风电安装船装载计算软件设计与开发

李子凡，周喜宁，张卫，秦小龙

(1.招商局邮轮制造有限公司，江苏 南通 226000；2.招商局重工(江苏)有限公司，江苏 南通 226000)

随着能源短缺和全球变暖问题的日益加剧，风能作为一种可再生的绿色能源越来越受到重视。由于海上的风能资源丰富，海上风力发电项目具有巨大的市场竞争力[1-2]。风电安装船是建设海上风电项目的重要装备，在使用过程中，需要进行压载水调节，以保证作业安全、平稳地进行。没有配备装载计算软件的安装船，作业人员需采用表格形式进行装载计算，此工作不仅繁琐，而且容易出现错误[3]。而采用计算软件则可以减轻作业人员工作量，提高调载效率。风电安装船的装载计算软件需具备液舱调载，重量、重心计算，桩腿反力计算等基本功能。考虑上述需求，基于QT5.7平台框架设计开发适用于风电安装船的装载计算软件。

1 装载计算软件总体构架

选择QT5.7跨平台开发框架，因为它具有可移植性高，后期维护方便等特性。

考虑到使用者的需求，装载计算软件需具备良好的可视化窗口，交互性强，操作简单等特点，装载计算软件的功能系统划分见图1。

图1 装载计算软件功能系统划分

软件界面按照该型风电安装船上其他操作软件界面风格进行设计，分为菜单栏，液舱显示/操作区域，稳性和桩腿支反力校核区域，危险提示区域组成。其中液舱显示区域的液舱位置与舱容图中液舱位置一一对应，并显示相应液舱属性数据，包括总舱容，当前液体体积，液位高度及容积百分比。本软件界面简单清晰，通俗易懂，交互性友好。

2 液舱调载

液舱调载可分为单次调载和自动调载，单次调载需要经验丰富的作业者，通过调节液位，进而判断稳性数据是否满足要求，若不满足，则需继续调节各压载水舱液位，直到满足操船手册要求为止。自动调载则避免的这以繁琐步骤，作业者通过设定最大横倾角，纵倾角，吃水或者最大升船重量及升船重心位置与桩腿型心偏差大小，即可自动求解出一组满足于操船手册要求的压载水舱液位值。

所有的工况都需要满足操船手册的要求，在不同工况下，本平台需要满足的要求，见表1。

表1 不同工况下调载要求

在漂浮工况下，最大横倾角，纵倾角需要小于0.3°；在所有的站桩工况下，每条桩腿许用预压载要小于3 750 t。

2.1 定义初始状态及工况

空船重量及重心位置，桩腿重量及重心位置需要经过倾斜试验测量，并且通过船级社批准。上述数据一般情况下不允许修改，但是平台经过海上作业以后，由于腐蚀，维修换板等原因，空船重量及重心位置可能会出现小范围的偏差。因此，在修改上述数据时，需要结合管理密码才能修改，保证数据的安全性及后期的可维护性。

风电安装船作业工况主要分为漂浮工况和站桩工况2大类，漂浮工况又分为风场迁移工况和远洋迁移工况；站桩工况则可以细分为预压载工况、升降工况、站立工况、起重工况和风暴自存工况。

2.2 单次调载

调载计算的数据依据为经船级社认可的舱深表和静水力表，将舱深表和静水力表中信息以字段的形式存储在数据库中，用户输入指定液舱目标液位后，数据库自动搜索该液舱设定液位附近范围内的属性值，如装载量，重心位置，自由液面等。通过插值求解得到指定液位液舱的属性信息。

计算得到所有液舱属性信息后，叠加空船重量及临时重量，求解得到当前状态下漂浮重量及重心位置。通过静水力表查询当前状态的吃水及浮心位置，并与操船手册比较，判读是否需要继续执行单次调载，具体流程见图2。

图2 单次调载计算流程

2.3 自动调载

船舶压载水单次调节流程，需要经验丰富的作业人员逐个修改压载舱的液位，并且压载水调用量也因个人经验而不同。为了提高调载效率，对系统采用规划求解算法，在给定吃水，横倾角，纵倾角，升船重量，以及重心偏差后，以压载量变化为目标，自动求解各压载舱液位，求解方程如下。

