3200t风电安装船的机电系统设计

赵媛媛

（南通欣通船舶与海洋工程设计有限公司 南通226004）

3200t风电安装船的机电系统设计

赵媛媛

（南通欣通船舶与海洋工程设计有限公司 南通226004）

简述了3 200 t风电安装船的总体布置及主要功能,针对柴油机驱动的全回转舵桨的动力推进装置、自动化的电站系统、风电机组DP1（动力定位）安装定位系统、风电机组的浮式运输系统和船舶座底配套高压冲洗水系统方案进行介绍与分析，从而描绘出该船在机电系统设计方面的特点与亮点。

风电机组；海上风电安装船；机电系统设计

引 言

风力发电机组是风力发电电源的核心组成部分，主要包括筒体、机头、叶片及其基础（以下简称风电机组）。风电机组主要的功能是将海上风能转为电能，属于清洁能源，其前景、经济效益非常可观。风电机组一般安装在近海，主要有分体式海上安装和整机式海上安装两种方式。海上安装方法分为通用海上浮吊安装法、海洋平台安装法和风机专用安装船安装法。近阶段采用专用安装船的安装方法比较多。海上风电安装船主要是为在海上安装风电机组的配套专用设备，目前我国的风电安装船的设计技术也取得了突破，但整体技术还处于起步与探索阶段［1-2］。

3200t海上风电安装船为海上风电能源项目的配套船舶，主要用于整体一步式安装风电机组，即从风电机组的组装场地到海上风力发电场，并负责将风电机组一次性放置到位，将船舶运输、自航功能、座底、自升、起重功能融为一体。

1　项目总体介绍

本船是一艘自航（在运输过程中）大型重吊船，主尺度（长×宽×型深）为 138.0 m×66.0 m×11.25 m 、设计吃水为5.0 m 、排水量为30 000 t、航速为5 kn、船级社为CCS ，可以最大整机运输重3 200 t、筒体最高90 m的风电机组，为海上风电项目，于2012年开始建造。

本船首尾各有1个C形槽，整体组装后的风电机组整体拖曳到本船首尾C形槽内。底部为水泥中空塔形基础。运输过程中，塔形基础中注满压缩空气实现浮式运输。首尾左、右舷各布置1台柴油机驱动的全回转舵桨，到达安装场地后，采用动力定位系统确定安装位置；同时，塔形基础中排出压缩空气并注入压载水，通过重力作用安装风电机组于海床上。首、尾配备2台3 200 t固定桁架式吊机，用于起、吊风电机组及在风电机组运输过程中固定扶持作用。本船在潮间带作业时可以座底，并配有船舶上浮时的船底冲洗装置。

图1　总布置图

另外，采用的3 200 t桁架吊机为本船风电机组安装时的特殊和关键设备，其技术参数如下：桁架吊机采用滑轮升降形式，主要靠安装在桁架底部的3台卷扬机来实现，可以起重3 200 t。吊机总高度为68.0 m、中间环梁直径为35 m、门架主梁底面离船体表面为30 m。起升高度为水上6 m、起升速度为0.7 m/min、装机容量为750 kW、整机重1 100 t。

3200t风电安装船主要功能如下：

（1）本船可实现动力定位功能（DP1），定位精度为0.5 m。动力定位作业海况为：风力≤7级（蒲氏风标）、水流≤2 m/s、有义波高≤9.0 m。

（2）可以同时装载2个3 200 t风电机组。

（3）具有自航与运输能力。

（4）可以在近海及潮间带作业。

（5）船上定员为60人。

2　机电系统的设计特点

具有创新理念的大型整体式风电安装运输船，采用了目前造船业的先进理念，主要体现在：采用柴油机驱动的全回转舵桨的动力推进装置；自动化的电站系统；采用DP技术的风机安装定位系统；风电机组的浮式运输系统；船舶座底配套高压冲洗水系统。

2.1柴油机驱动的全回转舵桨的动力系统

为满足风机安装精度误差为0.5 m，配置动力定位控制用于风、水流干扰下船舶位置的调整。用于动力定位的推进模块，采用柴油机驱动Z型全回转舵桨的推进系统，根据动力定位能力分析结果，在首、尾左右舷的推进舱室里各设置1台2 000 kW柴油主机和1台2 206 kW的Z形全回转舵桨（共4套装置）。在进行安装作业时，通过拖轮拖带将本船拖于近海作业区域（潮间带），然后依靠自身舵桨的推进系统进行移动、定位、安装座底和风机。

