כיצד ליישם מערכת מיקום דינמי מבוסס Thruster עבור Offshore Wind Farms

יישום מערכת מיקום דינמי המבוססת על Thruster עבור Offshore Wind Farms

אנרגיית רוח Offshore מתרחבת במהירות, עם טורבינות להיות מותקנת רחוק מהחוף וממים עמוקים יותר שבו כוחות סביבתיים חמורים יותר.שמירה על יציבות עמדה היא קריטית עבור יציבות הבסיס הצף ודור כוח אופטימלי. מערכת דינמי מבוסס דחף (DP) מציעה דרך פעילה להחזיק טורבינת רוח צף או כלי תמיכה בתחנת ללא להסתמך על מערכות מחוספס פסיבי. מאמר זה מספק מדריך מפורט, מעשי להבנה, יישום מערכת רוח כזו, יישום עבור משקים, תכנון אוויר.

מיקום דינמי אינו מושג חדש בנפט וגז offshore, אבל ההתאמה שלו עבור חוות רוח דורשת התאמה זהירה.בניגוד ספינת קידוח שיכולה ללקט, טורבינות רוח חייבת להישאר בקואורדינט קבוע במשך עשרות שנים.מערכת העקורים חייבת לספק אמינות גבוהה, צריכת חשמל נמוכה, ושילוב חלקה עם בקרות טורבינות ורשת.

יסודות של מיקום דינמי עבור Wind Turbine Applications

מערכת מיקום דינמי משתמשת בדחפורים מבוקרים מחשב כדי למנוע כוחות חיצוניים מן הרוח, הגלים והזרמים, שמירה על עמדה מוגדרת וכותרת.עבור טורבינות רוח צפות (FOWTs), מערכת הDP פועלת בשיתוף עם טורבינות & #8217; שליטה על המגרש ואת הידרודינמיקה הצף כדי לשמור את המבנה בתוך רדיוס חזק, לעתים קרובות רק כמה מטרים מן היעד לתאם.

ישנם שתי קטגוריות עיקריות של מערכות שמירה על מיקום עבור מבנים צפים: מתח פסיבי (catenary or taut-leg) ו DP פעיל מבוסס דחף פעיל, בעוד mooring הוא זול יותר עבור מים רדודים ותנאים מתון, אתרי מים עמוקים מעדיפים DP כי זה מבטל מערכות עוגן כבד ולהפחית את טביעת הרגל קרקעית הים המודרנית.

הגופים המתקדמים כגון FLT:0 [הארגון הימי הבינלאומי של הסתדרות 1] (IMO) מסווגים מערכות DP לשלושה כיתות ציוד המבוססות על ריצוף.שיעור 1 אין כל ריצוף, דרגה 2 שכפל מרכיבים חיוניים, ו Class 3 מספקת ריצוף מלא עם הפרדה פיזית (אש / מיליטנטים).

המונחים: Thruster-based DP System

Thrusters

Thrusters לייצר את הכוחות המאוחרים והארוכים הדרושים כדי למנוע סחף.שני סוגים נפוצים הם:

(ב) ⁇ :0) דחפורים: פוד-העליונים שיכולים לסובב 360 מעלות, לספק את הכיוון והעוצמה הדחוף ביותר.
(ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

עבור טורבינה צף, קבוצה של ארבעה דחףים אנזימוט (אחד בכל פינה של הצף) הוא סידור משותף, מתן שליטה מלאה 3DOF. Thruster sizing חייב לשקול את העומס הסביבתי הגרוע ביותר, בדרך כלל מצב סערה 50 שנים עם רוח משולבת, גל, זרם.

