Implementare un sistema di posizionamento dinamico basato su Thruster per le aziende eoliche offshore

L'energia eolica offshore si sta espandendo rapidamente, con turbine in fase di installazione più lontano dalla riva e in acque più profonde dove le forze ambientali sono più severe. Mantenere la stabilità della posizione è fondamentale sia per la stabilità della fondazione galleggiante che per la generazione di potenza ottimale. Un sistema di posizionamento dinamico basato su propulsore (DP) offre un modo attivo per contenere una turbina eolica galleggiante o un veicolo di supporto su una stazione senza ricorrere a sistemi di ormeggio passivi.

Il posizionamento dinamico non è un nuovo concetto di petrolio e gas offshore, ma il suo adattamento per le aziende eoliche richiede un'attenta sartoria.A differenza di una nave di perforazione che può essere spostata, una turbina eolica deve rimanere in una coordinata fissa per decenni.Il sistema DP deve quindi fornire alta affidabilità, basso consumo energetico e integrazione senza soluzione di continuità con i controlli delle turbine e la rete.

Fondamenti di posizionamento dinamico per applicazioni eoliche

Per le turbine eoliche offshore galleggianti (FOWTs), il sistema DP funziona in combinazione con la turbina’ il controllo del passo e l'idrodinamica del galleggiante per mantenere la struttura entro un raggio stretto, spesso a pochi metri dalla coordinata di destinazione.

Ci sono due categorie principali di sistemi di posizionamento per le strutture galleggianti: ormeggio passivo (catenaria o taut-leg) e DP attivo a base di propulsore. Mentre l'ormeggio è più economico per le acque basse e le condizioni moderate, i siti di acque profonde favoriscono DP perché elimina i sistemi di ancoraggio pesanti e riduce l'impronta del fondale marino.

I corpi regolamentari come l'Organizzazione marittima internazionale [] (IMO) classificano i sistemi DP in tre classi di attrezzature basate sulla ridondanza. La classe 1 non ha ridondanza, la classe 2 ha componenti essenziali duplicati e la classe 3 fornisce la completa ridondanza con la separazione fisica (scambi antincendio/watertight).

Componenti fondamentali di un sistema DP basato su Thruster

Trasmettitori

I trasmettitori generano le forze laterali e longitudinali necessarie per contrastare la deriva.

  • Propulsori azimutati:[ Eliche a pod che possono ruotare a 360 gradi, fornendo sia la direzione di spinta che la magnitudine. Sono altamente flessibili e possono essere utilizzati sia per il movimento avanti che laterale.
  • Propulsori a tunnel:[] Fisso in gallerie trasversali attraverso i pontoni a scafo o a galleggiante, generando solo la forza laterale. Sono più semplici e più economici ma offrono meno manovrabilità.

Per una turbina galleggiante, un insieme di quattro propulsori azimutali (uno ad ogni angolo del galleggiante) è un accordo comune, fornendo il controllo completo di 3DOF. Il dimensionamento del trasmettitore deve considerare i carichi ambientali peggiori, in genere una condizione di tempesta di 50 anni con vento combinato, onda e corrente.

Sensori e sistemi di riferimento

Il rilevamento preciso delle forze di posizione e ambientali è la colonna portante di qualsiasi sistema DP. I sensori chiave includono:

  • Sistemi satellitari di navigazione globale (GNSS):[] I ricevitori GPS o multi-constellation in tempo reale (RTK) forniscono un posizionamento a livello di centimetri.
  • Unità di misura inerziale (IMU): Accelerometro e giroscopi colmano le lacune tra gli aggiornamenti di GNSS e forniscono dati di pitch/roll.
  • Sensori di potenza e d'onda:[ Anemometro e radar d'onda si alimentano nel controllo di alimentazione per regolare preventivamente le impostazioni del propulsore.
  • Profili di corrente:[ I profiler di corrente di Doppler acustici (ADCP) misurano la velocità e la direzione corrente a più profondità, critici per una precisa previsione del carico.

I sensori multipli sono utilizzati in sistemi di filtro complementari o di filtro Kalman per fondere i dati e fornire una stima dello stato robusta.

Sistema di controllo Architettura

Il sistema di controllo DP è il cervello dell'operazione, che funziona su un sistema computer ridondante con i seguenti algoritmi di base:

  • State stima:[[] Filtri Kalman estesi (EKF) o filtri Kalman non accentati (UKF) stimano posizione nave/turbina, velocità e forze ambientali da letture sensori rumorose.
  • Controller:[]] Un controller basato sul modello (spesso PID con feedforward da ambiente misurato e logica di allocazione di controllo) calcola le forze e i momenti richiesti.
  • Allocazione del punto:[] Converte le forze richieste in singoli comandi di propulsore (rpm, pitch, angolo di azimut) minimizzando l'utilizzo di energia ed evitando le interazioni del propulsore.

I moderni sistemi DP incorporano anche l'analisi delle capacità di posizionamento [[dinamica[[]]] utilizzando i diagrammi di capacità DP, mostrando la massima velocità del vento che il sistema può gestire in una determinata voce.

