Как внедрить систему динамического позиционирования на основе Thruster для оффшорных ветровых электростанций

Внедрение системы динамического позиционирования на основе друстеров для оффшорных ветровых электростанций

Оффшорная ветровая энергия быстро расширяется, турбины устанавливаются дальше от берега и в более глубоких водах, где экологические силы более серьезны. Поддержание стабильности положения имеет решающее значение как для стабильности плавучего фундамента, так и для оптимальной выработки энергии. Система динамического позиционирования на основе двигателя (DP) предлагает активный способ удерживать плавучую ветровую турбину или судно поддержки на станции, не полагаясь на пассивные швартовочные системы. В этой статье содержится подробное практическое руководство по пониманию, проектированию и внедрению такой системы для морских ветровых электростанций.

Динамическое позиционирование не является новой концепцией в морской нефти и газе, но его адаптация для ветряных электростанций требует тщательной адаптации. В отличие от бурового судна, которое может перемещаться, ветряная турбина должна оставаться в фиксированной координате в течение десятилетий. Система DP должна обеспечивать высокую надежность, низкое энергопотребление и бесшовную интеграцию с управлением турбиной и сетью.

Основы динамического позиционирования для применения ветровых турбин

Система динамического позиционирования использует управляемые компьютером двигатели для противодействия внешним силам ветра, волн и токов, поддерживая указанное положение и направление. Для плавучих морских ветровых турбин (FOWT) система DP работает в сочетании с управлением шагом турбины и гидродинамикой поплавка, чтобы держать структуру в узком радиусе, часто всего в нескольких метрах от координат цели.

Существуют две основные категории систем удержания положения для плавучих конструкций: пассивный швартовочный (катенарий или тау-нога) и активный швартовочный DP. В то время как швартовка дешевле для мелководья и умеренных условий, глубоководные участки предпочитают DP, потому что она устраняет тяжелые якорные системы и уменьшает площадь морского дна. Современные системы DP также могут использоваться в гибридных конфигурациях наряду с легкими швартовками для снижения спроса на мощность двигателя.

Регулирующие органы, такие как Международная морская организация (ИМО) классифицируют системы DP на три класса оборудования на основе избыточности. Класс 1 не имеет избыточности, класс 2 дублирует основные компоненты, а класс 3 обеспечивает полное избыточность с физическим разделением (пожарные / водонепроницаемые отсеки). Для морских ветровых турбин класс 2 обычно является минимальным стандартом для обеспечения безопасности и безотказной работы, особенно во время операций по техническому обслуживанию.

Основные компоненты системы DP на основе Thruster

трустеры

Трустеры генерируют боковые и продольные силы, необходимые для противодействия дрейфу.

Для плавучей турбины набор из четырех азимутальных двигателей (по одному на каждом углу поплавка) является общей компоновкой, обеспечивающей полный контроль 3-DOF. Размеры друстера должны учитывать наихудшие экологические нагрузки, обычно 50-летнее штормовое состояние с комбинированным ветром, волной и током.

Датчики и справочные системы

Точные измерения положения и экологических сил являются основой любой системы DP.

Несколько датчиков используются в комплементарных фильтрах или схемах фильтров Калмана для объединения данных и обеспечения надежной оценки состояния.

Система управления архитектурой

Система управления DP является мозгом операции. Она работает на избыточной компьютерной системе со следующими основными алгоритмами:

Современные системы DP также включают в себя динамический анализ позиционирования возможностей с использованием участков возможностей DP, показывающих максимальную скорость ветра, с которой система может справиться в заданном заголовке.

Поставка и распределение электроэнергии

Трубы требуют значительной электрической мощности, часто в диапазоне мегаватт для крупных турбин. Источник питания должен быть надежным и отказоустойчивым. Типичная установка включает в себя:

Интеграция с собственной силовой электроникой турбины 8217 полезна при нормальной работе, но для выживания в условиях спокойного ветра или сетки необходима резервная генерация.

