發(fā)布時(shí)間：2019-12-19所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：以一艘雙體風(fēng)電運(yùn)維船為研究對(duì)象，基于頻域水動(dòng)力分析與時(shí)域耦合分析方法，對(duì)其在某海域執(zhí)行海上風(fēng)機(jī)運(yùn)維任務(wù)時(shí)的登靠作業(yè)概率進(jìn)行研究，并對(duì)其在該海域的全年以及分季節(jié)登靠作業(yè)概率和作業(yè)天數(shù)進(jìn)行評(píng)估。計(jì)算結(jié)果表 明，當(dāng)以運(yùn)動(dòng)有義值作為校核標(biāo)準(zhǔn)
摘 要：以一艘雙體風(fēng)電運(yùn)維船為研究對(duì)象，基于頻域水動(dòng)力分析與時(shí)域耦合分析方法，對(duì)其在某海域執(zhí)行海上風(fēng)機(jī)運(yùn)維任務(wù)時(shí)的登靠作業(yè)概率進(jìn)行研究，并對(duì)其在該海域的全年以及分季節(jié)登靠作業(yè)概率和作業(yè)天數(shù)進(jìn)行評(píng)估。計(jì)算結(jié)果表 明，當(dāng)以運(yùn)動(dòng)有義值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，該運(yùn)維船在目標(biāo)海域全年可登靠天數(shù)大于170天，能夠滿足該海域海上風(fēng)機(jī)運(yùn)維要求。本文相關(guān)方法對(duì)于風(fēng)電運(yùn)維船和其他海洋工程作業(yè)船舶作業(yè)能力評(píng)估具有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電運(yùn)維船;作業(yè)概率;WAMIT;OrcaFlex
0 引 言
2016年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量近2200 MW，累計(jì)裝機(jī)容量近14300 MW，德國(guó)和荷蘭分列新增裝機(jī)容量排名的第一和第二，中國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量592MW，排名第三，累計(jì)裝機(jī)容量為1627 MW。雖然歐洲目前處于領(lǐng)先地位，但中國(guó)的海上風(fēng)電也在逐步發(fā)展。2016年12月，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)印發(fā)《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提出加快推進(jìn)已開工海上風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度，積極推動(dòng)后續(xù)海上風(fēng)電項(xiàng)目開工建設(shè)，鼓勵(lì)沿海各省區(qū)市和主要開發(fā)企業(yè)建設(shè)海上風(fēng)電示范項(xiàng)目，帶動(dòng)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。同時(shí)，國(guó)家能源局出臺(tái)的《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》也提出，要積極穩(wěn)妥地推進(jìn)海上風(fēng)電建設(shè)，到2020年，全國(guó)海上風(fēng)電開工建設(shè)規(guī)模達(dá)107kW，力爭(zhēng)累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)5×106kW。中國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)是穩(wěn)中求進(jìn)。在未來幾年，隨著海上風(fēng)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，海上風(fēng)電開發(fā)成本會(huì)進(jìn)一步降低，中國(guó)海上風(fēng)電可能會(huì)取得更快的發(fā)展[1-2]。
海上風(fēng)電運(yùn)維船是用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)的專用船舶。該船舶在波浪中應(yīng)具有良好的運(yùn)動(dòng)性能，在航行中具有很好的舒適性，能夠低速精準(zhǔn)地靠泊至風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)，防止對(duì)基礎(chǔ)造成較大沖擊，并能夠與基礎(chǔ)持續(xù)接觸，安全便利地將人員和設(shè)備運(yùn)送至風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;船舶甲板區(qū)應(yīng)具有存放工具、備品備件等物資的集裝箱或風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)維專用設(shè)備的區(qū)域，并可以進(jìn)行脫卸;船舶還應(yīng)具有運(yùn)維人員短期住宿生活的條件和優(yōu)良、舒適的夜泊功能。