Alimentazione e distribuzione

I trasmettitori richiedono una notevole potenza elettrica, spesso nella gamma megawatt per grandi turbine. L'alimentazione deve essere affidabile e tollerante.

  • Generatori diesel dedicati o batterie ibride per il sistema DP, separati dalla turbina eolica e dal generatore principale.
  • Alimentatori senza interruzioni (UPS) per computer e sensori di controllo.
  • Sistema di gestione del potere (PMS) per gestire la condivisione del carico e la prevenzione del blackout.

L'integrazione con la turbina’ la propria elettronica di alimentazione è utile durante il normale funzionamento, ma la generazione di backup è necessaria per la sopravvivenza durante le condizioni di vento calmo o guasti della griglia.

Processo di attuazione: Dall'indagine sul sito alla Commissione

Passo 1: Valutazione del sito e dati Metocean

La raccolta completa di dati ambientali è il primo passo: comprende spettri d'onda a lungo termine, correnti di marea e vento-driven, eventi di tempesta estrema e condizioni di fondale per qualsiasi componente di ormeggio residuo. I dati da WindEurope[]] o studi metocei locali possono informare i criteri di progettazione.

Fase 2: Progettazione e dimensionamento di sistema

I parametri chiave includono la spinta della turbina dal vento, dalla forza della deriva dell'onda e dalla resistenza corrente. Il risultato è un diagramma di capacità DP che definisce la busta di funzionamento sicura. Le dimensioni del trasmettitore (diametro, potenza, forza di spinta) sono selezionate in modo che il sistema possa tenere la posizione in un periodo di ritorno di 100 anni con un margine di sicurezza.

Il design del sistema di controllo include la scelta della larghezza di banda di monitoraggio di riferimento (come velocemente la turbina può seguire la posizione comandata) e la messa a punto dei guadagni del controller tramite la simulazione.

Passo 3: Installazione hardware

L'installazione avviene sia in un bacino asciutto (per i nuovi carri) che in loco utilizzando i vasi pesanti per il retrofitting. I trasmettitori devono essere montati con un allineamento adeguato e sigillati per prevenire l'ingresso dell'acqua. I sistemi di sensori sono posizionati in posizioni strategiche: le antenne GNSS in cima alla turbina nacelle, le IMU al centro galleggiante e gli anemometro sul mozzo della turbina.

Per le sottostazioni offshore o i vasi di supporto utilizzati nell'installazione di parchi eolici, si applicano i principi di installazione simili. In alcuni casi, un vaso di installazione galleggiante dotato di un sistema DP può posizionare dinamicamente mentre assemblando torri di turbine in loco, rendendo essenziale il DP a base di propulsore per la fase di costruzione.

Passo 4: Integrazione e configurazione del software di controllo

L'integrazione con il sistema di controllo della turbina (pitch e yaw) è fondamentale: durante gli alti venti, la turbina può sbavare per ridurre i carichi laterali, e il sistema DP dovrebbe adattarsi di conseguenza. I protocolli di comunicazione (ad esempio, Modbus TCP/IP, OPC UA) sono stabiliti tra il controller DP, le misure di sicurezza implementate e i sensori.

Passo 5: Test e calibrazione

La prova comprende diverse fasi:

  • Prova di accettazione di fabbrica (FAT): Simulare il controller DP in un ambiente hardware-in-the-loop (HIL) con disturbi realistici.
  • Prove di bacino di carico:[] Verificare la rotazione del propulsore, il controllo del passo e i tempi di risposta senza carico dell'acqua.
  • Prove di sicurezza:[] Dopo il lancio, il sistema viene testato in progressiva crescita degli stati marini. I maneuver includono la manutenzione delle stazioni con gli offset e le modifiche delle voci.
  • Test di tolleranza ambientale:[] Algoritmi di calibrazione che compensano le forze ambientali confrontando le previsioni di simulazione con errori misurati reali.

Tutti i test sono documentati in un rapporto di analisi delle capacità DP, come richiesto dalle società di classificazione come [DNV] o Lloyd’s Register.

Fase 6: Controllo continuo e Commissione

Un centro di monitoraggio remoto traccia gli indicatori di performance DP (errore di posizionamento, carico di spinta, consumo di carburante) e genera avvisi per la manutenzione. È prevista una calibrazione regolare dei sensori (ad esempio, la deriva di gyro, il multipath GNSS). Il sistema DP registra anche tutti gli eventi per l'analisi post-storm, che si alimentano di nuovo ai futuri miglioramenti del design.

