CN115750232B

CN115750232B - 深远海浮式风机气液双控式减摇控制系统

Info

Publication number: CN115750232B
Application number: CN202211417818.4A
Authority: CN
Inventors: 张崇伟; 韦金蝶; 朱训昊; 宁德志
Original assignee: Donghai Laboratory; Dalian University of Technology
Current assignee: Donghai Laboratory; Dalian University of Technology
Priority date: 2022-11-14
Filing date: 2022-11-14
Publication date: 2023-09-12
Anticipated expiration: 2042-11-14
Also published as: CN115750232A

Abstract

一种深远海浮式风机气液双控式减摇控制系统，包括设备舱和三个封闭的TLCD回路单元，设备舱设置于箱梁上方，TLCD回路单元主要由液舱、气管和液管组成封闭回路并嵌入浮式基础结构内部。本发明系统结构简单，安装简便，可拆卸，易更换，使用方便。本发明系统具有通用性，所设计的各TLCD回路单元之间相互独立，各TCLD回路单元的启停由控制模块进行整体协调和调度，容易拓展。本发明系统可实现智能化自主控制。控制模块通过分析所测得的浮式风机基础运动参数，根据浮式风机基础的摇摆方向自主决定启用哪个TLCD回路单元，根据浮式风机基础的摇摆频率决定启用该TLCD回路单元的气控模块或液控模块，以及气控模块中滑动变阻器的电阻值或液控模块中涡轮组电机的转速。

Description

深远海浮式风机气液双控式减摇控制系统

技术领域

本发明属于海上风电技术领域，涉及适用于深海海域的浮式风机主动减摇控制技术，尤其涉及一种深远海浮式风机气液双控式减摇控制系统。

背景技术

海上风能分布范围广、有效时间长且生态效益好，是一类重要的海洋可再生能源。浮式风机是深远海域风电开发的核心装备。浮式风机结构高耸、重心高、刚度小且核心单元（即风轮机）位于塔筒顶端，浮式基础易于在海上风浪环境作用下发生运动，从而导致塔筒顶端发生大幅摇摆，最终严重影响风轮机组的输出功率和发电质量，损害浮式风机的发电收益，甚至引发安全风险。因此，保证浮式基础在风浪作用下的稳定性，对浮式风机的发电收益和作业安全至关重要。

调谐液柱阻尼器（Tuned liquid column damper，TLCD）是一种可用于浮式风机运动控制的减摇技术。传统TLCD主要利用U形管内液柱振荡，在结构上产生与外荷载反向的作用力，并通过管内节流阀或节流孔来产生阻尼，以耗散结构振动的能量，不同液柱长度对应特定的自然振动频率，当自然振动频率达到调谐频率且阻尼比达最佳状态时，TLCD可给结构物带来最佳的减振效果。

但是，传统被动式TLCD在其尺度、载液量和耗能结构形式等确定后，其液柱的自然振荡频率和能量耗散率便随之确定，导致其有效减摇效果主要集中在TLCD液柱自然振荡频率附近较窄的频率带宽内（Moaleji和Greig，On the development of ship anti-rolltanks，Ocean Engineering，2007，34：103–121）。而对于有效频带范围以外的工况，传统TLCD减摇效果有限，甚至可能恶化浮式基础的运动性能。而浮式风机常年系泊于深远海域，所遭遇的波浪频带宽度大、波频成分复杂且所承受的波浪载荷也大，要求减摇系统能在更宽的波频范围内进行快速反应，才能实现对浮式基础运动的有效控制。

本发明旨在提出一种适用于深远海域宽频带海况的浮式风机主动减摇控制系统。在浮式风机基础的立柱、浮筒和箱梁之间构造多个封闭的TLCD回路单元，各TLCD回路单元中的液体均为半充满状态；在各TLCD回路单元的气管中设置透平组，在液管中设置涡轮组。在浮式基础的摇摆频率高于TLCD回路单元内液柱的自然振动频率时，通过涡轮组加速液管内的液体流动，以提高TLCD回路单元内液柱的振动频率；在浮式基础的摇摆频率小于TLCD自然振动频率时，通过透平组旋转阻碍气流和发电耗能，来降低TLCD回路单元内液柱的振动频率。由此，拓宽了TLCD的有效频率带宽。同时，透平组所发电力可以储蓄，用以支持涡轮组的电力需求和减少测控单元的电力消耗。此外，通过设计控制策略，根据浮式基础的摇摆方向和频率，可以自主选择最优的TLCD回路单元工作。

