Implementación de un sistema de posicionamiento dinámico basado en Thruster para las granjas eólicas offshore

La energía eólica offshore se está expandiendo rápidamente, con turbinas instaladas más lejos de la costa y en aguas más profundas donde las fuerzas ambientales son más severas. Mantener la estabilidad de posición es fundamental tanto para la estabilidad de la base flotante como para la generación de energía óptima. Un sistema de posicionamiento dinámico basado en impulsores (DP) ofrece una forma activa de mantener una turbina flotante o un recipiente de apoyo en la estación sin depender de sistemas de amarrección pasivos.

El posicionamiento dinámico no es un nuevo concepto en el petróleo y el gas offshore, pero su adaptación para las granjas eólicas requiere una cuidadosa adaptación. A diferencia de un barco de perforación que puede reubicarse, una turbina eólica debe permanecer en una coordenadas fija durante décadas.El sistema DP debe por lo tanto ofrecer alta confiabilidad, bajo consumo de energía y una integración sin costuras con controles de turbina y la red.

Fundamentos de Posicionamiento Dinámico para Aplicaciones de Turbina Viento

Un sistema de posicionamiento dinámico utiliza propulsores controlados por ordenador para contrarrestar fuerzas externas de viento, olas y corrientes, manteniendo una posición y rumbo especificados. Para las turbinas flotantes de viento offshore (FOWTs), el sistema DP funciona en conjunto con la turbina curva#8217; el control de tono y la hidrodinámica flotante para mantener la estructura dentro de un radio apretado, a menudo a pocos metros de la coordenadas objetivo.

Existen dos categorías principales de sistemas de posicion para estructuras flotantes: amarre pasivo (catenario o taut-leg) y DP activo con base en propulsor. Mientras que el amarre es más barato para el agua superficial y las condiciones moderadas, los sitios de aguas profundas favorecen al DP porque elimina los sistemas de anclaje pesado y reduce la huella de los fondos marinos.

Los cuerpos reguladores como los Organización Marítima Internacional (IMO) clasifican los sistemas DP en tres clases de equipos basados en la redundancia. Clase 1 no tiene redundancia, Clase 2 ha duplicado componentes esenciales, y Clase 3 proporciona una redundancia completa con separación física (compartimentos de fuego/aguas). Para las turbinas de viento offshore, Clase 2 es típicamente el estándar mínimo para garantizar operaciones de seguridad y tiempo de mantenimiento, especialmente durante el mantenimiento.

Componentes básicos de un sistema de DP basado en el Thruster

Trompetas

Los tronzados generan las fuerzas laterales y longitudinales necesarias para contrarrestar la deriva. Dos tipos comunes son:

  • Propulsores de azimut: Propulsores montados en los podes que pueden girar 360 grados, proporcionando tanto la dirección como la magnitud del empuje. Son altamente flexibles y pueden utilizarse tanto para el movimiento hacia adelante como lateral.
  • Propulsores de túneles: Se fijan en túneles transversales a través de los cascos o los pontones flotantes, generando solamente fuerza lateral. Son más simples y más baratas pero ofrecen menos maniobrabilidad.

Para una turbina flotante, un conjunto de cuatro propulsores de azimut (uno en cada esquina del flotador) es un arreglo común, proporcionando el control completo de 3 FF. El tamaño del trastador debe considerar las cargas ambientales de peor caso, típicamente una condición de tormenta de 50 años con viento combinado, ola y corriente.

Sensores y sistemas de referencia

La detección exacta de la posición y las fuerzas ambientales es la columna vertebral de cualquier sistema de DP. Los sensores clave incluyen:

  • Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS): Los receptores de GPS o de varias constelación en tiempo real proporcionan posicionamiento de centímetro.
  • Unidades de Medición Inercial (IMUs): Los acelerómetros y giroscopios llenan las brechas entre las actualizaciones de GNSS y proporcionan datos de lanzamiento/roll.
  • Sensores de onda y de Windows: Los anemómetros y radares de onda se alimentan en el control de potencia para ajustar la configuración de impulsor de forma preventiva.
  • Perfiladores actuales: Los perfiles actuales de Doppler acústicos (ADCP) miden la velocidad y la dirección actuales a múltiples profundidades, críticos para una predicción precisa de carga.

