趙媛媛

（南通欣通船舶與海洋工程設(shè)計(jì)有限公司 南通226004）

3200t風(fēng)電安裝船的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙媛媛

（南通欣通船舶與海洋工程設(shè)計(jì)有限公司 南通226004）

簡(jiǎn)述了3 200 t風(fēng)電安裝船的總體布置及主要功能,針對(duì)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的全回轉(zhuǎn)舵槳的動(dòng)力推進(jìn)裝置、自動(dòng)化的電站系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組DP1（動(dòng)力定位）安裝定位系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組的浮式運(yùn)輸系統(tǒng)和船舶座底配套高壓沖洗水系統(tǒng)方案進(jìn)行介紹與分析，從而描繪出該船在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的特點(diǎn)與亮點(diǎn)。

風(fēng)電機(jī)組；海上風(fēng)電安裝船；機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電電源的核心組成部分，主要包括筒體、機(jī)頭、葉片及其基礎(chǔ)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)電機(jī)組）。風(fēng)電機(jī)組主要的功能是將海上風(fēng)能轉(zhuǎn)為電能，屬于清潔能源，其前景、經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。風(fēng)電機(jī)組一般安裝在近海，主要有分體式海上安裝和整機(jī)式海上安裝兩種方式。海上安裝方法分為通用海上浮吊安裝法、海洋平臺(tái)安裝法和風(fēng)機(jī)專(zhuān)用安裝船安裝法。近階段采用專(zhuān)用安裝船的安裝方法比較多。海上風(fēng)電安裝船主要是為在海上安裝風(fēng)電機(jī)組的配套專(zhuān)用設(shè)備，目前我國(guó)的風(fēng)電安裝船的設(shè)計(jì)技術(shù)也取得了突破，但整體技術(shù)還處于起步與探索階段［1-2］。

3200t海上風(fēng)電安裝船為海上風(fēng)電能源項(xiàng)目的配套船舶，主要用于整體一步式安裝風(fēng)電機(jī)組，即從風(fēng)電機(jī)組的組裝場(chǎng)地到海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，并負(fù)責(zé)將風(fēng)電機(jī)組一次性放置到位，將船舶運(yùn)輸、自航功能、座底、自升、起重功能融為一體。

1　項(xiàng)目總體介紹

本船是一艘自航（在運(yùn)輸過(guò)程中）大型重吊船，主尺度（長(zhǎng)×寬×型深）為 138.0 m×66.0 m×11.25 m 、設(shè)計(jì)吃水為5.0 m 、排水量為30 000 t、航速為5 kn、船級(jí)社為CCS ，可以最大整機(jī)運(yùn)輸重3 200 t、筒體最高90 m的風(fēng)電機(jī)組，為海上風(fēng)電項(xiàng)目，于2012年開(kāi)始建造。

本船首尾各有1個(gè)C形槽，整體組裝后的風(fēng)電機(jī)組整體拖曳到本船首尾C形槽內(nèi)。底部為水泥中空塔形基礎(chǔ)。運(yùn)輸過(guò)程中，塔形基礎(chǔ)中注滿壓縮空氣實(shí)現(xiàn)浮式運(yùn)輸。首尾左、右舷各布置1臺(tái)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的全回轉(zhuǎn)舵槳，到達(dá)安裝場(chǎng)地后，采用動(dòng)力定位系統(tǒng)確定安裝位置；同時(shí)，塔形基礎(chǔ)中排出壓縮空氣并注入壓載水，通過(guò)重力作用安裝風(fēng)電機(jī)組于海床上。首、尾配備2臺(tái)3 200 t固定桁架式吊機(jī)，用于起、吊風(fēng)電機(jī)組及在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)輸過(guò)程中固定扶持作用。本船在潮間帶作業(yè)時(shí)可以座底，并配有船舶上浮時(shí)的船底沖洗裝置。