在國(guó)外海上風(fēng)電運(yùn)維過程中，專業(yè)運(yùn)維船作為最重要的可達(dá)性裝備被普遍應(yīng)用于各海上風(fēng)電場(chǎng)，由單體船、雙體船和三體船等船型組成。國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電剛剛起步，運(yùn)維船尚處于起步階段，迫切需要對(duì)運(yùn)維船作業(yè)能力進(jìn)行專業(yè)的分析評(píng)估。當(dāng)前針對(duì)海上風(fēng)電運(yùn)維船，乃至安裝資源都缺乏基于特定海域海況分析得出的作業(yè)概率及作業(yè)能力評(píng)估以作為施工決策依據(jù)，相關(guān)工作的開展還多基于工程經(jīng)驗(yàn)手段。目前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電安裝乃至海洋工程領(lǐng)域?qū)Π惭b資源是否能在作業(yè)海域進(jìn)行作業(yè)、作業(yè)能力如何都缺乏科學(xué)的分析手段。
本文首次針對(duì)風(fēng)電運(yùn)維船展開作業(yè)能力評(píng)估研究，對(duì)目標(biāo)雙體風(fēng)電運(yùn)維船(后文簡(jiǎn)稱運(yùn)維船)在江蘇海域的作業(yè)能力和作業(yè)概率評(píng)估展開分析研究，相關(guān)方法對(duì)風(fēng)電運(yùn)維船和其他風(fēng)電作業(yè)船作業(yè)能力評(píng)估具有一定的借鑒意義，對(duì)于保證海上風(fēng)電安裝和運(yùn)維安全有一定的指導(dǎo)意義。
1 運(yùn)維船基本信息
目標(biāo)運(yùn)維船基本信息見表1。該運(yùn)維船為雙體船，總長(zhǎng)為28m，型寬為10.8m，作業(yè)吃水為2.2m。船首配備運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置，不具備動(dòng)力定位能力，登船裝置運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償能力為2m。運(yùn)維船登靠的風(fēng)機(jī)登船平臺(tái)距水面5m。
2 環(huán)境條件
環(huán)境條件數(shù)據(jù)參考《西北太平洋波浪統(tǒng)計(jì)集》[2]，目標(biāo)海域[3]為 Y2，如 圖 1 所 示，其 緯 度 范 圍 為 31.7°N～35.0°N，經(jīng)度范圍為119.2°E～125.0°E。該海域主要位于長(zhǎng)江口以北的江蘇外海。Y2海域全年有義波高與平均跨零周期散布情況見表2，該海域全年4個(gè)季節(jié)有義波高與平均跨零周期分布見表3。Y2海域有義波高 Hs =0.3～3.6m，對(duì)應(yīng)平均跨零周期Tz =4～7s，分季節(jié)有義波高主要集中在0.3～2.2m，該海域的海況較為溫和。
Y2海域全年及分季節(jié)波浪方向分布如圖2所示。由圖2可知，該海域波向方向特征明顯，以西北-東南向?yàn)橹鳎合囊詵|南向?yàn)橹鳎锒员?西北向?yàn)橹鳌?/p>
3 分析方法
3.1 基本假設(shè)與分析方法
本文針對(duì)目標(biāo)運(yùn)維船在黃海海域登靠風(fēng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)的作業(yè)概率進(jìn)行分析方法研究，考慮到實(shí)際分析需要，作出以下基本假設(shè)：
(1)運(yùn)維船以頂靠方式接近風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)人員登靠，船舶不具備動(dòng)力定位能力，因此假設(shè)運(yùn)維船在迎浪、隨浪方向能實(shí)現(xiàn)順利登靠;
(2)考慮到該海域波浪主方向較為穩(wěn)定，因此假設(shè)風(fēng)機(jī)登船平臺(tái)位于平臺(tái)的東南向;
(3)考慮到運(yùn)維船靠泊后人員登爬風(fēng)機(jī)至頂部機(jī)艙進(jìn)行作業(yè)，該作業(yè)在很大程度上需在風(fēng)速較小的條件下開展，因此假定當(dāng)風(fēng)速小于8m/s時(shí)登靠風(fēng)機(jī)平臺(tái)的運(yùn)維人員可以正常登爬風(fēng)機(jī)進(jìn)行維護(hù)作業(yè)。
分析流程和方法如圖3所示。
具體的分析步驟如下：
(1)根據(jù)運(yùn)維船船體型線圖建立水動(dòng)力分析模型;
(2)根據(jù) Y2海域環(huán)境條件建立全年、分季度的有義波高與譜峰周期TP 關(guān)系;
(3)確定全年、分季度的波向分布特性以及有義波高概率分布函數(shù);
(4)確定在各個(gè)海況作用下運(yùn)維船登船裝置與風(fēng)機(jī)登船平臺(tái)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)值;
