CN111688883B - 一种海上风电运维船顶靠力评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海上施工工程技术领域，尤其涉及一种海上风电运维船顶靠力评估方法，包括步骤：S1、确定运维船在波峰处顶靠风机时的排水量▽₁，运维船在波峰处的浮心至运维船的船艏的垂直距离l₁，运维船在波峰处的艏艉倾斜角度θ₁；S2、建立第一摩擦力平衡方程，得到运维船的船艏在波峰处与风机在垂直方向上的摩擦力F₅；建立第二摩擦力平衡方程，得到运维船的船艏在波峰处与风机在水平方向上的摩擦力F₆；S3、根据所述F₅和F₆确定运维船在波峰处顶靠风机时的顶靠力F₉，根据所述F₇和F₈确定运维船在波峰处顶靠风机时的顶靠力F₁₀。本发明提供的海上风电运维船顶靠力评估方法，可提高运维船顶靠风机作业的安全性。

Description

一种海上风电运维船顶靠力评估方法

技术领域

本发明涉及海上施工工程技术领域，尤其涉及一种海上风电运维船顶靠力评估方法。

背景技术

风能是一种可再生的清洁能源，海上风力资源优于陆地，发展海上风电已成为不可逆转的趋势。我国海上风电产业刚刚起步，相比于风机设备的设计制造，更为滞后的是海上风电维护的技术和装备。由于海上风电运维船是一种新型船型，国内对此类船型没有明确的定义和相关性能的规定，而海上风电运维船最为重要的作业工况是运送运维技术人员登乘至风机的过程。目前国内还没有该工况可依据参照的标准规范，所以运维船的顶靠能力无法进行评估。但此工况直接关系到运维人员的生命安全，因此，如何评估运维船的顶靠能力已成为业内人士关注的焦点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种海上风电运维船顶靠力评估方法，可提高运维船顶靠风机作业的安全性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种海上风电运维船顶靠力评估方法，包括步骤：

S1、确定运维船在波峰处顶靠风机时的排水量▽₁，运维船在波峰处的浮心至运维船的船艏的垂直距离L₁，运维船在波峰处的艏艉倾斜角度θ₁，运维船在波峰处受到的风力F₁，运维船在波峰处受到的海流力F₂，确定运维船在波谷处顶靠风机时的排水量▽₂，运维船在波谷处的浮心至运维船的船艏的垂直距离L₂，运维船在波谷处的艏艉倾斜角度θ₂，运维船在波谷处受到的风力F₃，运维船在波谷处受到的海流力F₄；

S2、建立第一摩擦力平衡方程，将所述确定出的▽₁、L₁、θ₁代入所述第一摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波峰处与风机在垂直方向上的摩擦力F₅；建立第二摩擦力平衡方程，将所述确定出的F₁、F₂代入所述第二摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波峰处与风机在水平方向上的摩擦力F₆，建立第三摩擦力平衡方程，将所述确定出的▽₂、L₂、θ₂代入所述第三摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波谷处与风机在垂直方向上的摩擦力F₇；建立第四摩擦力平衡方程，将所述确定出的F₃、F₄代入所述第四摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波谷处与风机在水平方向上的摩擦力F₈；

S3、根据所述F₅和F₆确定运维船在波峰处顶靠风机时的顶靠力F₉，根据所述F₇和F₈确定运维船在波峰处顶靠风机时的顶靠力F₁₀，根据所述F₉和F₁₀确定运维船顶靠风机的最大顶靠力F₁₁。

本发明的有益效果在于，通过针对运维船顶靠作业的不同工况进行分析，从而得到一种评估运维船顶靠能力的方法，具体如下：由于运维船在波峰处顶靠风机时，随着波浪的运动，船舶处在波谷的时候，波浪对船舶顶靠能力影响最大，运维船能够平稳顶靠风机后，船艏不会下沉，运维船船体以船艏顶靠风机处为支点，船尾向下作圆周运动直至平衡；运维船在波谷处顶靠风机时，随着波浪的运动，船舶处在波峰的时候，波浪对船舶顶靠能力影响最大，运维船能够平稳顶靠风机后，船艏不会起浮，运维船船体以船艏顶靠风机处为支点，船尾向上作圆周运动直至平衡。依据上述原理，经过大量数据采集和反复论证后确定处，运维船的最大顶靠力不超过上述两种工况中运维船对风机的作用力，因此，本申请分别对运维船在波峰和波谷处顶靠风机的工况进行分析评估，根据确定出的不同工况时运维船的排水量、浮心距、艏艉倾角、风力以及海流力，计算出运维船在不同工况时与风机平台的水平摩擦力以及竖直摩擦力，将水平摩擦力和竖直摩擦力合力后即可得出运维船在不同工况时对风机平台的顶靠力，在通过计算和比较，即能得知运维船对风机平台的最大顶靠力，当运维船的系柱推力大于或等于该最大顶靠力时，运维船在该工况下能够平稳顶靠风机。