圖1　總布置圖

另外，采用的3 200 t桁架吊機(jī)為本船風(fēng)電機(jī)組安裝時(shí)的特殊和關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)參數(shù)如下：桁架吊機(jī)采用滑輪升降形式，主要靠安裝在桁架底部的3臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以起重3 200 t。吊機(jī)總高度為68.0 m、中間環(huán)梁直徑為35 m、門(mén)架主梁底面離船體表面為30 m。起升高度為水上6 m、起升速度為0.7 m/min、裝機(jī)容量為750 kW、整機(jī)重1 100 t。

3200t風(fēng)電安裝船主要功能如下：

（1）本船可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位功能（DP1），定位精度為0.5 m。動(dòng)力定位作業(yè)海況為：風(fēng)力≤7級(jí)（蒲氏風(fēng)標(biāo)）、水流≤2 m/s、有義波高≤9.0 m。

（2）可以同時(shí)裝載2個(gè)3 200 t風(fēng)電機(jī)組。

（3）具有自航與運(yùn)輸能力。

（4）可以在近海及潮間帶作業(yè)。

（5）船上定員為60人。

2　機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

具有創(chuàng)新理念的大型整體式風(fēng)電安裝運(yùn)輸船，采用了目前造船業(yè)的先進(jìn)理念，主要體現(xiàn)在：采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的全回轉(zhuǎn)舵槳的動(dòng)力推進(jìn)裝置；自動(dòng)化的電站系統(tǒng)；采用DP技術(shù)的風(fēng)機(jī)安裝定位系統(tǒng)；風(fēng)電機(jī)組的浮式運(yùn)輸系統(tǒng)；船舶座底配套高壓沖洗水系統(tǒng)。

2.1柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的全回轉(zhuǎn)舵槳的動(dòng)力系統(tǒng)

為滿足風(fēng)機(jī)安裝精度誤差為0.5 m，配置動(dòng)力定位控制用于風(fēng)、水流干擾下船舶位置的調(diào)整。用于動(dòng)力定位的推進(jìn)模塊，采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)Z型全回轉(zhuǎn)舵槳的推進(jìn)系統(tǒng)，根據(jù)動(dòng)力定位能力分析結(jié)果，在首、尾左右舷的推進(jìn)艙室里各設(shè)置1臺(tái)2 000 kW柴油主機(jī)和1臺(tái)2 206 kW的Z形全回轉(zhuǎn)舵槳（共4套裝置）。在進(jìn)行安裝作業(yè)時(shí)，通過(guò)拖輪拖帶將本船拖于近海作業(yè)區(qū)域（潮間帶），然后依靠自身舵槳的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行移動(dòng)、定位、安裝座底和風(fēng)機(jī)。

在采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)Z型全回轉(zhuǎn)舵槳的動(dòng)力推進(jìn)裝置系統(tǒng)里，推進(jìn)主機(jī)、全回轉(zhuǎn)舵槳的控制模塊、系統(tǒng)的技術(shù)接口對(duì)本船完成風(fēng)電安裝功能起到了至關(guān)重要的作用，在與多方協(xié)調(diào)后，確定了以下方案：

（1）主機(jī)控制系統(tǒng)

4臺(tái)主機(jī)采用氣電主機(jī)遙控系統(tǒng)，每臺(tái)主機(jī)具有一套遙控系統(tǒng)，4套控制系統(tǒng)相互獨(dú)立。主機(jī)系統(tǒng)工作模式分以下2種：航行模式及DP定位作業(yè)模式，首尾兩個(gè)駕駛室均作為主駕駛室并且都具有航行與DP定位時(shí)的作業(yè)功能。在航行模式，尾部駕駛室控制首部2臺(tái)主機(jī)，尾部2臺(tái)主機(jī)不運(yùn)行；首部駕駛室控制尾部2臺(tái)主機(jī)，首部2臺(tái)主機(jī)不運(yùn)行；DP定位作業(yè)模式，首部2臺(tái)主機(jī)和尾部2臺(tái)主機(jī)可同時(shí)運(yùn)行。在首、尾駕駛室和機(jī)艙集控室分別可對(duì)主機(jī)進(jìn)行遙控操作，在駕控臺(tái)和機(jī)艙集控臺(tái)上設(shè)有監(jiān)視主機(jī)正常運(yùn)行的儀表及指示系統(tǒng)，并設(shè)有主機(jī)各種聲光報(bào)警指示。另外，機(jī)旁設(shè)有必要的儀表，用來(lái)保證機(jī)旁操作。主推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)配置與DP1系統(tǒng)要求的技術(shù)接口，具有人工越控功能，同時(shí)駕駛室應(yīng)該設(shè)有對(duì)主機(jī)進(jìn)行應(yīng)急停車(chē)的裝置（該裝置獨(dú)立于主機(jī)遙控系統(tǒng)）。