在采用柴油机驱动Z型全回转舵桨的动力推进装置系统里，推进主机、全回转舵桨的控制模块、系统的技术接口对本船完成风电安装功能起到了至关重要的作用，在与多方协调后，确定了以下方案：

（1）主机控制系统

4台主机采用气电主机遥控系统，每台主机具有一套遥控系统，4套控制系统相互独立。主机系统工作模式分以下2种：航行模式及DP定位作业模式，首尾两个驾驶室均作为主驾驶室并且都具有航行与DP定位时的作业功能。在航行模式，尾部驾驶室控制首部2台主机，尾部2台主机不运行；首部驾驶室控制尾部2台主机，首部2台主机不运行；DP定位作业模式，首部2台主机和尾部2台主机可同时运行。在首、尾驾驶室和机舱集控室分别可对主机进行遥控操作，在驾控台和机舱集控台上设有监视主机正常运行的仪表及指示系统，并设有主机各种声光报警指示。另外，机旁设有必要的仪表，用来保证机旁操作。主推进系统应配置与DP1系统要求的技术接口，具有人工越控功能，同时驾驶室应该设有对主机进行应急停车的装置（该装置独立于主机遥控系统）。

（2）全回转舵桨系统

全回转舵桨采用4台Z形全回转推进器，最大输入功率为2 206 kW，最大输入转速为1 000 r/min；最大输入扭矩为23 500 N·m；螺旋桨中心距离为3 300 mm ； 螺旋桨直径为 2 650 mm ；舵桨转舵速度为15 ～18 °/s ；重约5 t（含油料）。整个装置由液压回转操作系统控制其回转，控制系统采用220 V主电源，应急电源为DC 24 V；尾部驾驶室设1个舵桨控制报警板，完成对首部2台全回转舵桨的随动遥控功能；首部驾驶室1个舵桨控制报警板，完成对尾部2台全回转螺旋桨的随动遥控功能；每套全回转舵桨系统配有舵角反馈机构、中央控制箱，用来对回转和转速进行应急控制，回转机构和主机转速可在驾控台由1个混合式控制手柄控制，水平转动手柄可以对螺旋桨进行360°回转操作，同时扳动手柄可使主机转速在怠速与全速之间进行调整。

这样的设计可以在系统故障或者电源失电的情况下快速选择使用备用模式，主机转速通过加速、减速按钮的方式进行控制。此外，系统集成了对主离合器的合、脱排保护程序，可防止误操作。

2.2自动化的电站系统设计

3200t风电安装船采用了柴油机驱动的全回转舵桨的动力装置系统，与采用电力推进系统相比，大大降低营运及建造成本。通过对全船重要设备的汇总以及该船的工作情况和动力需求，对全船的用电负荷进行计算与分析，结果如表1所示。

表1　3200t风电安装船各工况电力负荷计算结果

在综合考虑到短路电流、施工工艺、采购成本等情况下，确定全船的电制系统。主电源采用交流AC 400 V、50 Hz三相三线绝缘系统，正常照明和其他弱电设备系统采用交流AC 220 V、50 Hz、三线和双线绝缘系统。考虑到成本问题，本船不存在分区供电的问题，220 V主汇流排为整体的一段，220 V主配电板上额定电流小于63 A的用电设备连接开关采用微型断路器（MCB）。考虑到变压器充磁的问题，将2台主变压器的连锁放在次边做，电力系统总线图如图2所示。

图2　电力系统总线图

在自动电站管理方面，配电板配备1套功率管理系统，控制和管理电网的发电设备，确保船舶在所有工况下不间断供电，为船舶负载提供足够的电源。自动电站主要保护全船电网和进行电功率的匹配。当电网出现应急情况（比如某台发电机组跳闸）时，电站保护系统将在其他运行发电机组过载跳闸之前将主推进功率降低，不至于全船电网断电。自动电站包括手动、半自动、自动三种操作模式，并具有电网负载超过90%（可调）后自动卸载功能、电网负载减少至35%（可调）时运行机组自动解列、故障排除后，重要负载按原顺序重新起动、大功率的设备的（吊机、压载泵、消防泵） 重载请求/重载问讯功能自检功能、分油机室油泵和风机紧急切断、组合启动屏的停止按钮带自锁功能等［3-4］。