附图说明

图1为本发明实施例的运维船在波峰处顶靠风机时的结构示意图；

图2为本发明实施例的运维船在波谷处顶靠风机时的结构示意图；

图3为本发明实施例的运维船平稳顶靠风机时的侧视图；

图4为本发明实施例的运维船平稳顶靠风机时的俯视图；

标号说明：

1-运维船；

2-风机。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1至图4，一种海上风电运维船顶靠力评估方法，包括步骤：

S1、确定运维船在波峰处顶靠风机时的排水量▽₁，运维船在波峰处的浮心至运维船的船艏的垂直距离L₁，运维船在波峰处的艏艉倾斜角度θ₁，运维船在波峰处受到的风力F₁，运维船在波峰处受到的海流力F₂，确定运维船在波谷处顶靠风机时的排水量▽₂，运维船在波谷处的浮心至运维船的船艏的垂直距离L₂，运维船在波谷处的艏艉倾斜角度θ₂，运维船在波谷处受到的风力F₃，运维船在波谷处受到的海流力F₄；

S2、建立第一摩擦力平衡方程，将所述确定出的▽₁、L₁、θ₁代入所述第一摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波峰处与风机在垂直方向上的摩擦力F₅；建立第二摩擦力平衡方程，将所述确定出的F₁、F₂代入所述第二摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波峰处与风机在水平方向上的摩擦力F₆，建立第三摩擦力平衡方程，将所述确定出的▽₂、L₂、θ₂代入所述第三摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波谷处与风机在垂直方向上的摩擦力F₇；建立第四摩擦力平衡方程，将所述确定出的F₃、F₄代入所述第四摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波谷处与风机在水平方向上的摩擦力F₈；

S3、根据所述F₅和F₆确定运维船在波峰处顶靠风机时的顶靠力F₉，根据所述F₇和F₈确定运维船在波峰处顶靠风机时的顶靠力F₁₀，根据所述F₉和F₁₀确定运维船顶靠风机的最大顶靠力F₁₁。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本申请分别对运维船在波峰和波谷处顶靠风机的工况进行分析评估，根据确定出的不同工况时运维船的排水量、浮心距、艏艉倾角、风力以及海流力，计算出运维船在不同工况时与风机平台的水平摩擦力以及竖直摩擦力，将水平摩擦力和竖直摩擦力合力后即可得出运维船在不同工况时对风机平台的顶靠力，在通过计算和比较，即能得知运维船对风机平台的最大顶靠力，当运维船的系柱推力大于或等于该最大顶靠力时，运维船在该工况下能够平稳顶靠风机。

进一步的，所述第一摩擦力平衡方程为：

F₅＝▽₁·[1+L₁/(L_桨·cosθ₁)]+G·(1－L₁/L_桨)

式中，L_桨为运维船平浮时螺旋桨距船艏的水平距离，G为船舶重量所产生重力。

由上述描述可知，根据G＝F₅+▽₁+T·sin(θ_T+θ₁)，以及G·L_G·cosθ₁＝T·sin(θ_T+θ₁)·L_桨·cosθ₁+▽₁·L₁，可确定出上述第一摩擦力平衡公式，从而得出运维船在波峰处与风机在垂直方向上的摩擦力。上述式中θ_T为运维船艉轴与基线夹角，L_G为运维船平浮时重心距船艏的水平距离，T为运维船的系柱推力。

进一步的，所述第二摩擦力平衡方程为：

F₆＝F₁+F₂

式中，F₁＝0.613·A₁·v₁ ²，A₁为运维船在波峰处位于水线以上部分的侧投影面积，v₁为运维船在波峰处顶靠风机时的风速；F₂＝72.37·S₁·v₂ ²，S₁为运维船在波峰处位于水线以下部分的侧投影面积，v₂为运维船在波峰处顶靠风机时的海水流速。