（2）全回轉(zhuǎn)舵槳系統(tǒng)

全回轉(zhuǎn)舵槳采用4臺(tái)Z形全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，最大輸入功率為2 206 kW，最大輸入轉(zhuǎn)速為1 000 r/min；最大輸入扭矩為23 500 N·m；螺旋槳中心距離為3 300 mm ； 螺旋槳直徑為 2 650 mm ；舵槳轉(zhuǎn)舵速度為15 ～18 °/s ；重約5 t（含油料）。整個(gè)裝置由液壓回轉(zhuǎn)操作系統(tǒng)控制其回轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)采用220 V主電源，應(yīng)急電源為DC 24 V；尾部駕駛室設(shè)1個(gè)舵槳控制報(bào)警板，完成對(duì)首部2臺(tái)全回轉(zhuǎn)舵槳的隨動(dòng)遙控功能；首部駕駛室1個(gè)舵槳控制報(bào)警板，完成對(duì)尾部2臺(tái)全回轉(zhuǎn)螺旋槳的隨動(dòng)遙控功能；每套全回轉(zhuǎn)舵槳系統(tǒng)配有舵角反饋機(jī)構(gòu)、中央控制箱，用來(lái)對(duì)回轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速進(jìn)行應(yīng)急控制，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和主機(jī)轉(zhuǎn)速可在駕控臺(tái)由1個(gè)混合式控制手柄控制，水平轉(zhuǎn)動(dòng)手柄可以對(duì)螺旋槳進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)操作，同時(shí)扳動(dòng)手柄可使主機(jī)轉(zhuǎn)速在怠速與全速之間進(jìn)行調(diào)整。

這樣的設(shè)計(jì)可以在系統(tǒng)故障或者電源失電的情況下快速選擇使用備用模式，主機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)加速、減速按鈕的方式進(jìn)行控制。此外，系統(tǒng)集成了對(duì)主離合器的合、脫排保護(hù)程序，可防止誤操作。

2.2自動(dòng)化的電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3200t風(fēng)電安裝船采用了柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的全回轉(zhuǎn)舵槳的動(dòng)力裝置系統(tǒng)，與采用電力推進(jìn)系統(tǒng)相比，大大降低營(yíng)運(yùn)及建造成本。通過(guò)對(duì)全船重要設(shè)備的匯總以及該船的工作情況和動(dòng)力需求，對(duì)全船的用電負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算與分析，結(jié)果如表1所示。

表1　3200t風(fēng)電安裝船各工況電力負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

在綜合考慮到短路電流、施工工藝、采購(gòu)成本等情況下，確定全船的電制系統(tǒng)。主電源采用交流AC 400 V、50 Hz三相三線絕緣系統(tǒng)，正常照明和其他弱電設(shè)備系統(tǒng)采用交流AC 220 V、50 Hz、三線和雙線絕緣系統(tǒng)?？紤]到成本問(wèn)題，本船不存在分區(qū)供電的問(wèn)題，220 V主匯流排為整體的一段，220 V主配電板上額定電流小于63 A的用電設(shè)備連接開(kāi)關(guān)采用微型斷路器（MCB）。考慮到變壓器充磁的問(wèn)題，將2臺(tái)主變壓器的連鎖放在次邊做，電力系統(tǒng)總線圖如圖2所示。