Se utilizan múltiples sensores en los sistemas de filtros complementarios o de filtros Kalman para fusionar datos y proporcionar una estimación estatal robusta.

Sistema de control Arquitectura

El sistema de control DP es el cerebro de la operación. Se ejecuta en un sistema de computadora redundante con los siguientes algoritmos de núcleo:

  • estimación estatal:] Filtros Kalman extendidos (EKF) o filtros Kalman no centrados (UKF) estiman la posición, velocidad y fuerzas ambientales de las lecturas de sensores ruidosas.
  • Controlador: Un controlador basado en modelos (a menudo PID con alimentación desde el entorno medido y la lógica de asignación de control) calcula las fuerzas y los momentos necesarios.
  • Tres asignaciones:] Convierte las fuerzas demandadas en comandos de impulsor individuales (rpm, pitch, azimuth angle) al minimizar el uso de energía y evitar interacciones de impulsor.

Los sistemas modernos de DP también incorporan análisis de capacidad de posicionamiento dinamico] utilizando las tramas de capacidad de DP, mostrando la velocidad máxima del viento que el sistema puede manejar en un determinado encabezamiento. Estas tramas son esenciales para la planificación operacional y el cumplimiento de las reglas de la sociedad de clase.

Fuente de alimentación y distribución

Los propulsores requieren una potencia eléctrica sustancial, a menudo en la gama de megavatios para turbinas grandes. La fuente de alimentación debe ser fiable y tolerante a fallas.

  • Generadores diésel dedicados o paquetes de batería híbridos para el sistema DP, separados del generador principal de turbina del viento.
  • Fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS) para ordenadores de control y sensores.
  • Sistema de gestión de energía (PMS) para manejar la distribución de carga y la prevención de apagón.

La integración con la turbina bulb#8217; su propia electrónica de energía es beneficiosa durante el funcionamiento normal, pero la generación de respaldo es necesaria para la supervivencia durante las condiciones de viento calmadas o fallas de la red.

Proceso de implementación: De la Encuesta de Sitios a la Comisión

Paso 1: Evaluación de sitios y datos de Metocean

La recopilación completa de datos ambientales es el primer paso. Esto incluye espectros de onda a largo plazo, corrientes de marea y viento, eventos de tormenta extrema y condiciones de los fondos marinos para cualquier componente de amarre que aún no haya. Datos de Viento Europa] o estudios de metocéan local pueden informar de los criterios de diseño. Las encuestas geotécnicas también ayudan a determinar si una combinación de líneas de amarreducción de potencia y DP es factible.

Paso 2: Diseño de sistemas y dimensionamiento

Usando los datos del sitio, los ingenieros realizan simulaciones de tiempo-dominio para calcular las fuerzas máximas que los propulsores deben contrarrestar. Los parámetros clave incluyen el empuje de turbina del viento, la fuerza de deriva de onda y la arrastre actual. El resultado es un diagrama de capacidad DP que define el sobre operativo seguro. Los tamaños de los trazos (diámetro, potencia, fuerza de impulso) se seleccionan para mantener posición en una tormenta de rendimiento de 100 años con un mínimo de aislamiento.

El diseño del sistema de control incluye elegir el ancho de banda de seguimiento de referencia (cuán rápido puede la turbina seguir la posición ordenada) y ajustar los beneficios del controlador mediante simulación. Se están adoptando enfoques modernos como el control predictivo modelo (MPC) para el DP basado en el impulsor porque pueden manejar restricciones (limites de potencia de la torre, límites de velocidad) explícitamente.

Paso 3: Instalación de hardware

La instalación se produce en un muelle seco (para los flotadores de nueva construcción) o en el sitio utilizando buques de elevación pesada para la reequipación. Los propulsores deben ser montados con alineación adecuada y sellados para prevenir la entrada de agua. Los arrays de sensores se colocan en lugares estratégicos: antenas GNSS en la parte superior de la turbina , UI en el centro flotador, y anemómetros en el caucho de turbina.