由上述描述可知，利用测风仪和流速仪测出运维船顶靠时的风速和流速，根据力学公式计算出运维船在波峰处受到的风力以及运维船在波峰处受到的海流力，二者合力即为运维船在波峰处与风机在水平方向上的摩擦力。

进一步的，所述第三摩擦力平衡方程为：

F₇＝▽₂·[1+L₂/(L_桨·cosθ₂)]+G·(1－L₂/L_桨)

式中，L_桨为运维船平浮时螺旋桨距船艏的水平距离，G为船舶重量所产生重力。

进一步的，所述第四摩擦力平衡方程为：

F₈＝F₃+F₄

式中，F₃＝0.613·A₂·v₃ ²，A₂为运维船在波谷处位于水线以上部分的侧投影面积，v₃为运维船在波谷处顶靠风机时的风速；F₄＝72.37·S₂·v₄ ²，S₂为运维船在波谷处位于水线以下部分的侧投影面积，v₄为运维船在波谷处顶靠风机时的海水流速。

由上述描述可知，运维船在波谷处与风机在垂直方向和水平方向上的摩擦力的计算方式相同。

进一步的，所述S3具体包括步骤：

S31、建立第五摩擦力平衡方程，将所述F₅和F₆代入所述第五摩擦力平衡方程求解，得到运维船在波峰处顶靠风机时的顶靠力F₉；

S32、建立第六摩擦力平衡方程，将所述F₇和F₈代入所述第六摩擦力平衡方程求解，得到运维船在波谷处顶靠风机时的顶靠力F₁₀。

进一步的，所述第五摩擦力平衡方程为：

F₉＝(F₅ ²+F₆ ²)^0.5。

由上述描述可知，

进一步的，所述第六摩擦力平衡方程为：

F₁₀＝(F₇ ²+F₈ ²)^0.5。

由上述描述可知，运维船船艏在波峰处与风机靠船桩的摩擦力为运维船为对抗风力和海流力而产生的水平方向上的摩擦力与运维船为对抗船舶浮力而产生的垂直方向上的摩擦力的合力。

进一步的，所述S3具体包括步骤：

S33、建立第七摩擦力平衡方程，将所述F₉和F₁₀代入所述第七摩擦力平衡方程求解，得到运维船顶靠风机的最大顶靠力F₁₁。

由上述描述可知，运维船船艏在波谷处与风机靠船桩的摩擦力为运维船为对抗风力和海流力而产生的水平方向上的摩擦力与运维船为对抗船舶自重而产生的垂直方向上的摩擦力的合力。

进一步的，所述第七摩擦力平衡方程为：

F₁₁＝max(T₁，T₂)

式中，T₁＝F₉/(f·cosθ_T)，T₂＝F₁₀/(f·cosθ_T)，

f为运维船船艏与风机顶靠桩间的摩擦系数，θ_T为运维船艉轴与基线的夹角。

由上述描述可知，通过两种工况的综合评估，可以得出运维船在顶靠作业工况中所需求的系柱推力。

请参照图1至图4，本发明的实施例一为：一种海上风电运维船顶靠力评估方法，包括步骤：

S1、确定运维船在波峰处顶靠风机时的排水量▽₁，运维船在波峰处的浮心至运维船的船艏的垂直距离L₁，运维船在波峰处的艏艉倾斜角度θ₁，运维船在波峰处受到的风力F₁，运维船在波峰处受到的海流力F₂，确定运维船在波谷处顶靠风机时的排水量▽₂，运维船在波谷处的浮心至运维船的船艏的垂直距离L₂，运维船在波谷处的艏艉倾斜角度θ₂，运维船在波谷处受到的风力F₃，运维船在波谷处受到的海流力F₄；

S2、建立第一摩擦力平衡方程，将所述确定出的▽₁、L₁、θ₁代入所述第一摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波峰处与风机在垂直方向上的摩擦力F₅；建立第二摩擦力平衡方程，将所述确定出的F₁、F₂代入所述第二摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波峰处与风机在水平方向上的摩擦力F₆，建立第三摩擦力平衡方程，将所述确定出的▽₂、L₂、θ₂代入所述第三摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波谷处与风机在垂直方向上的摩擦力F₇；建立第四摩擦力平衡方程，将所述确定出的F₃、F₄代入所述第四摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波谷处与风机在水平方向上的摩擦力F₈；