חיישנים ומערכות הפניה

שמירה על מיקום וכוחות סביבתיים היא עמוד השדרה של כל מערכת DP. Keyחיישנים כוללים:

(FLT:0 Globalניווט Satellite Systems (GNSS): GNSS:FIRLT:1) ⁇ בזמן אמת (RTK) GPS או מקלטים רב-תחומיים מספקים מיקום ברמה גבוהה.
(FLT:0) יחידות מדידה אינפורמטיביות (IMUsrovment): FLT:1 Accelerometers ו-gyroscopes ממלאים פערים בין עדכוני גנוס ולספק נתונים של סט/roll.
(ב) ,0) חיישנים של גל: 10:1 , 000 ; מילימטרים גל להאכיל קדימה כדי להתאים מראש הגדרות דחף.
(FLT:0) פרופילים טורנטים: FLT:1 Acous Doppler הנוכחי פרופילים (ADCP) מודדים את המהירות הנוכחית ואת הכיוון במעמקים רבים, קריטי עבור חיזוי עומס מדויק.

חיישנים מרובים משמשים מסנן משלימים או תוכניות מסנן Kalman כדי למזג נתונים ולספק הערכה ממשלתית.

מערכת בקרת אדריכלות

מערכת הבקרה של DP היא המוח של המבצע.זה פועל על מערכת מחשב מרוקנת עם אלגוריתמי הליבה הבאים:

(FLT:0) המדינה estimation:FLT:1Build Kalman filters (EKF) או מסננים של Kalman (UKF) להעריך את המיקום או המטריד, מהירות וכוח סביבתי ממקרי החיישן רועשים.
(FLT:0)Controller:FLT:1 ,בקר מבוסס מודל (לעתים קרובות PID עם הזנה קדימה מן הסביבה נמדדת ולשלוט בהקצאת לוגיקה) מחשב את הכוחות והרגעים הדרושים.
(ב) ⁇ :0) הקצאת הקצאות: 1FLT הופך את הכוחות המבוקשים לפקודות דחף אינדיבידואליות (פם, חתונות, זווית עצלות) תוך צמצום השימוש בכוח והימנעות מאינטראקציות דחף.

מערכות DP מודרניות משלבות גם את יכולת הניתוח של יכולת ה-DP:0 (איור:0) דינמיות, כלומר, באמצעות מזימה של יכולת DP, המציגה את מהירות הרוח המקסימלית שהמערכת יכולה להתמודד עם כותרת נתונה.

כוח אספקה ופצה

Thrusters דורש חשמל חשמלי משמעותי, לעתים קרובות בטווח מגהוואט עבור טורבינות גדולות.אספקת החשמל חייבת להיות אמינה ומסוכנת.

גנרטורים דיזל ייעודיים או ערכות סוללות היברידיות עבור מערכת DP, בנפרד מן טורבינות הרוח & #8217; גנרטור הראשי.
אספקה בלתי ניתנת לעצירה (UPS) עבור מחשבים וחיישנים.
מערכת ניהול חשמל (PMS) כדי להתמודד עם שיתוף עומס ומניעת Blackout.

שילוב עם טורבינות & #8217; אלקטרוניקה של כוח משלו מועיל במהלך פעולה נורמלית, אבל הדור גיבוי הוא הכרחי להישרדות במהלך תנאי רוח רגועים או תקלות רשת.

תהליך יישום: מ- Site Survey ועד לנציבות

שלב 1: הערכת אתר ונתוני Metocean

אוסף מקיף של נתונים סביבתיים הוא הצעד הראשון.זה כולל ספירת גל לטווח ארוך, זרם מלוטש ורוחות המונעות על ידי רוח, אירועי סערה קיצוניים, ותנאים קרקעיים עבור כל מרכיבי טיהור שנותרו.הנתונים מ FLT:0WindEuropeveFLT:1 או מחקרים מקומיים metocean יכולים להודיע את הקריטריונים של עיצוב.