Процесс внедрения: от обследования сайта до ввода в эксплуатацию

Шаг 1: Оценка сайта и данные метоцеанов

Комплексный сбор экологических данных является первым шагом. Это включает в себя долгосрочные волновые спектры, приливные и ветровые течения, экстремальные штормовые явления и условия на морском дне для любых оставшихся причальных компонентов. Данные из WindEurope или местных исследований метохеев могут информировать критерии проектирования. Геотехнические исследования также помогают определить, возможно ли сочетание причальных линий и DP для снижения энергопотребления двигателя.

Шаг 2: Системный дизайн и размер

Используя данные сайта, инженеры выполняют моделирование временных областей для расчета максимальных сил, которые должны противодействовать двигатели. Ключевые параметры включают тягу турбины от ветра, силу дрейфа волн и сопротивление току. Результатом является график возможностей DP, который определяет безопасную рабочую оболочку. Размеры растяжек (диаметр, мощность, сила тяги) выбираются так, чтобы система могла удерживать положение в 100-летнем шторме с запасом прочности. Требования к избыточности диктуют количество двигателей: по крайней мере четыре азимутальных двигателя для класса 2 или более для класса 3 с отдельными отсеками.

Конструкция системы управления включает в себя выбор контрольной полосы пропускания (как быстро турбина может следовать за командным положением) и настройку усиления контроллера с помощью моделирования. Современные подходы, такие как модель предиктивного управления (MPC), принимаются для DP на основе двигателя, потому что они могут явно обрабатывать ограничения (пределы мощности, ограничения скорости).

Шаг 3: Установка оборудования

Установка происходит либо в сухом доке (для поплавков нового строительства), либо на месте с использованием тяжеловесных судов для дооснащения. Трюстеры должны быть установлены с надлежащим выравниванием и герметизированы для предотвращения попадания воды. Датчики-массивы размещаются в стратегических местах: антенны GNSS поверх турбинной гондолы, ИДУ в центре поплавка и анемометры на узле турбины. Кабель должен быть маршрутизирован с избыточностью и защищен от шофинга.

Для морских подстанций или судов обеспечения, используемых в установке ветропарков, применяются аналогичные принципы установки.В некоторых случаях плавучее установочное судно, оснащенное системой DP, может динамически размещаться при сборке турбинных башен на месте, что делает DP на основе двигателя необходимым для этапа строительства.

Шаг 4: Управление программной интеграцией и конфигурацией

Программное обеспечение предварительно настроено с гидродинамической моделью турбинного поплавка и характеристиками двигателя. Интеграция с системой управления турбиной (pitch и yaw) имеет решающее значение: во время сильных ветров турбина может рыскать, чтобы уменьшить боковые нагрузки, и система DP должна адаптироваться соответствующим образом. Протоколы связи (например, Modbus TCP/IP, OPC UA) устанавливаются между контроллером DP, приводами двигателя и датчиками. Меры кибербезопасности должны быть реализованы, потому что система DP является критически важной для безопасности.

Шаг 5: Испытание и калибровка

Тестирование состоит из нескольких этапов:

Все тесты документируются в отчете по анализу возможностей DP, как того требуют классификационные общества, такие как DNV или Lloyd’s Register.

Шаг 6: Ввод в эксплуатацию и постоянный мониторинг

После успешного тестирования система вводится в эксплуатацию на полный рабочий день. Центр удаленного мониторинга отслеживает показатели эффективности DP (ошибка положения, нагрузка на двигатель, расход топлива) и генерирует оповещения для технического обслуживания. Запланирована регулярная калибровка датчиков (например, гиродрейт, мультипат ГНСС). Система DP также регистрирует все события для анализа после шторма, что возвращает к будущим улучшениям конструкции.

Операционные преимущества DP на основе растровых

Внедрение системы DP на основе двигателя для морских ветропарков дает множество преимуществ, помимо простого обслуживания станций:

Проблемы и практические соображения

Несмотря на преимущества, внедрение системы DP на основе двигателя является не малым подвигом. Необходимо решить следующие проблемы:

Высокие капитальные и эксплуатационные расходы

Трубы, генераторы и избыточные системы управления увеличивают значительные первоначальные капитальные затраты по сравнению с пассивным швартовкой. Эксплуатационные расходы также растут из-за топлива (или износа батареи) для двигателей. Однако, поскольку оффшорная ветроэнергетика перемещается дальше в более глубокие воды, разрыв в стоимости сужается, потому что швартовочные системы становятся чрезвычайно тяжелыми и дорогими.