S3、根据所述F₅和F₆确定运维船在波峰处顶靠风机时的顶靠力F₉，根据所述F₇和F₈确定运维船在波峰处顶靠风机时的顶靠力F₁₀，根据所述F₉和F₁₀确定运维船顶靠风机的最大顶靠力F₁₁。

所述第一摩擦力平衡方程为：

F₅＝▽₁·[1+L₁/(L_桨·cosθ₁)]+G·(1－L₁/L_桨)

式中，L_桨为运维船平浮时螺旋桨距船艏的水平距离，G为船舶重量所产生重力。

所述第二摩擦力平衡方程为：

F₆＝F₁+F₂

式中，F₁＝0.613·A₁·v₁ ²，A₁为运维船在波峰处位于水线以上部分的侧投影面积，v₁为运维船在波峰处顶靠风机时的风速；F₂＝72.37·S₁·v₂ ²，S₁为运维船在波峰处位于水线以下部分的侧投影面积，v₂为运维船在波峰处顶靠风机时的海水流速。

所述第三摩擦力平衡方程为：

F₇＝▽₂·[1+L₂/(L_桨·cosθ₂)]+G·(1－L₂/L_桨)

式中，L_桨为运维船平浮时螺旋桨距船艏的水平距离，G为船舶重量所产生重力。

所述第四摩擦力平衡方程为：

F₈＝F₃+F₄

式中，F₃＝0.613·A₂·v₃ ²，A₂为运维船在波谷处位于水线以上部分的侧投影面积，v₃为运维船在波谷处顶靠风机时的风速；F₄＝72.37·S₂·v₄ ²，S₂为运维船在波谷处位于水线以下部分的侧投影面积，v₄为运维船在波谷处顶靠风机时的海水流速。

所述S3具体包括步骤：

S31、建立第五摩擦力平衡方程，将所述F₅和F₆代入所述第五摩擦力平衡方程求解，得到运维船在波峰处顶靠风机时的顶靠力F₉；

S32、建立第六摩擦力平衡方程，将所述F₇和F₈代入所述第六摩擦力平衡方程求解，得到运维船在波谷处顶靠风机时的顶靠力F₁₀。

所述第五摩擦力平衡方程为：

F₉＝(F₅ ²+F₆ ²)^0.5。

所述第六摩擦力平衡方程为：

F₁₀＝(F₇ ²+F₈ ²)^0.5。

所述S3具体包括步骤：

S33、建立第七摩擦力平衡方程，将所述F₉和F₁₀代入所述第七摩擦力平衡方程求解，得到运维船顶靠风机的最大顶靠力F₁₁。

所述第七摩擦力平衡方程为：

F₁₁＝max(T₁，T₂)

式中，T₁＝F₉/(f·cosθ_T)，T₂＝F₁₀/(f·cosθ_T)，

f为运维船船艏与风机顶靠桩间的摩擦系数，θ_T为运维船艉轴与基线的夹角。

综上所述，本发明本申请分别对运维船在波峰和波谷处顶靠风机的工况进行分析评估，根据确定出的不同工况时运维船的排水量、浮心距、艏艉倾角、风力以及海流力，计算出运维船在不同工况时与风机平台的水平摩擦力以及竖直摩擦力，将水平摩擦力和竖直摩擦力合力后即可得出运维船在不同工况时对风机平台的顶靠力，在通过计算和比较，即能得知运维船对风机平台的最大顶靠力，当运维船的系柱推力大于或等于该最大顶靠力时，运维船在该工况下能够平稳顶靠风机。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种海上风电运维船顶靠力评估方法，其特征在于，包括步骤：

S1、确定运维船在波峰处顶靠风机时的排水量▽₁，运维船在波峰处的浮心至运维船的船艏的垂直距离L₁，运维船在波峰处的艏艉倾斜角度θ₁，运维船在波峰处受到的风力F₁，运维船在波峰处受到的海流力F₂，确定运维船在波谷处顶靠风机时的排水量▽₂，运维船在波谷处的浮心至运维船的船艏的垂直距离L₂，运维船在波谷处的艏艉倾斜角度θ₂，运维船在波谷处受到的风力F₃，运维船在波谷处受到的海流力F₄；