(5)結(jié)合波高概率分布函數(shù)以及波向分布，求出全年和分季度的運(yùn)維船作業(yè)概率。
3.2 頻域水動(dòng)力分析與運(yùn)動(dòng)分析
本文采用 WAMIT 軟件對(duì)運(yùn)維船進(jìn)行頻域水動(dòng)力分析。WAMIT 是基于三維勢(shì)流理論進(jìn)行浮體和波浪相互作用分析的軟件，主要解決浮體在環(huán)境載荷作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊定位、海上安裝作業(yè)、船舶航行以及波浪載荷傳 遞 等 方 面 的 問 題[4]。運(yùn)維船的水動(dòng)力系數(shù)、幅 值 響 應(yīng) 算 子(ResponseAmplitudeOperator，RAO)、一階波浪載荷等通過 WAMIT 軟件求解。運(yùn)維船面源水動(dòng)力計(jì)算模型如圖4所示。
風(fēng)電運(yùn)維船登靠作業(yè)概率評(píng)估相關(guān)期刊推薦：《海洋工程》是由中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管、中國(guó)海洋學(xué)會(huì)主辦、南京水利科學(xué)研究院和上海交通大學(xué)承辦的綜合性、科技學(xué)術(shù)刊物。于1983年創(chuàng)刊，季刊，每期發(fā)行3000冊(cè)。主要讀者為從事海洋工程的科研、教學(xué)和工程技術(shù)等人員。面向國(guó)內(nèi)外發(fā)行。主要向國(guó)內(nèi)外介紹我國(guó)海洋工程方面的研究、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)、使用和管理等方面的成果以及學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，擴(kuò)大對(duì)外宣傳和交流。主要刊載離岸工程、海岸工程、海洋能源利用工程、水下工程、潛水技術(shù)、救撈技術(shù)等領(lǐng)域具有理論及實(shí)踐水平的學(xué)術(shù)論文、研究簡(jiǎn)報(bào)、綜合評(píng)論、調(diào)查報(bào)告、成果介紹及學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)報(bào)導(dǎo)。有投稿需求的作者，可以直接與在線編輯聯(lián)系。
運(yùn)維船在波浪作用下的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)使用OrcaFlex軟件進(jìn)行計(jì)算[5]。WAMIT 計(jì)算的水動(dòng)力數(shù)據(jù)導(dǎo)入OrcaFlex中進(jìn)行時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果考慮運(yùn)維船登船位置與風(fēng)機(jī)登船平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，計(jì)算模型如圖5所示。
4 運(yùn)維船作業(yè)概率分析
4.1 運(yùn)維船水動(dòng)力響應(yīng)特性
運(yùn)維船運(yùn)動(dòng)響應(yīng) RAO 如圖6～圖8所示。由于該船尺度和噸位較小，波頻運(yùn)動(dòng)固有周期較小，集中在5s附近，其在大波長(zhǎng)范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)幅值較大，呈現(xiàn)隨波運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，在高海況下船體運(yùn)動(dòng)性能較差。
4.2 全年及分季度海況作用下運(yùn)維船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)
對(duì)運(yùn)維船在全年以及分季節(jié)各個(gè)海況下的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算。此處僅給出全年計(jì)算工況和對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果，見表4、表5，在全年海況下運(yùn)維船登船裝置與風(fēng)機(jī)登船平臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)(簡(jiǎn)稱相對(duì)運(yùn)動(dòng))如圖9所示。由圖9可知，在全年海況作用下，考慮登船系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償：當(dāng)以相對(duì)運(yùn)動(dòng)有義值作為校核標(biāo)準(zhǔn) 時(shí)，相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 小 于2m，對(duì)應(yīng)有義波高在1.6m 以下;當(dāng)以相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)小于1m，對(duì)應(yīng)有義波高在1.0m 以下。隨