Надежность и сложность программного обеспечения

Система управления DP должна быть способна обрабатывать сбои датчиков, фильтрацию частоты волн и изменение условий окружающей среды без потери позиции. Программные ошибки или неисправная калибровка могут привести к дрейфу, столкновению с соседними турбинами или отключению сети. Тщательное тестирование и строгий контроль версий являются обязательными. Отрасль продвигается к открытым архитектурам, чтобы позволить стороннюю проверку.

Регуляторное и классовое общество

В настоящее время в системах ВЭУ отсутствуют специальные международные стандарты. Существующие руководящие принципы ИМО в отношении ВЭУ (MSC/Circ.645) написаны для судов, а не стационарных турбин. Классификационные общества, такие как DNV, опубликовали рекомендуемые методы (DNV-RP-E307 для двигателей, DNV-OS-C101 для систем ВЭУ), но владельцы должны тесно сотрудничать с классом для определения альтернативных маршрутов соответствия. Кроме того, интеграция с собственной системой безопасности турбины & #8217 (перение в трубе, аварийное отключение) должна быть одобрена производителем ветрогенераторов и оператором сети.

Поддержание подводных компонентов

Трубы погружены в воду и подвергаются биообрастанию, коррозии и росту морской среды. Регулярные подводные инспекции (например, с использованием ROV) и замены двигателей требуют специализированных судов и дайверов. Необходимость в техническом обслуживании может компенсировать некоторые эксплуатационные выгоды во время незапланированного простоя. Использование управления шагом пропеллера или убирающихся двигателей может смягчить некоторые риски.

Кибербезопасность

Современные DP-системы подключены к сети и часто удаленно контролируются, что делает их уязвимыми для кибератак. Злоумышленное поглощение может привести к дрейфу турбины и столкновению с другими. Реализовать надежную сегментацию сети, брандмауэры и зашифрованную связь. Система DP также должна иметь ручную отмену с физической изоляцией.

Торговля энергопотреблением

Спрос на энергию турбогенератора может быть высоким, особенно в умеренных и тяжелых морях. В плавучей ветроэлектростанции система DP одной турбины может потреблять до 10% своей номинальной мощности в нормальных условиях и больше во время штормов. Эта паразитическая потеря снижает чистый экспорт энергии. Достижения в стратегиях управления, таких как использование ротора турбины в качестве “ парус ” для снижения нагрузки, может снизить использование двигателя. Гибридные системы, сочетающие DP с тауту, также могут снизить среднюю потребляемую мощность.

Будущие направления и инновации

В настоящее время в области разработки двигателей для ветропарков происходит быстрое развитие.

Исследования в таких учреждениях, как FLT:0, Offshore Renewable Energy Catapult, изучают, как стандартизировать интерфейсы DP для ветроэнергетики, чтобы снизить затраты и ускорить развертывание.

Заключение

Система динамического позиционирования на основе двигателя предлагает убедительное решение для плавучих морских ветровых электростанций, направленных на высокую стабильность, безопасность и выход энергии в суровых условиях. Реализация требует систематического подхода: тщательная оценка площадки, тщательный выбор оборудования для двигателей и датчиков, надежная конструкция алгоритма управления и исчерпывающее тестирование. В то время как затраты и сложность остаются выше, чем пассивные альтернативы, гибкость, снижение воздействия на морское дно и точное ведение станций делают DP привлекательным выбором для глубоководных проектов. Поскольку оффшорная ветроэнергетика толкает в более глубокие воды, DP на основе двигателя станет стандартным инструментом для обеспечения того, чтобы турбины оставались именно там, где они необходимы, максимизируя производство возобновляемой энергии в течение десятилетий.