发明内容

本发明的目的是提供了一种深远海浮式风机气液双控式减摇控制系统。

本发明的技术方案：

一种深远海浮式风机气液双控式减摇控制系统，浮式风机主要由风机结构1、浮式基础2和系泊系统6组成，如图1所示。浮式基础2由立柱3、浮筒4和箱梁5组成；三个立柱3的顶部由三个箱梁5呈等角度连接，三个立柱3的底部由浮筒4两两相连成三角形；系泊系统6连接于浮筒4，将浮式基础2锚固于水底；风机结构1安装于浮式基础2的一个立柱3之上。本发明旨在提出一种安装于浮式基础2结构内部的气液双控式减摇控制系统，其应用对象不限于三立柱式浮式风机。

该深远海浮式风机气液双控式减摇控制系统主要由设备舱21和三个封闭的TLCD回路单元8组成，设备舱21设置于箱梁5上方，TLCD回路单元8主要由液舱14、气管15和液管17组成封闭回路并嵌入浮式基础2结构内部；

测控单元7设置于设备舱21内，测控单元7包括运动测量模块10、控制模块9、滑动变阻器19和蓄电池组11，蓄电池组11为运动测量模块10和控制模块9供电；运动测量模块10为包含测量浮式基础2摇摆运动数据的传感器，运动数据包括姿态、角速度和频率；运动测量模块10测得的运动数据输入到控制模块9，并由控制模块9激活其中一个TLCD回路单元8进行工作；

浮式基础2的每个立柱3内部安装有两个液舱14，两个液舱14组成圆柱体结构；相邻两个立柱3内相邻的两个液舱14通过浮筒4内的液管17和箱梁5内的气管15联通为封闭回路；液舱14和液管17内注有液体，液舱14内液体的填充量根据TLCD回路单元8内液柱的预设自然振动频率来确定；

气管15内包含气控模块12；气控模块12主要由透平组18和阀门20组成；透平组18将气管15内气体的动能转化为电能，来控制气体的流速，所产生的电能储存于测控单元7内的蓄电池组11中；阀门20布置在透平组18附近，由测控单元7内的控制模块9决定其开闭状态，阀门20闭合后气管15中的气体无法流动；透平组18与滑动变阻器19、蓄电池组11连为闭合电路；控制模块9通过调节滑动变阻器19的电阻值，来控制透平组18的转速，不同转速的透平组18对气管15中的气体流动产生不同程度的阻尼，对气管15内的气流产生不同程度的阻碍效果；

液管17内包含液控模块13；液控模块13为两套反向安装的涡轮组16，涡轮组16具有可编程电机，电机转速受控制模块9调节；由测控单元7内的蓄电池组11为涡轮组16的电机供电；两套涡轮组16在控制模块9的指令下交替工作，驱动液管17内的液体产生振荡流动。

如图4所示，气液双控式减摇控制技术的工作过程如下：

运动测量模块10实时测量浮式基础2的运动数据，并将所测得数据输入控制模块9。浮式基础2处于静止状态时，控制模块9使各TLCD回路单元8的阀门20处于关闭状态。浮式基础2处于运动状态时，控制模块9分析浮式基础2摇摆运动的旋转轴，对比各TLCD回路单元8中液管17与摇摆旋转轴的夹角，选取液管17与摇摆旋转轴夹角最接近90°的TLCD回路单元8，开启该TLCD回路单元8的阀门20。

