海上风电场运维抢修船的电气设计

福建省福船海洋工程技术研究院有限公司 汤增广

海上风电场运维抢修船的电气设计

福建省福船海洋工程技术研究院有限公司 汤增广

随着海上风电技术的日益成熟，我国海上风电产业进入了迅猛发展的时代。与此同时，风电场的日常运行维护、故障抢修以及运维技术人员和工具设备的运输等都成为迫切需要关注的问题。风电场运维抢修船作为海上风电场日常运维抢修和人员安全登离风塔的便利交通工具，对其研究开发具有重要的现实意义。基于风电场运维抢修船的使用要求，该文主要介绍42m海上风电场双体运维抢修船电气专业设计，包括电力系统、动力定位系统、登乘梯系统、通信报警系统等，并提出了一些特殊的电气解决方案，优化了电气设备的配置。这些设计思路，可为将来运维抢修船的研究开发和设计提供一些参考。

风电场运维抢修船 电力系统 动力定位 登乘梯 电气设计

根据国家发展规划，到2020年我国预计投入运行的海上风电装机容量将达到3000万kW。福建风电场规划目前有14个，总规划装机容量达575万kW。目前取得国家能源局批准，已开展前期工作的是：莆田平海湾和南日岛等风电项目。海上风电场建成后，需要对其进行运维工作。根据现有国外使用经验测算，每个标准海域内20万kW的风电场至少需要配套3艘运维船舶。由此可见，运维船的市场需求是相当可观的。然而，当前我国的风电场运维船主要由非专用船舶来兼用，如交通艇、货船、渔船等，缺乏专业性。

本文介绍的42m海上风电双体运维抢修船正是基于当前市场的需求而考虑设计的，该船作为海上风能源项目的配套船舶，主要用于风电场的日常运维、故障抢修和运维技术人员及工具设备的运输。

1 项目简介

本项目为42m海上风电双体运维抢修船。该船为双体、双机、双桨自航船。其主船体为钢质，上层建筑为铝合金，配备风浪补偿登乘系统、甲板吊机、风塔与风机维修工具以及风机齿轮加油系统，并具有宽大的开敞作业甲板。主尺度(总长×型宽×型深)为42.00m×11.50m×4.00m，设计吃水为1.97m，航速为16.4kn，可搭乘35名作业人员，入级CCS，具有DP-2附加标志。目标作业航区为福建沿海，亦可兼顾中国其他沿海航区。

该船是由2台船用高速柴油机（主机）经齿轮箱传递，分别驱动2台定螺距全回转对转桨，并且在艏部配置了2台由电力驱动的侧推器。

动力装置配置如表1所示。

表1 动力装置配置

42m海上风电双体运维抢修船主要功能有：

(1)快速响应进行抢修运维作业，并且满足福建风电场全年280天以上的出航任务。

(2)运载35名运维技术人员、工具及较小的风机配件等。

(3)在海况为：风速≤6级风（13.8m/s）、有义波高≤3.0m、水流≤2.4knots下，实现DP-2的定位功能，并通过风浪补偿登乘梯来保证人员安全上下风塔平台。

2 电力系统设计

2.1 电制

本船主电源采用AC400V 50Hz三相三线绝缘系统，动力设备采用AC380V 50Hz三相三线系统，正常照明采用AC220V 50Hz 三相三线（主干）系统和单相双线（分支）系统，应急照明采用DC24V双线绝缘系统，通信报警系统采用AC220V 50Hz单相双线系统或DC24V 双线绝缘系统，无线电通信导航设备采用AC220V 50Hz 单相双线系统或DC24V 双线绝缘系统。

2.2 工况使用情况

根据电力负荷计算，各工况下发电机组使用情况如表2所示。

表2 各工况下发电机组使用情况单位：额定功率×数量（台）

在“航行”“停泊”工况下，1台260kW的发电机运行，可满足全船供电需求。

在“进出港”工况下，1台400kW的发电机运行，可满足全船供电需求。

在“DP作业”工况下，恶劣海况时，联络开关均断开，3台发电机分区供电。

在“DP作业”工况下，较好海况时，根据用电所需，任意选择2台发电机分区运行供电。

在“DP作业”工况下，最大单点故障时，任意两台非故障发电机分区或并车运行供电。

2.3 配电系统设计特点

本船采用分区独立供电，主配电板汇流排之间采用联络开关联接。其中联络开关可由功率管理单元控制。该船的配电系统单线图见图1。

按照图1所示配电系统，当任何一处单点故障发生时，至少仍能保证对船舶具有一半的操纵能力，降低主电网失电风险。本船配备2台艏侧推和1台风浪补偿登乘梯，其耗电功率较大。同时，根据电力负荷的计算，最终确定采用两大一小的发电机组功率配置方案。因发电机组尺寸相对较大，故将3台发电机组分别安装在左右机舱片体、发电机舱。对应的配电板也布置于相应3个处所。配电板上主开关、联络开关、负载开关之间采用短延时整定时间的不同来满足规范对系统选择性保护的要求。为满足具有DP-2的附加标志，这就对系统供配电、电缆走向和电气设备布置提出了更高的要求，全船的配电网络按照冗余对称结构进行设置，对于所有重要负载布置均为冗余对称，保证在设计环境条件下发生最大单点故障时，船舶仍具有船东认可的定位能力。