שלב 2: עיצוב מערכת ו Sizing

באמצעות נתוני האתר, מהנדסים מבצעים סימולציות זמן כדי לחשב את הכוחות המרביים כי הדחפורים חייבים לפעול. פרמטרים מרכזיים כוללים דחפור טורבינות מרוח, גל סחף כוח, וגרור הנוכחי.התוצאה היא DP יכולת DP המגדירה את המעטפה התפעולית הבטוחה. Thruster גדלים (דמטר, כוח דחף), כוח דחף) נבחרים כך שהמערכת יכולה לעמוד ב -100 שנים אחורה עם מספר מינימלי של דרישות מחלקה 2Gaterater לפחות עבור תאים של 2Gateraterateraterateraterateraterater לפחות, 2, כוח דחף, כוח, כוח, כוח דחף, כוח דחף, כוח דחף, כוח דחף, כוח דחף, כוח, כוח דחף, כוח דחף, כוח דחף, כוח, כוח דחף) נבחרים כך שהמערכת יכולה להיות בעלת מספר 2Gateer 3 , כוח דחף דחף דחף, כוח דחף דחף דחף דחף דחף) נבחרים כך שהמערכת יכולה לעמוד ב , כוח דחף דחף דחף דחף דחף חזק יותר, כוח דחף דחף דחף חזק יותר, כוח דחף דחף דחף דחף, כוח דחף) נבחרים כך שהמערכת יכולה לעמוד ב , כוח דחף דחף דחף דחף דחף חזק יותר, כוח דחף) נבחרים כך שהמערכת יכולה לעמוד ב

תכנון מערכת בקרה כולל בחירת רוחב פס מעקב (כמה מהר טורבינות יכול לעקוב אחר המיקום הצוווי) וכוונון את הבקר מרוויח באמצעות סימולציה.גישות מודרניות כמו בקרת חיזוי מודל (MPC) מאומצים עבור DP מבוסס דחף מכיוון שהם יכולים להתמודד עם מגבלות (מגבלות הכוח של הסטר, מגבלות קצב) במפורש.

שלב 3: ההתקנה של חומרה

ההתקנה מתרחשת גם בעגינה יבשה (עבור צפים חדשים) או באתר באמצעות כלי שיט כבדים לרענן. Thrusters חייב להיות רכוב עם היערכות נכונה וחתומה כדי למנוע מים בהתקפה. חיישנים ממוקמים במקומות אסטרטגיים: GNSS על גבי תא טורבינות, IMUs במרכז הצף, ו anmometers על מרכז טורבינות.

עבור תת-תתתות או כלי תמיכה המשמשים בהתקנה של רוח, עקרונות התקנה דומים חלים.במקרים מסוימים, כלי התקנה צף מצויד במערכת DP יכול להיות במיקום דינמי בזמן מגדלי טורבינות מתפתלים באתר, מה שהופך DP מבוסס דחף חיוני גם עבור שלב הבנייה.

שלב 4: בקרת תוכנה וחלוקת

התוכנה מוגדרת מראש עם מודל הידרודינמי צף ומאפיינים דחף.אינטגרציה עם מערכת בקרת טורבינות (pitch and yaw) היא קריטית: במהלך רוחות גבוהות, טורבינות יכולה לכווץ עומסים מאוחרים יותר, ואת מערכת DP צריך להתאים בהתאם.פרוטוקולים תקשורת (למשל, Modbus TCP/IP, OPCA) מבוססים בין בקר, DP וחיישנים, יש צורך להפעיל את אמצעי אבטחה.

שלב 5: בדיקה ו- Calibration

בדיקות כוללות מספר שלבים:

מבחן קבלה (FLT:0)Factory Acceptation test (FAT): VEFLT:1 סימולציה של בקר ה-DP בסביבה חומרה-in-the-loop (HIL) עם הפרעות ריאליות.
(ב) עיין בפסקאות:0) ,51: 1 (ב) , ראה את הסבב, שליטה על המגרש, וזמני תגובה ללא עומס מים.
(FLT:0)Sea Trials: FLT:1 לאחר ההשקה, המערכת נבדקה בהדרגה במדינות הים גדל בהדרגה. Maneuvers כוללים תחזוקת תחנה עם מדפים ושינויים בכותרות. בדיקות רדונדנסיות (הלא כשלון של דחף או חיישן) לאשר את מערכת DP & #8217; היכולת לשמור על מיקום.
(FLT:0) בדיקות סובלנות סביבתית: FIRLT:1 אלגוריתמים קלברלינג לפצות על כוחות סביבתיים על ידי השוואת תחזיות עם שגיאות נמדדות בפועל.

