng)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(yuǎn)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MPIADVENTURE（見圖1）為研究對象，對該船的結(jié)構(gòu)參數(shù)和功能特點(diǎn)作簡要介紹，并根據(jù)船舶的實(shí)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(jìn)行綜合分析，供該類船舶的設(shè)計者和管理者參考。1.1船舶的基本參數(shù)［1］主要對船舶參數(shù)、推進(jìn)器參數(shù)及船舶設(shè)計要求作簡要介紹，分別見表1~表3。1.2船舶的功能特點(diǎn)由于海上風(fēng)電機(jī)組對工作環(huán)境有一定要求，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yùn)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(diǎn)。1）具有普通船的優(yōu)點(diǎn)，無須拖船輔助，工作效率高、造價低，能獨(dú)立完成海上作業(yè)。2）具有自升式平臺的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(jì)損失。5）能在4.8m浪高和14m/s風(fēng)速條件下完成海上風(fēng)電機(jī)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(zhǔn)確定位及實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)的有機(jī)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。該船是海上風(fēng)電運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)器的方向控制手柄與推進(jìn)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。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(jìn)器實(shí)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(jìn)器。傳統(tǒng)的船舶操縱舵令和車鐘令不適合該類船舶。該船的操縱有獨(dú)立機(jī)動和航行兩種模式，其中獨(dú)立機(jī)動模式主要用于低速下的掉頭、靠離泊和定位，通過各推進(jìn)器的協(xié)調(diào)作用使船舶完成微速前進(jìn)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(jìn)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(yùn)動響應(yīng)影響很大。圖2為船舶不同航速下的縱搖運(yùn)動曲線。從圖2中可看出，為保證船上風(fēng)力發(fā)電機(jī)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。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(zhǔn)，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(zhǔn)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(jī)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(jìn)器停止工作，進(jìn)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(AmericanPetroleumInstitute，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DNVDYNPOSAUTR，即DP-2。根據(jù)DP-2的要求[4-,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(jìn)器及發(fā)電機(jī)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(jìn)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(jìn)行定位能力分析，具體如下（為方便說明，各動力表示見圖3）。1）完整模式：所有推進(jìn)器正常工作。2）失效模式一：T1號推進(jìn)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(jìn)器失效——單個推進(jìn)器失效下的情況。4）失效模式三：T1號和A1號推進(jìn)器失效——2個推進(jìn)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MARIDPCap進(jìn)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(jìn)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(jìn)器對應(yīng)的數(shù)據(jù)。輸入船舶、環(huán)境和動力數(shù)據(jù)之后，軟件即可進(jìn)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1.0kn,1.5kn和2.0kn;浪高值是軟件根據(jù)風(fēng)速大小自動取的值。3.2超大型風(fēng)電安裝船動力定位能力分析—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(jìn)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(shí)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。3.2.1推進(jìn)器完整狀態(tài)下的定位能力該船在流速為2.0kn，風(fēng)速<32kn時，具有全方位控位能力；在風(fēng)速為60kn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80kn時，只有頂風(fēng)流狀態(tài)下才可控位。即在6級風(fēng)、2kn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80kn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(yuǎn)的側(cè)推器T1失效時的狀態(tài)進(jìn)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2.0kn，風(fēng)速<22kn時，該船具有全方位控位能力；在風(fēng)速為60kn時，其控位風(fēng)舷角為艏部±15°和艉部±20。之間；在風(fēng)速為80kn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(qiáng)，船舶將失控并發(fā)生漂移。3.2.3單臺艉推進(jìn)器失效狀態(tài)下的定位能力艉推進(jìn)器為3臺全回轉(zhuǎn)式推進(jìn)器，橫向排列，轉(zhuǎn)向靈活。3臺推進(jìn)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(jìn)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(jìn)器失效的情況下，船舶在1.5kn流中的最大全方位定位能力仍達(dá)到38kn風(fēng)，比單個艏側(cè)推器失效時的定位能力要強(qiáng)。隨著流速增加，船舶定位能力下降。3.2.4艏艉各一臺推進(jìn)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1kn流中，船舶只有在＜6級風(fēng)的條件下才能達(dá)到全方位定位；而在2.0kn流中，船舶的最大全方位定位能力只能達(dá)到18kn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2kn流、32kn風(fēng)以下狀態(tài)下有全方位控位能力；在單個推進(jìn)器失效的情況下，船舶的控位能力下降，但仍能在2kn流、22kn風(fēng)或1.5kn流、26kn風(fēng)中全方位控制船位；在雙推進(jìn)器失效的情況下，船舶的定位能力無法達(dá)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，MPIADVENTURE船的動力定位能力達(dá)到了設(shè)計要求，能在設(shè)計的海況下進(jìn)行定位，且有一定的冗余。但在某臺推進(jìn)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(jìn)器，避免其他推進(jìn)器長時間高負(fù)荷運(yùn)行。以MPIADVENTURE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(diǎn)；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(jìn)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