Использование систем динамического позиционирования в операциях с плавучими ветряными турбинами

Введение: Критическая роль сохранения станций в энергии глубоководного ветра

По мере ускорения глобального толчка к возобновляемой энергии морской ветер стал краеугольным камнем энергетического перехода. Однако наиболее последовательные и мощные ветры встречаются далеко от берега, на глубинах воды более 60 метров. В этих условиях традиционные турбины с фиксированным дном становятся экономически и технически неосуществимыми. Плавучие ветровые турбины решают эту проблему, но они вводят сложную оперативную задачу: как поддерживать точное положение перед лицом ветра, волн и течений без фиксированной основы. Ответ заключается в Динамические системы позиционирования (DPS) , технология, первоначально разработанная для морской нефтегазовой промышленности, которая в настоящее время адаптируется и совершенствуется для уникальных требований плавающего ветра.

Плавучие ветровые платформы удерживаются на месте швартовыми линиями, но швартовка сама по себе не может обеспечить мелкомасштабную точность положения, необходимую для оптимального производства энергии или быстрого перепозиционирования, необходимого во время технического обслуживания и экстремальных погодных явлений. DPS заполняет этот пробел, действуя как сложная, контролируемая компьютером система двигателей, которая активно противодействует экологическим силам. Эта статья обеспечивает всестороннее техническое глубокое погружение в то, как работает DPS, его конкретные приложения в плавающем ветре, задействованные подсистемы, текущие ограничения и перспективные инновации на горизонте.

Основная технология: как работают системы динамического позиционирования

В основе системы динамического позиционирования лежит интегрированная петля управления обратной связью. Она непрерывно сравнивает фактическое положение судна или платформы и направление движения с желаемой заданной точкой, затем командует двигателями для генерации сил, которые корректируют любое отклонение. Этот процесс происходит в режиме реального времени, часто с несколькими режимами управления, такими как автоматическое удержание положения, автозапуск и ручное управление на основе джойстика для низкоскоростного маневрирования.

Управление архитектурой

Современные DP-системы используют иерархическую структуру управления. Наивысшим уровнем является Операционная станция, которая обеспечивает человеческий интерфейс и позволяет оператору устанавливать рабочие режимы и опорные точки. Ниже, Контрольный компьютер запускает алгоритмы DP. Этот компьютер получает данные от нескольких входов датчиков, фильтрует шум и вычисляет требуемую тягу в шести степенях свободы (нарастание, раскачивание, вращение, крен, шаг, рыскание). Законы управления, обычно используемые, включают контроллеры пропорционально-интегрально-производного (PID) с условиями пересылки для известных возмущений, таких как ветровой корм вперед, и более продвинутые модели на основе прогностических контроллеров становятся все более распространенными.

Сенсорное слияние и избыточность

Точное определение положения является единственным наиболее важным элементом в ДПС. Никакая мощность двигателя не может удерживать станцию, если система не знает, где она находится. Современные системы с плавающим ветром ДП полагаются на комбинацию типов датчиков:

• Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS): Обычно несколько приемников GNSS (например, GPS, ГЛОНАСС, Galileo) обеспечивают абсолютную точку отсчета положения, часто с дифференциальными поправками для точности субметра.
• Гидроакустические системы позиционирования (HPR): Используя транспондеры, установленные на морском дне, и преобразователь на платформе, эти системы обеспечивают высокоточное относительное позиционирование, особенно когда сигналы GNSS ухудшаются или затемняются.
• Инерциальные единицы измерения (IMU): Гироскопы и акселерометры обеспечивают информацию о позиции и скорости, которая помогает системе DP прогнозировать движение и поддерживать стабильность во время кратковременных отсева GNSS.
• Ссылочные блоки движения (MRU): Выделенные датчики, которые измеряют рулон платформы, шаг и шевеление, подавая в контроллер DP, чтобы компенсировать волновое движение.
• Лазерные или радиолокационные системы: В некоторых случаях фиксированные опорные точки на близлежащих структурах или выделенных буях могут использоваться для оптического или радиолокационного диапазона.

Эти датчики расположены в избыточной конфигурации - обычно для операций класса 2 DP требуется минимум три независимые системы отсчета положения - с непрерывным мониторингом целостности для обнаружения сбоев и автоматического переключения на резервные датчики.

Как DPS улучшает работу плавучих ветровых турбин

Хотя основные принципы DP остаются неизменными, его применение к плавучим ветровым турбинам представляет уникальные возможности и ограничения по сравнению с традиционными операциями DP на судах.

Точность позиционирования для максимального захвата энергии

Плавучие ветровые турбины должны поддерживать определенную ориентацию рыскания относительно преобладающего ветра для оптимизации выравнивания ротора. В то время как швартовные линии обеспечивают грубое удерживание, они позволяют платформе дрейфовать по кругу часов. DPS активно противодействует средним экологическим силам (тяга ветра, дрейф волны, ток), чтобы держать турбину в пределах жесткой толерантности ее оптимальной точки. Это особенно важно для турбин с пониженным ветром, которые по своей сути являются флюгерами, но могут страдать от снижения производительности, если ошибка рыскания превышает несколько градусов. Активно контролируя заголовок платформы, DPS может улучшить годовое производство энергии на 2-5% по сравнению с чисто пришвартованным решением.

Повышение безопасности во время экстремальных событий

В районах, подверженных ураганам, плавучие турбины, возможно, потребуется активно позиционировать для минимизации структурных нагрузок. ДПС можно запрограммировать на выполнение маневра «уклонения от шторма», где двигатели используются для медленного вращения платформы, поэтому ротор выровнен с направлением ветра (или пернатым), и платформа перемещается в заранее рассчитанное безопасное положение. Эта динамическая возможность перепозиционирования снижает риск отказа линии швартовки, застежки башни или ударов лопастей. Кроме того, во время операций по техническому обслуживанию, когда персонал передается на турбину вертолетом или судном для передачи экипажа, ДПС удерживает платформу устойчивой, несмотря на волновое действие, значительно повышая безопасность передачи персонала.

Гибкость без якоря

Одним из самых дорогих и трудоемких аспектов установки и технического обслуживания плавучих ветровых турбин является развертывание и извлечение якорей. С помощью плавучей турбины, оснащенной DP, платформа может быть перемещена в другое место - например, чтобы избежать препятствия для судоходной полосы или буксироваться в порт для капитального ремонта - без каких-либо операций по обработке якорей. Это снижает зависимость от специализированных судов для буксировки и якорной обработки, сокращает затраты на проект и позволяет более гибкие макеты полей.

Сокращение экологического следа

Традиционные якоря с перетаскиванием или якоря свай могут нарушать чувствительные места обитания морского дна. DPS, при использовании в сочетании с легкой системой швартовки (или даже без какого-либо швартовки в некоторых предлагаемых концепциях), может минимизировать контакт с морским дном. Сами двигатели производят подводный шум и некоторые нарушения колонны воды, но эти эффекты, как правило, локализованы и временны по сравнению с постоянным физическим следом крепления. Кроме того, DPS может включать операции «вне станции», когда платформа перемещается из чувствительных областей в течение определенных сезонов (например, периоды нереста рыбы), возвращаясь, когда условия менее критичны.