כל הבדיקות מתועדות בדו"ח ניתוח יכולת DP כפי שנדרש על ידי חברות סיווג כגון:0DNVirFLT 1 או לויד & #8217; רישום.

שלב 6: נציבות והמשך מעקב

לאחר שבדיקות מוצלחות, המערכת מיועדת לפעולה במשרה מלאה.מרכז ניטור מרחוק עוקב אחר אינדיקטורים ביצועי DP (טעות, עומס דחף, צריכת דלק) ומייצרת התראות לתחזוקה. calibration רגיל של חיישנים (למשל, גיירו סחף, GNSS multipath) מתוכנן גם כן.מערכת ה-DP מאגדת את כל האירועים לסיעור לאחר סופה, אשר מאכילה בחזרה לשיפורים עתידיים בעיצוב.

היתרונות של Thruster- Based DP

יישום מערכת DP מבוססת דחף עבור חוות רוח offshore מניב יתרונות מרובים מעבר רק תחזוקת תחנה:

(ב) ייצור אנרגיה גבוה יותר: 1FLT:1 טורבינות יכול להישאר תואמים עם הרוח השוררת בתוך סובלנות הדוקה, למקסם את יעילות רוטטור ללא לחכות לעומס פסיבי אמיתי.
(FLT:0) הוליד עייפות מבנית:FLT:1 Active לחות של תנועות מושרה גל מפחיתה עומסים על המגדל ועל רכיבי התא, המשתרע על תוחלת החיים של טורבינות.
(FLT:0) עלויות ההתקנה והתחזוקה של התחזוקה:FLT:1 עבור טורבינות צף, DP מבטל את הצורך בעוגן ושרשראות גדולות, אשר יקרים להתקין ולשמור במים עמוקים.המערכת גם מקלה על גישה קלה יותר עבור כלי תחזוקה, אשר יכול לעגון דינמי.
(FLT:0) שיפור הבטיחות: FLT:1rea מניעה אוטומטית סחף-מפלט במהלך אירועים קיצוניים מגן על אנשי הצוות במהלך תחזוקה או תיקון ביקורים.המערכת יכולה גם לבצע רצף של השבתת חירום ולקיים את הטורבינה בשדרה בטוחה.
(FLT:0) lexibility in Farm פריסת:FLT:1 כי DP מאפשר מיקום מדויק והגדרה מחדש, טורבינות ניתן לגלגל בצורה אופטימלית יותר עבור דרכי ניהול וקנוניה, שיפור היעילות הכוללת של החווה.

אתגרים ושיקולים מעשיים

למרות היתרונות, יישום מערכת DP מבוססת דחף אינו הישג קטן.האתגרים הבאים יש לטפל:

עלויות הון ומבצע

Thrusters, גנרטורים ומערכות בקרה אדומות להוסיף עלות הון גבוה יחסית לעלויות פאסיביות.מבצעיות גם עלייה עקב דלק (או ללבוש סוללה) עבור הדחפורים.עם זאת, כמו תעשיית הרוח offshore נעה רחוק יותר בחוץ למים עמוקים יותר, פערי העלות צרים כי מערכות mooring הופכות כבדות ויקרות מאוד.

אמינות תוכנה ומורכבות

מערכת הבקרה של DP חייבת להיות מסוגלת להתמודד עם כשלי חיישן, סינון תדר הגל, ושינוי תנאים סביבתיים ללא אובדן מיקום. תולעי תוכנה או קלברציה פגומה עלולה להוביל לסחף, התנגשות עם טורבינות צמודות, או ניתוק רשת. בדיקות ריגוריגול קפדניות שליטה בגירסה קפדנית הם חובה.התעשייה דוחפת לעבר ארכיטקטורות פתוחות כדי לאפשר אימות צד שלישי.