Benefici operativi del DP basato sul Thruster

L'implementazione di un sistema DP basato su propulsore per le aziende eoliche offshore offre vantaggi multipli oltre la semplice manutenzione della stazione:

  • Produzione di energia più elevata:[ La turbina può rimanere allineata al vento prevalente entro tolleranze strette, massimizzando l'efficienza del rotore senza aspettare che l'ormeggio passivo si riallinei.
  • L'affaticamento strutturale redotto:[] L'umidificazione attiva dei movimenti indotti dalle onde riduce i carichi sulla torre e sui componenti della nacelle, estendendo la durata della turbina.
  • I costi di installazione e manutenzione ridotti:[ Per turbine galleggianti, DP elimina la necessità di grandi ancoraggi e catene di ormeggio, che sono costosi da installare e mantenere in acqua profonda. Il sistema facilita inoltre l'accesso ai vasi di manutenzione, che possono attrarre dinamicamente.
  • Sicurezza migliorata:[[] Prevenzione automatica di fuga durante eventi estremi protegge il personale durante le visite di manutenzione o riparazione. Il sistema può anche eseguire sequenze di arresto di emergenza e tenere la turbina in una voce sicura.
  • La flessibilità nel layout dell'azienda agricola:[ Poiché DP permette un posizionamento preciso e un riposizionamento, le turbine possono essere posizionate in modo più ottimale per la gestione della scia e le vie di cablaggio, migliorando l'efficienza complessiva dell'azienda.

Sfide e considerazioni pratiche

Nonostante i vantaggi, l'attuazione di un sistema DP basato su propulsori non è un'impresa di piccole dimensioni, ma devono essere affrontate le seguenti sfide:

Costi di capitale e operatività

I costi operativi aumentano anche a causa del carburante (o dell'usura della batteria) per i propulsori. Tuttavia, poiché l'industria eolica offshore si sposta più lontano in acque più profonde, il divario dei costi si restringe perché i sistemi di ormeggio diventano estremamente pesanti e costosi.

Affidabilità e complessità del software

Il sistema di controllo DP deve essere in grado di gestire guasti dei sensori, filtraggio delle frequenze d'onda e modifica delle condizioni ambientali senza perdere posizione. I bug software o la calibrazione difettosa potrebbero portare alla deriva, collisione con turbine adiacenti o disconnessione della griglia.

Compliance per la Società di Classe e Regolazione

Le linee guida IMO DP (MSC/Circ.645) sono scritte per le navi, non per le turbine stazionarie. Le società di classificazione come DNV hanno pubblicato pratiche raccomandate (DNV-RP-E307 per gli operatori di eliche, DNV-OS-C101 per i sistemi DP), ma i proprietari devono lavorare a stretto contatto con la classe per definire le rotte di conformità alternative. Inoltre, l'integrazione con il sistema di emergenza turbine eolico’

Manutenzione dei componenti subacquei

I controlli regolari sottomarini (ad esempio, utilizzando i ROV) e i sostituti del propulsore richiedono navi e subacquei specializzati. La necessità di manutenzione può compensare alcuni guadagni operativi durante i tempi di fermo non previsti.

Sicurezza informatica

I moderni sistemi DP sono in rete e spesso monitorati da remoto, rendendoli vulnerabili ai cyberattacchi. Un acquisizione dannoso potrebbe causare la turbina alla deriva e collisione con altri.Attuazione robusta segmentazione di rete, firewall e comunicazione crittografata. Il sistema DP dovrebbe anche avere un override manuale con isolamento fisico.

Consumi di Potenza

La domanda di energia del trasmettitore può essere elevata, soprattutto in mari moderati o gravi. In un'azienda eolica galleggiante, il sistema DP di una singola turbina può consumare fino al 10% della sua potenza nominale durante le condizioni normali, e più durante le tempeste. Questa perdita parassita riduce l'esportazione di energia netta.

Le direzioni e le innovazioni future

Il campo del DP basato su propulsori per parchi eolici si sta evolvendo rapidamente.

  • DP autonome con pianificazione probabilistica:[ I sistemi futuri incorporano previsioni meteo per regolare preventivamente la spinta e ottimizzare l'uso del carburante.
  • Integrazione con servizi di rete:[] Gli inverter di propulsori DP possono fornire un supporto di potenza reattiva alla griglia quando non completamente caricati, trasformando l'elettronica di potenza in un bene prezioso.
  • Manutenzione basata sulla conversione:[] Utilizzando i dati delle vibrazioni del propulsore, l'analisi del petrolio e le firme di coppia per prevedere i guasti prima che si verifichino, riducendo i tempi di fermo non pianificati.
  • DP raso tra i gruppi di parchi eolici:[ Un singolo dispositivo di servizio DP potrebbe posizionare dinamicamente vicino alle turbine e trasferire personale o componenti senza che ogni turbina abbia una propria suite DP completa.

La ricerca presso istituzioni come la Offshore Renewable Energy (ORE) Catapult[[] sta esplorando come standardizzare le interfacce DP per l'industria eolica per ridurre i costi e accelerare la distribuzione.

Conclusioni

Un sistema di posizionamento dinamico basato su propulsori offre una soluzione convincente per le aziende eoliche offshore galleggianti che mirano ad alta stabilità, sicurezza e resa energetica in ambienti difficili. L'implementazione richiede un approccio sistematico: valutazione approfondita del sito, selezione accurata di propulsori e hardware dei sensori, progettazione di algoritmi di controllo robusti e test esaustivi.