Para subestaciones offshore o buques de apoyo utilizados en la instalación de parque eólico, se aplican principios de instalación similares. En algunos casos, un buque flotante equipado con un sistema DP puede posicionarse dinámicamente mientras se monta torres de turbina en el sitio, haciendo que DP basado en empuje sea esencial para la fase de construcción también.

Paso 4: Control de la integración y configuración del software

El software está preconfigurado con el modelo hidrodinámico flotador de turbina y características de impulsor. La integración con el sistema de control de turbina (pitch y y yaw) es crítica: durante vientos altos, la turbina puede yaw para reducir las cargas laterales, y el sistema DP debe adaptarse en consecuencia. Los protocolos de comunicación (por ejemplo, Modbus TCP/IP, OPC UA) se implementan entre el controlador de seguridad, y el sistema DPcri.

Paso 5: Pruebas y calibración

El examen comprende varias etapas:

  • Prueba de aceptación de la fábrica (FAT): Simular el controlador DP en un entorno de hardware en el circuito (HIL) con perturbaciones realistas.
  • Pruebas de muelles: Verificando la rotación del impulsor, el control de la parcela y los tiempos de respuesta sin carga de agua.
  • Pruebas de la segunda: Después de lanzarse, el sistema se prueba en el aumento gradual de los estados del mar. Las maniobras incluyen mantenimiento de estaciones con offsets y cambios de rumbo. Pruebas de la redundancia (insuficiencia aislada de un impulsor o sensor) confirman el sistema DP rest#8217; su capacidad de mantener la posición.
  • Pruebas de tolerancia ambiental: Recuperando algoritmos que compensan las fuerzas ambientales comparando las predicciones de simulación con errores reales medidos.

Todos los exámenes se documentan en un informe de análisis de capacidades de DP según lo exigido por sociedades de clasificación como DNV o Lloyd cosecha#8217;s Register.

Paso 6: Supervisión continua y de la Comisión

Una vez que la prueba tiene éxito, el sistema se encarga de la operación a tiempo completo. Se programa un centro de monitoreo remoto Los indicadores de rendimiento DP (error de posición, carga de propulsor, consumo de combustible) y genera alertas para el mantenimiento. La calibración regular de sensores (por ejemplo, deriva de giro, multipatrón GNSS).El sistema DP también registra todos los eventos para el análisis de post-torment, que se alimenta de las mejoras futuras.

Beneficios operacionales de la PD basada en el Thruster

La implementación de un sistema de DP basado en el impulsor para las granjas eólicas offshore produce múltiples ventajas más allá de las operaciones de mantenimiento de estaciones:

  • Producción de energía más alta: La turbina puede mantenerse alineada con el viento predominante dentro de tolerancias estrechas, maximizando la eficiencia del rotor sin esperar que el amarre pasivo se haga realidad.
  • fatiga estructural reducida: El amortiguamiento activo de los movimientos inducidos por onda reduce las cargas en los componentes de torre y góndola, prolongando la vida útil de la turbina.
  • Menores costos de instalación y mantenimiento: Para las turbinas flotantes, DP elimina la necesidad de grandes anclas y cadenas de amarre, que son costosas de instalar y mantener en aguas profundas.El sistema también facilita el acceso más fácil para los buques de mantenimiento, que pueden atracar dinámicamente.
  • Mejor seguridad: La prevención automática de salida de deriva durante eventos extremos protege al personal durante las visitas de mantenimiento o reparación. El sistema también puede ejecutar secuencias de cierre de emergencia y mantener la turbina en un encabezamiento seguro.
  • [Flexibilidad en el diseño de granjas:] Debido a que el DP permite una colocación y reposicionamiento precisos, las turbinas pueden ser espaciadas de manera más óptima para la gestión de velas y rutas de cableado, mejorando la eficiencia agrícola general.

Problemas y consideraciones prácticas

Pese a los beneficios, la aplicación de un sistema de DP basado en el impulsor no es una pequeña hazaña.