סליחות ו- Class Society Compliance

מערכות DP טורבינות רוח חסרות כיום תקן בינלאומי ייעודי.קיימות הנחיות DP (MSC/Circ.645) כתובות עבור כלי שיט, לא טורבינות נייחיות. חברות סיווג כמו DNV פרסמו שיטות ממליצות (DNV-RP-E307 עבור ניצוצות, DNV-OS-C101 עבור מערכות DP), אבל בעלי עסקים קרובים עם מעמד כדי להגדיר תאימות, בנוסף לשילוב של מערכת העצבים (R) ו-R.

תחזוקה של צוללות

Thrusters הם submerged וכפוף biofouling, קורוזיה, וצמיחה ימית.רגיל בדיקות תת-ימיות קבוע (למשל, שימוש ROVs) ותחליפים דחף דורשים כלי שיט מיוחדים ו divers.הצורך תחזוקה עשוי לזרז כמה רווחים מבצעיים במהלך זמן לא מכוונן.

אבטחת סייבר

מערכות DP מודרניות מוכנסות ולעתים קרובות במעקב מרחוק, מה שהופך אותם פגיעים להתקפות סייבר. a Takeover זדוני יכול לגרום לטורבינה לסחף ולהתנגש עם אחרים.להטמיע פערי רשת חזקים, חומות אש ותקשורת מוצפנת.מערכת ה-DP צריכה להיות גם מתקפת ידנית עם בידוד פיזי.

כוח סחר-offs

הביקוש לכוח Thruster יכול להיות גבוה, במיוחד בים בינוני עד חמור.בחוות רוח צף, מערכת DP של טורבינות אחת עשויה לצרוך עד 10% מכוח הדירוג שלה בתנאים רגילים, ועוד במהלך הסערה.הפסד צנחני זה מקטין את יצוא האנרגיה הנקי.קידום אסטרטגיות שליטה, כגון שימוש בטור טורבינה כמו A & #8220; ,2, כדי להפחית עומסים, יכול גם להפחית את צריכת החשמל נמוכה יותר.

כיוונים עתידיים וחדשנות

תחום ה-DP מבוסס דחף עבור חוות רוח מתפתח במהירות.מגמות מפתח כוללות:

(FLT:0) DP עם תכנון פרוביביליסטי: FLT:1 מערכות עתידיות תכלול תחזית מזג אוויר להתאמה מוקדמת של צריכת דלק ואופטימיזציה.
(FLT:0) אינטגרציה עם שירותי רשת:FIRLT:1 DP דחףers יכול לספק תמיכה כוח תגובתי לרשת כאשר לא טעון לחלוטין, להפוך את אלקטרוניקה כוח לתוך נכס יקר.
(FLT:0) תחזוקה מבוססת ההסגרה: FLT:1hiling נתונים של רטט, ניתוח שמן וחתימות torque כדי לחזות כישלונות לפני שהם מתרחשים, צמצום זמן השבתה לא מתוכנן.
(FLT:0)Shared DP על פני אשכולות של חווה רוח: אנדרל 1) כלי שירות יחיד מצויד DP-e מאובזר יכול להיות במיקום דינמי ליד טורבינות ולהעביר אנשי צוות או רכיבים ללא כל טורבינות שיש לו חבילת DP מלאה משלו.

מחקר במוסדות כגון FLT:0 (Offshore Renewable Energy) CatapultearFLT:1 הוא חקר כיצד לתקן ממשקי DP עבור תעשיית הרוח עלויות נמוכות יותר להאיץ את הפריסה.

מסקנה

מערכת מיקום דינמי המבוססת על דחף מציעה פתרון משכנע עבור חוות רוח צפות שמטרתה יציבות גבוהה, בטיחות, ותשואות אנרגיה בסביבה קשה. יישום דורש גישה שיטתית: הערכה באתר יסודי, בחירה זהירה של דחף וחומרה חיישן, עיצוב אלגוריתם שליטה חזק, ובדיקה ממצה של אנרגיה מתחדשת בדיוק בעוד עלויות ומורכבות נשאר גבוה יותר מאשר חלופות פסיביות, את ההשפעה קרקעית הים מופחתת, ואת תחנת לחץ מדויק לעשות שינוי עמוק עבור מים יציבים.