控制模块9进一步分析浮式基础2的摇摆频率，如果浮式基础2的摇摆频率低于无控制时TLCD回路单元8内液柱的自然振动频率，则启动该TLCD回路单元8的气控模块12，否则，启动该TLCD回路单元8的液控模块13。

如果启动气控模块12，控制模块9根据浮式基础2的摇摆频率设定滑动变阻器19的电阻值，透平组18将气管15内的空气动能转换为电能，来降低气管15内空气的振动频率，进而使液柱22的振动频率降低至浮式基础2的运动频率。透平组18所发出的电能储存进蓄电池组11。

如果启动液控模块13，控制模块9根据浮式基础2的运动频率控制涡轮组16达到预定转速，由蓄电池组11向涡轮组16供电，使涡轮组16推动液体在液管17内形成往复振荡流，将液柱22的振动频率提高至浮式基础2的摇摆频率，且液管17内液体的运动方向始终与液管17的运动方向相反。

不同浮式基础2的摇摆频率条件下，滑动变阻器19选取多大电阻值，或液控模块13中涡轮组16电机选取多大转速值，均在设计阶段通过理论计算、计算流体力学方法数值模拟或摇摆台物理模型缩尺试验等常规分析方法，来预先确定最优值。

本发明的有益效果：

（1）本技术通过主动控制来调节深远海浮式风机基础内TLCD回路单元液柱的自然振动频率，以在更宽的波频范围内快速实现对浮式基础摇摆运动的有效抑制。

（2）本技术减小了浮式风机基础在波浪中运动幅度，改善了塔筒顶部风轮机的作业条件，有利于延长风轮机的工作时间和使用寿命，从而增加了浮式风机的发电收益，降低了维护成本。

（2）采用本技术后，避免了为实现浮式风机基础减摇目的而额外增加系泊系统强度和数量或增加浮式基础的排水量，降低深远海浮式风机的建造成本。

（3）本技术通过透平组在控制TLCD回路单元内气流运动的同时，将气体动能转化为电能，储存在蓄电池组中。蓄电池组所储存的电能，可以支持测控单元内运动测量模块和控制模块，以及TLCD回路单元内涡轮机组的工作用电需求，实现测控单元和TLCD回路单元电力的自给自足，不额外耗费海上浮式风机的电能，不影响风机场的并网。

（4）本技术的TLCD回路单元和测控单元均安装于原浮式风机基础结构的内部，不影响浮式风机的外形设计和水动力性质。

（5）本技术具有通用性，所设计的各TLCD回路单元之间相互独立，各TCLD回路单元的启停由控制模块进行整体协调和调度，容易拓展。基于本技术原理的TLCD回路单元，数量不限于三个，也不局限于三立柱式浮式风机基础，可应用于四立柱或更多立柱风机基础的情况。

（6）本技术可实现智能化自主控制。控制模块通过分析所测得的浮式风机基础运动参数，根据浮式风机基础的摇摆方向自主决定启用哪个TLCD回路单元，根据浮式风机基础的摇摆频率决定启用该TLCD回路单元的气控模块或液控模块，以及滑动变阻器的电阻值或液控模块中涡轮组电机的转速。

（7）本技术结构简单，安装简便，可拆卸，易更换，使用方便。

附图说明

图1典型三立柱浮式风机结构组成示意图。

图2浮式基础内TLCD回路单元布置图。

图3气液双控式减摇控制系统结构图。

图4气液双控式减摇控制系统控制逻辑图。

图中：1风机结构；2浮式基础；3立柱；4浮筒；5箱梁；6系泊系统；7测控单元；8TLCD回路单元；9控制模块；10运动测量模块；11蓄电池组；12气控模块；13液控模块；14液舱；15气管；16涡轮组；17液管；18透平组；19滑动变阻器；20阀门；21设备舱；22液柱。

实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。以下实施例和附图用于说明本发明，但不限制本发明的范围。

如图1所示，以三立柱式浮式风机为例，浮式风机由风机结构1、浮式基础2（包括立柱3、浮筒4和箱梁5）和系泊系统6组成。该浮式风机外形尺寸已预先设计完成，例如立柱直径10m×高20m、浮筒尺寸34m×10m×3m、箱梁尺寸为40m×10m×4m。