图1 配电系统单线图

3 动力定位系统在海上风电场运维作业的应用

船舶动力定位是一项能够保证船舶在海洋干扰（风、浪、流）环境下保持位置和艏向的高新技术，不仅应用于石油和天然气等海洋勘探开发，还广泛应用于电缆与管道敷设及维修、风电场运维、海上救援、援潜救生等领域。对于具有一定难度和危险的船舶，动力定位系统（动力系统、推进系统、控制系统和测量系统）都采用了冗余技术（DP-2或DP-3）设计以保证系统的可靠性。本船需经常性地穿梭于海上风电场，并将运维人员送上风塔，因此需要在风塔旁进行可靠的定位，故为其配置一套动力定位系统是非常有必要的。该船需满足在福建所有风电场恶劣海况下（风速≤6级风、有义波高≤3.0m、水流≤2.4knots），能实现DP-2的定位功能。本船入级CCS（中国船级社）,动力定位系统满足CCS对DP-2的特殊要求，具有足够的冗余度，在任何单点故障情况下可不中断保持定位功能。其中单点故障包括任何运动部件的故障和系统的单个故障。

3.1 动力定位系统配置

本船动力定位系统主要包含动力系统、推进系统、动力定位控制系统、测量系统和独立的联合操纵杆系统、UPS电源及打印机。本船动力定位系统配置方案见图2。

图2 动力定位系统配置方案

动力系统由2套功率为895kW的柴油机、3套柴油发电机组（其中2套功率为400kW，1套功率为250kW）及3套配电板组成。配电板分别设置于左右机舱、发电机舱，两台艏侧推分别由左右机舱的配电板汇流排供电。在配电板设有功率管理单元（PMS），对电力系统进行控制、保护和监测，能按负荷大小自动起停解列发电机组，自动并车并进行负载分配及联络开关的控制。

推进系统由2套全回转舵桨推进装置和2套艏侧推装置组成。主推进装置为全回转对转舵桨，由主机驱动，额定功率为895kW，推力为7.7t；艏侧推装置为定距桨，由电力驱动，功率为280kw，推力为4.6t，采用变频控制。

控制系统配置2套控制计算机、并且相互冗余，系统软件包含用于登乘风塔操作的功能。控制系统还配置了2台互为备用的DP主操作站和一套独立的Joystick系统。每台DP主操作站包含对2套全回转舵桨推进装置、2套艏侧推装置、位置参考单元的控制和反馈信息的连接。当在线的DP控制器发生故障时，系统会迅速切换至备用控制器，仍保持船舶的DP控制。Joystick系统完全独立于DP系统的连接，所有来往于推进装置的信号须单独设置，保证在DP系统故障发生时能手动进行船舶操纵而不使用参考系统。

测量系统应设置成即使单个传感器输入丢失也不会损害船舶的DP控制能力。根据CCS对DP-2的要求，本船DP系统配置了如下传感器：2套电罗经、2套风向风速仪、2套DGPS、1套激光位置传感器、2套运动参考单元（MRU）。

3.2动力定位系统能力分析

评估船舶动力定位系统的重要指标是其所具备的定位能力。本船的动力定位能力分析的蝴蝶图见图3，其中图3-a为推进系统完好工况下，流速0～3knts，抵抗风载荷的情况；图3-b为左艏侧推进器失效工况下，流速0～3knts，抵抗风载荷的情况；图3-c为左艉主推进器失效工况下，流速0～3knts，抵抗风载荷的情况。

图3 动力定位能力分析蝴蝶图

从以上分析结果可以看出，在恶劣海况并发生最大单点故障情况下，该船在大多角度已无法实现定位。但当风舷角为-30°～30°（顶风）及120°～240°（逆风）时，在设计要求的海况下，船舶仍能实现定位，即在该环境载荷下仍能满足船舶出航进行抢修作业，但此时的动力定位能力需得到船东的认可。由此可见，动力定位系统的引入，使得船舶能在恶劣海况及船舶单一故障发生情况下仍能进行运维作业，也使得该船成为真正意义上的运维抢修船。

4 风浪补偿登乘梯系统在海上风电场的应用

本船所担负的另一个重要任务，就是把运维人员安全送上风塔。这就需要一个可靠的登乘梯系统。在本船主甲板尾部设有一套主动风浪补偿登乘梯装置，其伸缩范围为7～11m，登乘高度为12m，俯仰角为±20°，可在360°方向上旋转，具有6个方向运动自由度（纵向、横向、垂向、俯仰、侧倾、航向）的补偿。