圖2　電力系統(tǒng)總線圖

在自動(dòng)電站管理方面，配電板配備1套功率管理系統(tǒng)，控制和管理電網(wǎng)的發(fā)電設(shè)備，確保船舶在所有工況下不間斷供電，為船舶負(fù)載提供足夠的電源。自動(dòng)電站主要保護(hù)全船電網(wǎng)和進(jìn)行電功率的匹配。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)應(yīng)急情況（比如某臺(tái)發(fā)電機(jī)組跳閘）時(shí)，電站保護(hù)系統(tǒng)將在其他運(yùn)行發(fā)電機(jī)組過(guò)載跳閘之前將主推進(jìn)功率降低，不至于全船電網(wǎng)斷電。自動(dòng)電站包括手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)三種操作模式，并具有電網(wǎng)負(fù)載超過(guò)90%（可調(diào)）后自動(dòng)卸載功能、電網(wǎng)負(fù)載減少至35%（可調(diào)）時(shí)運(yùn)行機(jī)組自動(dòng)解列、故障排除后，重要負(fù)載按原順序重新起動(dòng)、大功率的設(shè)備的（吊機(jī)、壓載泵、消防泵） 重載請(qǐng)求/重載問(wèn)訊功能自檢功能、分油機(jī)室油泵和風(fēng)機(jī)緊急切斷、組合啟動(dòng)屏的停止按鈕帶自鎖功能等［3-4］。

2.3DP技術(shù)的風(fēng)機(jī)安裝定位系統(tǒng)

本船設(shè)計(jì)要求為在海上進(jìn)行定位作業(yè)，配置動(dòng)力定位控制系統(tǒng)1套，在船東提出的海況環(huán)境下達(dá)到DP-1的定位能力。本船入級(jí)船級(jí)社為CCS（中國(guó)船級(jí)社），CCS對(duì)DP-1的系統(tǒng)配置有特定的要求。DP定位系統(tǒng)主要有控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、推力系統(tǒng)、位置參考系統(tǒng)和傳感器組成［5］。在DP定位能力和FMEA（故障模式效能分析）后，在首、尾駕駛室各設(shè)置DP控制臺(tái)控制4套主推進(jìn)器系統(tǒng)。最后本船動(dòng)力定位系統(tǒng)采用Kongsberg控制系統(tǒng)，包括風(fēng)速風(fēng)向儀（航行設(shè)備共用）、電羅經(jīng)（航行設(shè)備共用）、MRU船舶姿態(tài)傳感器、2套差分DGPS（差分式全球定位系統(tǒng)）、DP控制臺(tái)（計(jì)算機(jī)）、DP控制器、Joystick（混合聯(lián)動(dòng)操縱桿）控制板、UPS（不間斷電源）等，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖3。

圖3　DP系統(tǒng)框圖

2.4風(fēng)電機(jī)組浮式運(yùn)輸壓縮空氣系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔形基礎(chǔ)為水泥中空結(jié)構(gòu)，表面預(yù)埋吃起孔、灌漿孔。在運(yùn)輸過(guò)程中，風(fēng)電機(jī)組通過(guò)桁架吊機(jī)的固定與扶持穩(wěn)定后，由船上向筒形基礎(chǔ)注入壓縮空氣，使風(fēng)機(jī)底部基礎(chǔ)不浸入水中，吊離水面浮式運(yùn)輸?shù)桨惭b場(chǎng)地。在安裝過(guò)程中需要的為3 000 m3（自由空氣），1.5 MPa壓縮空氣總量。對(duì)于這么大的空氣量，直接配置這么大的空壓機(jī)，無(wú)論從工藝、安裝與建造成本上都不理想。經(jīng)過(guò)多方面論證和綜合考慮，我們采用岸邊提供以及船上配置壓縮機(jī)補(bǔ)充壓縮空氣的供給方案。2 000 m3（自由空氣）壓縮空氣由岸邊提供，船上2臺(tái)服務(wù)壓縮機(jī)提供1 000 m3（自由空氣）壓縮空氣，壓縮機(jī)還有運(yùn)輸過(guò)程中補(bǔ)充氣體的功能。壓縮空氣儲(chǔ)存裝置為 20個(gè)容量5 m3、壓力為3.0 MPa空氣瓶，分別布置在主甲板空氣瓶室，采用多罐并聯(lián)經(jīng)減壓裝置后向風(fēng)電機(jī)組底座基礎(chǔ)充氣，這樣的設(shè)計(jì)減少了服務(wù)空壓機(jī)的容量、臺(tái)數(shù)和空氣瓶的數(shù)量、并減少了設(shè)備的安裝空間，同時(shí)也節(jié)約了成本，詳細(xì)原理圖見(jiàn)圖4。