如图2所示，在保证结构强度的基础上，充分利用立柱3的内部空间，在各立柱3内设置两个相互隔离的液舱14。在浮筒4内铺设液管17，连通两个相邻立柱3中距离最近的两个液舱14的下端，并在箱梁5中利用气管15连通这两个液舱14的上端，形成闭合回路。液舱14的尺寸、液管17的直径和液柱22在液舱14中的深度，需要在设计阶段通过常规的计算流体力学数值模拟和物理模型试验来具体确定，以保证TLCD回路单元内液柱22的自然振荡频率与目标海域的主要波浪频率一致。本实施例采用两个横截面为半圆的液舱14，半圆直径取6m，液舱14高17m，液深5m，液舱14底部距离立柱外底面1m，两个液舱14垂直平面的间距为1m；液管17取直径2m的圆管；气管15的横截面积尽量大，取直径1m的圆管。

如图3所示，在各液管17内的中间段安装两套反向推进的涡轮组16，涡轮组16采用可以控制转速的电机，涡轮组16的选型须能保证其可以高效推动液管17中的水体运动。在气管15内的中间段安装透平组18，透平组18的选型须保证其在不同转速条件下可对气管15中的气体有效产生不同程度的阻碍。在气管15中设置阀门20，阀门20选型的具体形式不限，须能利用控制模块9决定其开闭状态，且阀门20闭合后须保证气管15中的气体无法流动。

在箱梁5上方设置水密的设备舱21内，用于安放测控单元7的运动测量模块10、控制模块9、蓄电池组11和滑动变阻器19。运动测量模块10选用可测量和输出浮式基础摇摆运动的姿态、角速度和频率等运动数据的传感器，具体型号不限，本实施例采用三轴陀螺仪。蓄电池组11选型不限，本实施例采用铅酸蓄电池，蓄电池组11的总容量须满足涡轮组16在最大功率条件下达到规定的工作时长（如6小时以上）。控制模块9的具体电路设计、主控板/控制器/执行器的元器件类型和形式等等均无限制，以能完成气液双控式减摇控制系统的所有控制功能为宜，本实施例采用微型控制器MCU和可编程逻辑控制器PLC等。

气液双控式减摇控制系统工作原理，如图4所示。运动测量模块10实时测量浮式基础的运动参数，并将所测得数据输入控制模块9。浮式基础2处于静止状态时，控制模块9使各TLCD回路单元8的阀门20处于关闭状态。浮式基础2处于运动状态时，控制模块9分析浮式基础2摇摆运动的旋转轴，对比各TLCD回路单元8中液管17与摇摆旋转轴的夹角，选取液管17与摇摆旋转轴夹角最接近90°的TLCD回路单元8，开启该TLCD回路单元8的阀门20。

控制模块9进一步分析浮式基础2的摇摆频率，如果浮式基础的摇摆频率高于无控制时TLCD回路单元内液柱22的自然振荡频率，则启动该TLCD回路单元的气控模块，否则，启动该TLCD回路单元的液控模块。

启动气控模块12时，控制模块9根据浮式基础2运动频率设定滑动变阻器19的电阻值，控制透平组18的转速，达到通过阻碍气管15内空气运动，来降低液柱22振动频率的效果。同时，由透平组18将气管15内的空气动能转换为电能，透平组18所发出的电能储存进蓄电池组11。

启动液控模块13时，控制模块9根据液管17的运动方向，启动可与液管17的运动方向相反方向推动液管17内液柱22的涡轮组16。同时，控制模块9根据浮式基础2的运动频率控制该涡轮组16达到预定转速，由蓄电池组11向涡轮组16供电。两套涡轮组16的交互推动下，液柱22在液管17内形成往复振荡流，液管17内液柱22的运动方向始终与液管17的运动方向相反。