S2、建立第一摩擦力平衡方程，将所述S1确定出的▽₁、L₁和θ₁代入所述第一摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波峰处与风机在垂直方向上的摩擦力F₅；建立第二摩擦力平衡方程，将所述S1确定出的F₁和F₂代入所述第二摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波峰处与风机在水平方向上的摩擦力F₆，建立第三摩擦力平衡方程，将所述S1确定出的▽₂、L₂和θ₂代入所述第三摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波谷处与风机在垂直方向上的摩擦力F₇；建立第四摩擦力平衡方程，将所述S1确定出的F₃和F₄代入所述第四摩擦力平衡方程求解，得到运维船的船艏在波谷处与风机在水平方向上的摩擦力F₈；

S3、根据所述F₅和F₆确定运维船在波峰处顶靠风机时的顶靠力F₉，根据所述F₇和F₈确定运维船在波谷处顶靠风机时的顶靠力F₁₀，根据所述F₉和F₁₀确定运维船顶靠风机的最大顶靠力F₁₁。

2.根据权利要求1所述的海上风电运维船顶靠力评估方法，其特征在于，所述第一摩擦力平衡方程为：

F₅＝▽₁·[1+L₁/(L_桨·cosθ₁)]+G·(1－L₁/L_桨)

式中，L_桨为运维船平浮时螺旋桨距船艏的水平距离，G为船舶重量所产生重力。

3.根据权利要求1所述的海上风电运维船顶靠力评估方法，其特征在于，所述第二摩擦力平衡方程为：

F₆＝F₁+F₂

式中，F₁＝0.613·A₁·v₁ ²，A₁为运维船在波峰处位于水线以上部分的侧投影面积，v₁为运维船在波峰处顶靠风机时的风速；F₂＝72.37·S₁·v₂ ²，S₁为运维船在波峰处位于水线以下部分的侧投影面积，v₂为运维船在波峰处顶靠风机时的海水流速。

4.根据权利要求1所述的海上风电运维船顶靠力评估方法，其特征在于，所述第三摩擦力平衡方程为：

F₇＝▽₂·[1+L₂/(L_桨·cosθ₂)]+G·(1－L₂/L_桨)

式中，L_桨为运维船平浮时螺旋桨距船艏的水平距离，G为船舶重量所产生重力。

5.根据权利要求1所述的海上风电运维船顶靠力评估方法，其特征在于，所述第四摩擦力平衡方程为：

F₈＝F₃+F₄

式中，F₃＝0.613·A₂·v₃ ²，A₂为运维船在波谷处位于水线以上部分的侧投影面积，v₃为运维船在波谷处顶靠风机时的风速；F₄＝72.37·S₂·v₄ ²，S₂为运维船在波谷处位于水线以下部分的侧投影面积，v₄为运维船在波谷处顶靠风机时的海水流速。

6.根据权利要求1所述的海上风电运维船顶靠力评估方法，其特征在于，所述S3具体包括步骤：

S31、建立第五摩擦力平衡方程，将所述F₅和F₆代入所述第五摩擦力平衡方程求解，得到运维船在波峰处顶靠风机时的顶靠力F₉；

S32、建立第六摩擦力平衡方程，将所述F₇和F₈代入所述第六摩擦力平衡方程求解，得到运维船在波谷处顶靠风机时的顶靠力F₁₀。

7.根据权利要求6所述的海上风电运维船顶靠力评估方法，其特征在于，所述第五摩擦力平衡方程为：

F₉＝(F₅ ²+F₆ ²)^0.5。

8.根据权利要求6所述的海上风电运维船顶靠力评估方法，其特征在于，所述第六摩擦力平衡方程为：

F₁₀＝(F₇ ²+F₈ ²)^0.5。

9.根据权利要求1所述的海上风电运维船顶靠力评估方法，其特征在于，所述S3具体包括步骤：

S33、建立第七摩擦力平衡方程，将所述F₉和F₁₀代入所述第七摩擦力平衡方程求解，得到运维船顶靠风机的最大顶靠力F₁₁。

10.根据权利要求9所述的海上风电运维船顶靠力评估方法，其特征在于，所述第七摩擦力平衡方程为：

F₁₁＝max(T₁，T₂)

式中，T₁＝F₉/(f·cosθ_T)，T₂＝F₁₀/(f·cosθ_T)，

f为运维船船艏与风机顶靠桩间的摩擦系数，θ_T为运维船艉轴与基线的夹角。

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