Gastos operacionales y de capital elevado

Los propulsores, generadores y sistemas de control redundantes añaden un coste inicial significativo en relación con el amarre pasivo. Los costos operativos también aumentan debido al combustible (o el desgaste de batería) para los propulsores. Sin embargo, a medida que la industria eólica offshore se desplaza más lejos hacia aguas más profundas, la brecha de costes se reduce porque los sistemas de amarre se vuelven extremadamente pesados y costosos.

Confiabilidad del software y complejidad

El sistema de control DP debe ser capaz de manejar fallos de sensores, filtración de frecuencias de onda y cambios en las condiciones ambientales sin perder posición. Los errores de software o calibración defectuosa pueden conducir a la deriva, colisión con turbinas adyacentes o desconexión de la red. La prueba de rigor y control de versiones rigurosas son obligatorios. La industria está empujando hacia arquitecturas abiertas para permitir la verificación de terceros.

Cumplimiento de la Sociedad Reguladora y de Clase

Los sistemas de turbina eólica carecen actualmente de un estándar internacional dedicado. Las directrices existentes de la OMI DP (MSC/Circ.645) están escritas para buques, no turbinas estacionarias. sociedades de clasificación como DNV han publicado prácticas recomendadas (DNV-RP-E307 para propulsores, DNV-OS-C101 para los sistemas DP), pero los propietarios deben trabajar estrechamente con la clase para definir rutas de cumplimiento alternativo.

Mantenimiento de componentes de subsea

Los propulsores están sumergidos y sujetos a biofoulización, corrosión y crecimiento marítimo. Las inspecciones submarinas regulares (por ejemplo, utilizando los VAB) y los reemplazos de propulsores requieren buques y buzos especializados. La necesidad de mantenimiento puede compensar algunos beneficios operacionales durante el tiempo de inactividad no programada.

Ciberseguridad

Los sistemas modernos de DP están conectados y a menudo son monitorizados a distancia, haciéndolos vulnerables a ciberataques. Una toma maliciosa podría causar que la turbina se deslice y collide con otros. Implementar la segmentación de red robusta, cortafuegos y la comunicación cifrada.El sistema DP también debe tener un control manual con aislamiento físico.

Comercio de consumo de energía

La demanda de energía de los impulsores puede ser alta, especialmente en mares moderados a severos. En una granja de viento flotante, el sistema DP de una sola turbina puede consumir hasta el 10% de su potencia nominal durante las condiciones normales, y más durante las tormentas. Esta pérdida parasitaria reduce la exportación de energía neta. Los avances en estrategias de control, como el uso del rotor de turbina como un > 8220; mango promedio de energía de agua

Future Directions and Innovations

El campo de la PD basada en el impulsor para las granjas eólicas está evolucionando rápidamente.

  • DP autónomo con planificación probabilística: Los sistemas futuros incorporarán la previsión meteorológica para ajustar el empuje y optimizar el uso del combustible de forma preventiva.
  • Integración con servicios de red: Los inversores de propulsión DP pueden proporcionar soporte de energía reactiva a la red cuando no se cargan completamente, convirtiendo la electrónica de energía en un activo valioso.
  • Mantenimiento basado en la condición: Usar datos de vibración de impulsores, análisis de aceite y firmas de par para predecir fallos antes de que ocurran, reduciendo el tiempo de inactividad no planificado.
  • Compartido DP a través de grupos de granjas eólicas: Un único buque de servicio equipado con DP podría posicionarse dinámicamente cerca de turbinas y transferir personal o componentes sin que cada turbina tuviera su propia suite DP completa.

Investigación en instituciones como la Catapulta de energía renovable terrestre está explorando cómo estandarizar las interfaces de DP para la industria eólica para reducir los costos y acelerar el despliegue.

Conclusión

Un sistema de posicionamiento dinámico basado en el empuje ofrece una solución convincente para las granjas eólicas flotantes con el objetivo de una alta estabilidad, seguridad y rendimiento energético en entornos difíciles. La implementación exige un enfoque sistemático: evaluación exhaustiva del sitio, selección cuidadosa de propulsores y hardware de sensores, diseño de algoritmos de control robusto y pruebas exhaustivas. Mientras que los costos y la complejidad siguen siendo más altos que las alternativas pasivas, la flexibilidad, la reducción del impacto del agua marina y la limpieza del DP.