控制模块9如何选取滑动变阻器19的电阻值，或如何设置液控模块13中涡轮组16电机的转速值，均须在设计阶段通过计算流体力学方法数值模拟或摇摆台物理模型缩尺试验等常规分析方法来预先确定。在设计阶段形成浮式基础2摇摆频率和滑动变阻器19的最优电阻值或涡轮组16电机的最优转速值之间的对照表后，在工作过程中由控制模块9通过查表，来选取滑动变阻器19的电阻值或液控模块13中涡轮组16电机的转速值。

本发明的产品设计要充分考虑以下因素：

（1）对于不同尺寸的浮式风机基础，须在设计阶段通过常规的计算流体力学数值模拟和物理模型试验来具体确定液舱14的尺寸、液管17的直径和液柱22在液舱14中的深度，以保证TLCD回路单元内液柱22的自然振动频率与浮式基础2的主要摇摆频率一致。

（2）在施工时，需要注意气管15和液管17中线缆孔的密闭性，确保各TLCD回路单元8的气密性。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种深远海浮式风机气液双控式减摇控制系统，其特征在于，该深远海浮式风机气液双控式减摇控制系统主要由设备舱（21）和三个封闭的TLCD回路单元（8）组成，设备舱（21）设置于箱梁（5）上方，TLCD回路单元（8）主要由液舱（14）、气管（15）和液管（17）组成封闭回路并嵌入浮式基础（2）结构内部；

测控单元（7）设置于设备舱（21）内，测控单元（7）包括运动测量模块（10）、控制模块（9）、滑动变阻器（19）和蓄电池组（11），蓄电池组（11）为运动测量模块（10）和控制模块（9）供电；运动测量模块（10）为包含测量浮式基础（2）摇摆运动数据的传感器，运动数据包括姿态、角速度和频率；运动测量模块（10）测得的运动数据输入到控制模块（9），并由控制模块（9）激活其中一个TLCD回路单元（8）进行工作；浮式基础（2）的每个立柱（3）内部安装有两个液舱（14），两个液舱（14）组成圆柱体结构；相邻两个立柱（3）内相邻的两个液舱（14）通过浮筒（4）内的液管（17）和箱梁（5）内的气管（15）联通为封闭回路；液舱（14）和液管（17）内注有液柱（22），液舱（14）内液柱（22）的填充量根据TLCD回路单元（8）内液柱（22）的预设自然振动频率来确定；

气管（15）内包含气控模块（12）；气控模块（12）主要由透平组（18）和阀门（20）组成；透平组（18）将气管（15）内气体的动能转化为电能，来控制气体的流速，所产生的电能储存于测控单元（7）内的蓄电池组（11）中；阀门（20）布置在透平组（18）附近，由测控单元（7）内的控制模块（9）决定其开闭状态，阀门（20）闭合后气管（15）中的气体无法流动；透平组（18）与滑动变阻器（19）、蓄电池组（11）连为闭合电路；控制模块（9）通过调节滑动变阻器（19）的电阻值，来控制透平组（18）的转速，不同转速的透平组（18）对气管（15）中的气体流动产生不同程度的阻尼，对气管（15）内的气流产生不同程度的阻碍效果；

液管（17）内包含液控模块（13）；液控模块（13）为两套反向安装的涡轮组（16），涡轮组（16）具有可编程电机，电机转速受控制模块（9）调节；由测控单元（7）内的蓄电池组（11）为涡轮组（16）的电机供电；两套涡轮组（16）在控制模块（9）的指令下交替工作，驱动液管（17）内的液柱（22）产生振荡流动。

2.根据权利要求1所述的深远海浮式风机气液双控式减摇控制系统，其特征在于，

浮式风机主要由风机结构（1）、浮式基础（2）和系泊系统（6）组成，浮式基础（2）由立柱（3）、浮筒（4）和箱梁（5）组成；三个立柱（3）的顶部由三个箱梁（5）呈等角度连接，三个立柱（3）的底部由浮筒（4）两两相连成三角形；系泊系统（6）连接于浮筒（4），将浮式基础（2）锚固于水底；风机结构（1）安装于浮式基础（2）的一个立柱（3）之上。