(1)

应用举例。设定吃水为a=3.873 m，横倾角纵倾角为b=0.1°,c=0.1°，在满足操船手册的要求情况下，依据上述原理，点击优化计算，自动调载，求解得到各压载舱的液位高度见图3。

图3 自动调载功能演示

3 稳性及桩腿反力计算

风电安装船在漂浮工况下需要进行稳性计算(见图4)，在站桩工况需要进行桩腿受力分析。

图4 漂浮工况下的稳性计算结果输出

本软件集成静力学公式，基于数据库中的船级社认可后的舱深及静水力数据，可以计算出不同工况下漂浮总重量及重心浮心位置，横倾角，纵倾角，临时总重量，当前工况下压载水总量，剩余燃油重量，桩腿支反力，船重心与桩腿形心的位置偏差等。

3.1 稳性计算

漂浮工况下平台的横倾角、纵倾角、自由液面修正后的重心高度的计算如下。

(2)

(3)

(4)

式中：TCG，LCG，VCG，Heel，Trim，W_F分别为平台重心的横向、纵向和垂向坐标、横倾斜和纵倾角、漂浮重量；KML，KMT为纵向和横向的稳性高。FSML，FSMT为自由液面修正。

3.2 桩腿反力计算

站桩工况下，出于船舶安全考虑，操船手册规定，平台重心位置与桩腿型心位置偏差不允许超过1 m。船舶重心位置与桩腿型心位置偏差以及每条桩腿的支反力通过下述方程组求解。

(5)

(6)

式中：x1，x2，x3，x4依次为艉部和艏部每条桩腿的纵向坐标；y1，y2，y3，y4x4依次为艉部和艏部每条桩腿的横向坐标；F1，F2，F3，F4为每条桩腿的支反力；LEGx为桩腿形心纵向坐标；TEGy为桩腿形心横向坐标；W_E为升船重量；Deviation为升船重心与桩腿重心偏差值。

图5为站桩工况下装载计算软件的桩腿反力输出。

图5 站桩工况下装载计算软件的桩腿反力输出

4 其他功能

4.1 文件处理

本软件可以打开该船的总布置图、舱容图及操船手册，使用者通过上述文件可以快速了解本船的设备布置，舱室位置以及操作要求。在稳性校核时，需要输入船上临时设备的重量及重心位置数据，若使用纸质版总图量取位置，精确度不高，本软件设置CAD输入端接口，可以直接打开总布置CAD图纸，使用者可以在上述图纸中量取临时设备位置，本软件可以添加50项临时设备重量参与稳性校核。

4.2 危险提示

该系统的主要目的是为了方便使用者尽快判断当前压载舱的液位调节是否满足操船手册要求。当调载不满足上述要求时，危险提示对话框背景会自动显示为红色，并提示错误原因，船员可依据提示，重新进行调载，直到满足要求为止。

4.3 报告输出

系统可以一键输出当前工况下的调载报告，包括所有固体可变载荷，液体可变载荷，稳性数据，许用重心高度判断结果，桩腿支反力计算结果等。计算结果不满足船级社规范或者操船手册要求时，自动加粗显示不满足要求的内容，近一步确保数据的准确性。

4.4 安全管理

为了保证默认数据不被修改，该系统添加了秘钥管理功能，以及使用帮助文件。

5 结论

基于QT5.7跨平台软件开发框架，提出了一种风电安装船装载计算软件的设计方法，与一般装载计算软件相比具备液位自动调节功能。目前已经两型风电安装船上投入使用，用户反映良好。

本软件的自动调载是以最小压载水调节量为目标，采用规划求解法，在满足稳性和操船手册的要求下，实现各压载舱液位的自动计算，使压载水得到合理充分地利用，提高了调载效率。自动调节未考虑压载舱调载顺序的优化，后续可进行压载舱调载次序和调载量的多目标优化。