2.3DP技术的风机安装定位系统

本船设计要求为在海上进行定位作业，配置动力定位控制系统1套，在船东提出的海况环境下达到DP-1的定位能力。本船入级船级社为CCS（中国船级社），CCS对DP-1的系统配置有特定的要求。DP定位系统主要有控制系统、动力系统、推力系统、位置参考系统和传感器组成［5］。在DP定位能力和FMEA（故障模式效能分析）后，在首、尾驾驶室各设置DP控制台控制4套主推进器系统。最后本船动力定位系统采用Kongsberg控制系统，包括风速风向仪（航行设备共用）、电罗经（航行设备共用）、MRU船舶姿态传感器、2套差分DGPS（差分式全球定位系统）、DP控制台（计算机）、DP控制器、Joystick（混合联动操纵杆）控制板、UPS（不间断电源）等，系统框图见图3。

图3　DP系统框图

2.4风电机组浮式运输压缩空气系统

风力发电机组的塔形基础为水泥中空结构，表面预埋吃起孔、灌浆孔。在运输过程中，风电机组通过桁架吊机的固定与扶持稳定后，由船上向筒形基础注入压缩空气，使风机底部基础不浸入水中，吊离水面浮式运输到安装场地。在安装过程中需要的为3 000 m3（自由空气），1.5 MPa压缩空气总量。对于这么大的空气量，直接配置这么大的空压机，无论从工艺、安装与建造成本上都不理想。经过多方面论证和综合考虑，我们采用岸边提供以及船上配置压缩机补充压缩空气的供给方案。2 000 m3（自由空气）压缩空气由岸边提供，船上2台服务压缩机提供1 000 m3（自由空气）压缩空气，压缩机还有运输过程中补充气体的功能。压缩空气储存装置为 20个容量5 m3、压力为3.0 MPa空气瓶，分别布置在主甲板空气瓶室，采用多罐并联经减压装置后向风电机组底座基础充气，这样的设计减少了服务空压机的容量、台数和空气瓶的数量、并减少了设备的安装空间，同时也节约了成本，详细原理图见图4。

图4　风电机组浮式运输压缩空气系统

2.5座底高压冲洗水系统

本船的作业区域为潮间带，在浅滩作业会存在座底工况。座底施工后，船底与海床表面存在淤泥，会对船底板产生吸附力。当完成安装作业后，在船舶通过启动压载系统上浮的过程中，为释放船底与海床的吸附力，配置了高压冲洗水系统，可以保证该船坐地后顺利升起，压力可随工作条件调节。

高压冲洗系统由2台125 m3/h×6.0 MPa高压水泵组、高压水管系、半管式充水槽和高压水喷头等组成,冲洗水压力最高可达到6.0 MPa，系统设计方案见下页图5所示。高压水泵供水水源由船上高压水舱供给，在高压水管至高压水舱之间装有负荷卸载管路，超压时经溢流阀回水到高压冲洗水舱，启动高压水泵时，出水可沿此管路返回高压冲洗水舱，达到空载起动、减少启动电流的目的。2台高压水泵能就地控制及远程控制，并向监测报警中心输出故障运行信号。

图5　高压冲洗水系统方案示意图

3　结 论

中国的海岸线拥有众多海上风电场，风电安装技术尚处于起步阶段，故具有巨大的市场开发潜能。3 200 t风电安装船为开发创新型的风电机组整体一步式安装运输船，采用整体探索式设计理念和先进技术，其机电系统设计有其独特的设计特点，为以后其他风电安装船提供一定的参考和借鉴。

［1］ 孙广喜,黄亚新.海上风电场分体安装法及其应用［J］.中国工程科学. 2010（11）：53-59.

［2］ 张太佶,汪张棠.一种新船型——海上风电设备安装船的开发［J］.船舶，2009（5）：38-43.

［3］ 中国船舶工业公司.船舶设计实用手册（电气分册）［M］.北京：国防工业出版社，2002.

［4］ 海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程设计指南 第三分册（海洋石油工程电气、仪控、通信设计）［M］.北京：石油工业出版社，2007.

［5］ 中国船级社.国内航行海船建造规范（第四篇 电器装置）［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

赵媛媛（1983- ），女，助理工程师，研究方向：船舶轮机和电气设计。