该登乘梯装置主要由液压动力单元（舷梯旋转及伸缩、6自由度主动补偿）、控制单元和信号灯系统等组成。

该登乘梯控制箱布置于登乘梯附近，主要功能包括控制登乘梯的旋转及伸缩、监测登乘梯运行状态并进行与风塔的连接或断开、根据海况环境及设备运行状态分析并输出信号至信号灯系统对运维人员的登离做出指示。6自由度运动主动补偿功能由该系统自带控制装置自动控制，无需人工干预。该登乘梯装置设有应急操作系统，当其动力装置电源出现故障时，能自动脱开与风塔平台的连接，并保证登乘梯通道的位置，由人工进行回收及存放。信号系统用于指示运维人员登离，指示灯有红、黄、绿三种颜色。红灯表示设备故障，不允许登离；黄灯表示系统未进入稳定状态；绿灯系统表示运行正常，运维人员允许登离风塔平台。此外，舷梯装置与DP-2动力定位系统设有电气接口，可通过接入DP-2动力定位系统的传感器参数（位置、动作、艏向、风速风向）进行更加精确的补偿控制。

目前，国内的运维船大多未设有专用的登乘系统，或者仅设置了简易的登乘梯，而该风浪补偿登乘梯的设置，使得船舶与风机承台可以保持一定距离而不需紧紧靠泊在风机承台上，并且能在较大潮差及风浪下使运维人员安全平稳的往返于本船与风塔之间，在较大程度上满足了船舶在海上风电场特殊作业工况下的使用要求，

5 船内通信报警系统

本船船内通信及报警系统主要包括：声力电话系统、应急主机传令钟系统、公共广播系统、通用紧急报警系统、火灾报警系统和轮机员呼叫报警系统等。本船出航进行运维作业时，可载运35名运维人员。因运维人员需离开船舶至风电场进行作业，故不能做为特殊人员考虑。而目前规范对风电场运维人员还未有明确定义。由于其人数达到35名，已达到规范对客船载客人数要求的规定，故本船的设计还需满足规范对客船的相关要求。船内通信及报警设备中需特别考虑的是公共广播系统和通用紧急报警系统。规范要求公共广播系统应能在驾驶室同时向船员和乘员或两者通常所在的处所及集合站发送广播信息，同时也能分别向船员和乘员发送广播信息。通用紧急报警系统则应能将通用紧急报警信号分别向船员和乘员，以及同时向两者发出。

6 风电场设备运行维护监控系统

本船能通过船载卫星通信系统或3G/4G网络连接接入风电场设备运行维护监控系统，能够快速准确的捕捉、记录、跟踪现场或客户的各种服务要求，及时受理并作出响应。该系统根据故障的影响级别或者客户要求的紧急程度等确定服务优先级，然后通过电子海图系统的定位导航功能快速准确的到达故障现场进行运维抢修作业，很大程度上提高运维服务的效率。该系统的设置，使得船舶成为风电场运行维护监控系统海上的一个延伸，增加了风电场运维的机动性。

7 无线电通信导航系统

本船无线电通信导航系统包含无线电通信设备及航行设备。为了保证本船与其它船舶、风塔人员及岸基的通信联络，本船无线电通信设备的配备按GMDSS A1+A2海区的要求配置。同时，为了保证本船在海上执行抢修任务时的正常航行安全，本船的导航设备按规范对中国沿海航区船舶的要求配置。另外，因本船作业目的地为风电场，考虑船舶经常性脱离正常航道，故配置较高性能的电子海图仪系统及回声测深仪系统。

8 结束语

海上风电场具有风资源优越、环保、节约土地、规模大等优势，我国拥有1.8万km的海岸线及300多万km2的管辖海域，具有巨大的市场开发潜能。作为风电场不可或缺的配套项目，风电运维抢修船同样有着非常乐观的前景。42m海上风电双体运维抢修船为开发创新型的风电运维、运输、抢修船，采用双体船型，借鉴海工船的设计思路，而动力定位系统与风浪补偿登乘梯系统的配合相得益彰，该电气系统的设计有其独特的设计特点，希望能为今后海上风电场运维船的设计提供一些参考。

[1] 中国船级社.钢质海船入级规范[S]. 2015.

[2] 中国船舶工业集团有限公司.船舶设计实用手册（电气分册），2013.

[3] ABS.GUIDE FOR CERTIFICATION OF OFFSHORE ACCESS GANGWAYS，2016.

[4] (美) M.J.Morgan. 耿恵彬,译.近海船舶的动力定位[M]. 北京: 国防工业出版社, 1984.

[5] 朱永强 张旭.风电场电气系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.

[6] 叶杭冶.风力发电机系统的设计、运行与维护[M]. 北京: 电子工业出版社, 2014.