著波浪周期的縮短，譜峰周期接近船體運(yùn)動(dòng)固有周期，低譜峰周期條件下波陡較大，此時(shí)運(yùn)維船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)增大。
運(yùn)維船在高海況條件下呈現(xiàn)明顯的隨波運(yùn)動(dòng)。圖10、圖11為 TY07工況下船體運(yùn)動(dòng)時(shí)域截圖，可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)維船在高海況下隨波運(yùn)動(dòng)，升沉運(yùn)動(dòng)明顯。
4.3 全年及分季度海況作用下運(yùn)維船作業(yè)概率
根據(jù)第3節(jié)相關(guān)方法，計(jì)算運(yùn)維船在 Y2海域的全年及分季度作業(yè)限制波高與作業(yè)概率。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)以有義值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，運(yùn)維船最大作業(yè)有義波高為1.6～2.6m，譜峰周期越小作業(yè)限制波高越低，這與之前的運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果 相 一 致;當(dāng)以相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，運(yùn)維船最大作業(yè)有義波高為0.8～1.2m。考 慮 登 爬 風(fēng) 機(jī) 的 風(fēng) 速 限 制 要 求：當(dāng)以有義值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，運(yùn)維船最大作業(yè)有義波高為1.6m;當(dāng)以相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，運(yùn)維船最大作業(yè)有義波高為0.8m。
最終給出運(yùn)維船在目標(biāo)海域的全年以及分季度作業(yè)概率以及對(duì)應(yīng)作業(yè)天數(shù)，見表6。
當(dāng)以相對(duì)運(yùn)動(dòng)有義值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，該船在目標(biāo)海域全年的可作業(yè)天數(shù)在170d左右：運(yùn)維船在春季和夏季作業(yè)天數(shù)較多，分別為45d和47d;秋季和冬季作業(yè)天數(shù)略少，分別為37d和33d。當(dāng)以相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大值作為校核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，該船在目標(biāo)海域全年的可作業(yè)天數(shù)在140d左右：運(yùn)維船在春季和夏季作業(yè)天數(shù)較多，分別為35d和38d;秋季和冬季作業(yè)天數(shù)略少，分別為31d和24d。
考慮到當(dāng)前國(guó)內(nèi)運(yùn)維船通常作業(yè)時(shí)間為1～2d，作業(yè)天數(shù)分析結(jié)果顯示該船具有較強(qiáng)的作業(yè)能力，能夠滿足相關(guān)海域的海上風(fēng)機(jī)運(yùn)維要求。
5 結(jié) 論
本文對(duì)一條雙體運(yùn)維船在江蘇黃海海域的全年作業(yè)概率與作業(yè)天數(shù)進(jìn)行研究，最終結(jié)果顯示該船在該海域有較強(qiáng)的作業(yè)能力，能夠滿足該海域海上風(fēng)機(jī)的運(yùn)維要求。
采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)有義值和最大值作為作業(yè)能力校核標(biāo)準(zhǔn)最終得出的運(yùn)維船最大限制波高區(qū)別較大。真實(shí)海況呈現(xiàn)較強(qiáng)的非線性和隨機(jī)性，在運(yùn)維船上的人員登上風(fēng)機(jī)平臺(tái)的過程中，船體時(shí)刻處于運(yùn)動(dòng)之中，考慮到人員安全，針對(duì)本文的運(yùn)維船以及目標(biāo)海域，具體建議見表7。
為了提高運(yùn)維船的作業(yè)能力，可以考慮對(duì)運(yùn)維船進(jìn)行有針對(duì)性的主尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)，配備動(dòng)力定位系統(tǒng)以適應(yīng)不同波浪方向作用，提高運(yùn)維船的登靠能力，同時(shí)建議運(yùn)維船配備全面的天氣預(yù)報(bào)和檢測(cè)系統(tǒng)，以保障運(yùn)維人員安全登靠。風(fēng)機(jī)登靠平臺(tái)放置位置應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)睾Ｓ虻闹鞑ㄏ颉?/p>