圖4　風(fēng)電機(jī)組浮式運(yùn)輸壓縮空氣系統(tǒng)

2.5座底高壓沖洗水系統(tǒng)

本船的作業(yè)區(qū)域?yàn)槌遍g帶，在淺灘作業(yè)會(huì)存在座底工況。座底施工后，船底與海床表面存在淤泥，會(huì)對(duì)船底板產(chǎn)生吸附力。當(dāng)完成安裝作業(yè)后，在船舶通過(guò)啟動(dòng)壓載系統(tǒng)上浮的過(guò)程中，為釋放船底與海床的吸附力，配置了高壓沖洗水系統(tǒng)，可以保證該船坐地后順利升起，壓力可隨工作條件調(diào)節(jié)。

高壓沖洗系統(tǒng)由2臺(tái)125 m3/h×6.0 MPa高壓水泵組、高壓水管系、半管式充水槽和高壓水噴頭等組成,沖洗水壓力最高可達(dá)到6.0 MPa，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)下頁(yè)圖5所示。高壓水泵供水水源由船上高壓水艙供給，在高壓水管至高壓水艙之間裝有負(fù)荷卸載管路，超壓時(shí)經(jīng)溢流閥回水到高壓沖洗水艙，啟動(dòng)高壓水泵時(shí)，出水可沿此管路返回高壓沖洗水艙，達(dá)到空載起動(dòng)、減少啟動(dòng)電流的目的。2臺(tái)高壓水泵能就地控制及遠(yuǎn)程控制，并向監(jiān)測(cè)報(bào)警中心輸出故障運(yùn)行信號(hào)。

圖5　高壓沖洗水系統(tǒng)方案示意圖

3　結(jié) 論

中國(guó)的海岸線擁有眾多海上風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電安裝技術(shù)尚處于起步階段，故具有巨大的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)潛能。3 200 t風(fēng)電安裝船為開(kāi)發(fā)創(chuàng)新型的風(fēng)電機(jī)組整體一步式安裝運(yùn)輸船，采用整體探索式設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)技術(shù)，其機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為以后其他風(fēng)電安裝船提供一定的參考和借鑒。

［1］ 孫廣喜,黃亞新.海上風(fēng)電場(chǎng)分體安裝法及其應(yīng)用［J］.中國(guó)工程科學(xué). 2010（11）：53-59.

［2］ 張?zhí)?汪張?zhí)?一種新船型——海上風(fēng)電設(shè)備安裝船的開(kāi)發(fā)［J］.船舶，2009（5）：38-43.

［3］ 中國(guó)船舶工業(yè)公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)（電氣分冊(cè)）［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

［4］ 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編委會(huì).海洋石油工程設(shè)計(jì)指南 第三分冊(cè)（海洋石油工程電氣、儀控、通信設(shè)計(jì)）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［5］ 中國(guó)船級(jí)社.國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范（第四篇 電器裝置）［M］.北京：人民交通出版社，2006.

On design of machinery and electrical system on 3 200 t wind power installation vessel

ZHAO Yuan-yuan
(Department of Technology, Sintong Marine and Offshore Pte., Ltd., Nantong 226004, China)

This paper describes the general layout and main functions of a 3 200 t wind power installation vessel. It introduces and analyzes the propulsion system of azimuthing the rudder driven by diesel engine, the automatic power system, the installation positioning system and the floating transport system of wind power set DP1 (dynamic positioning), and the high-pressure washing system matching to ship bottom. Thereby, it portrays the characteristics and the highlights in the design of the machinery and electrical system.

wind power set; offshore wind power installation vessel; machinery and electrical system design

U674.3

A

1001-9855（2015）02-0094-07

2014-06-23；

2014-07-21

趙媛媛（1983- ），女，助理工程師，研究方向：船舶輪機(jī)和電氣設(shè)計(jì)。