風電安裝船主尺度要素統(tǒng)計分析

王 春 雷， 林 焰*,2， 葉 超， 頡 利 東

( 1.大連理工大學 船舶工程學院, 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室, 遼寧 大連 116024 )

風電安裝船主尺度要素統(tǒng)計分析

王 春 雷1， 林 焰*1,2， 葉 超1， 頡 利 東1

( 1.大連理工大學 船舶工程學院, 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室, 遼寧 大連 116024 )

船舶主尺度決定了船舶的經(jīng)濟與技術特性，如穩(wěn)性、操縱性、快速性、載重量、造價等．在船舶設計過程中，確定主尺度是船型方案設計第一階段，是后續(xù)技術設計的重要基礎．在對第三代風電安裝船特點進行理論分析的基礎上，搜集整理了目前世界范圍內第三代風電安裝船主尺度資料，分析了風電安裝船各個主尺度對載重量敏感性的變化規(guī)律和特點．結合實踐經(jīng)驗，運用統(tǒng)計學方法回歸出了一套主尺度計算公式，并進行了穩(wěn)定性驗證，該公式可供船東選擇最佳船型尺度時和設計部門進行方案設計時或者進行船型技術經(jīng)濟性能論證時參考．

風電安裝船；主尺度確定；回歸分析；敏感性；載重量

0 引 言

自1991年丹麥建成世界首個海上風電場以來，海上風電發(fā)展迅猛，截至2016年底，世界海上風電總裝機容量已達14 384 MW[1]．與陸上風電相比，海上風電場安裝和維護環(huán)境更為復雜、技術要求更高、涉及層面更廣．最初的風電安裝設備以起重船和自升式平臺為主，但在風電場建設中，或出現(xiàn)了定位精度低、作業(yè)環(huán)境要求高，或出現(xiàn)了安裝效率低、靈活性較差等各種各樣的問題[2-3]．隨著對風電安裝設備的研究，海上風電領域逐漸出現(xiàn)了具備自升自航能力的第三代風電安裝船．

不同風電場、風機廠商，風機型號、尺寸等均存在著差異，因此風電安裝船與集裝箱船相比，其貨物并不是標準的，還應考慮貨物尺寸的變化以及最優(yōu)化等問題；風電安裝船可供參照的母型船較少，沒有主尺度比的相關統(tǒng)計，亦沒有成型的關于主尺度的經(jīng)驗公式或統(tǒng)計公式；尚沒有專門的規(guī)范和可靠的技術經(jīng)濟評價方法，這使得第三代風電安裝船主尺度的確定具有相當?shù)碾y度．目前，許多學者對化學品船、海監(jiān)船、漁政船、LNG船和浮吊船等做了主尺度分析與研究[4-7]，但至今還沒有學者對風電安裝船的主尺度特點進行研究．本文搜集50余艘風電安裝船資料，運用統(tǒng)計學方法，得到風電安裝船各個主尺度對載重量的敏感性指數(shù)，并基于最小二乘法，在滿足較高擬合優(yōu)度(R2較大)的前提下，回歸并篩選出一套風電安裝船主尺度計算公式．

1 設計規(guī)范與設計特點

對自升自航式風電安裝船的入級與檢驗尚是一種挑戰(zhàn)．首先，該船以吊裝風機為主要任務，是大型起重船；其次，它配備有樁腿升降系統(tǒng)，也是自升式平臺的一種；接下來，它需要運輸風機、葉片等，因此它又是布置型運輸船；最后，隨著風電場的深遠海化，對船上的人員住宿也提出了一定要求，以“GMS Enterprise”號風電安裝船為例，其配備了465 m3的淡水艙，包括船員在內的人員住宿多達150人[8]，所以它也屬于客貨船的范疇．盡管這些船都有了自己的設計規(guī)范和規(guī)則，但對風電安裝船來說并不能簡單地合并．因此，鑒于風電安裝船歷史短、船型復雜、很多技術問題的研究尚待深入等問題，世界各國至今還沒有對其制定專門的規(guī)范．國外方面，DNV在2002年頒布了適用于自升自航式多功能海洋服務平臺的指南——Guidelines for Offshore Structural Reliability[9]；ABS制定了Guide for Building and Classing Liftboats[10]，并于2011年對風電安裝船指定了專門的船體符號——IMR．國內方面，2012年CCS發(fā)布了《海上風機作業(yè)平臺指南》，目前該船型主要按照《鋼質海船入級規(guī)范》[11]和《海上移動平臺入級規(guī)范》[12]對沿海航區(qū)的船舶和自升式平臺的要求進行設計[13]．

設計一艘新船，要保證穩(wěn)性、操縱性、總布置等技術要求，要滿足船塢、碼頭等限制條件，還要優(yōu)化得到最佳的經(jīng)濟和社會營運效益[14]．因此，分析確定風電安裝船主尺度要素的限制條件，理清主尺度要素與船舶性能之間錯綜復雜的關系至關重要．作為一種專門的海洋工程船，風電安裝船特定的使用功能決定了其設計特點．沿船長方向布置的風機、塔架、葉片、直升機平臺、艙室等決定著船長．其次確定船長還要著重考慮對空船重量及造價的影響，要滿足快速性、操縱性以及浮力的需求等．不同于一般的運輸船舶，風電安裝船對穩(wěn)性、耐波性和總布置的要求較高，因此其型寬要比同尺度的貨船、油船等大很多．一般風電安裝船對型深沒有特別苛刻的要求，但多數(shù)情況下，這種沿海工程船在波浪上的穩(wěn)性損失對安全極為不利，而干舷對保證最大復原力臂及穩(wěn)性消失角等有顯著作用，因此其型深也較大．吃水主要影響著浮力，由于風電安裝船多呈箱形或駁船型船體，其吃水一般也就較小．

2 風電安裝船主尺度回歸

2.1 風電安裝船主尺度比范圍

通過分析50余艘風電安裝船的統(tǒng)計資料可以發(fā)現(xiàn)其主要尺度比較接近．表1為目前世界各國已建、在建或設計完成的風電安裝船主尺度比大致范圍，在已知風電安裝船的某一項主尺度時可以用表1對其他主尺度進行粗估．一般船長較大的風電安裝船的L/B、L/D、L/d都比較大，型寬較大的風電安裝船B/D較大．

2.2 正態(tài)性評估

在進行回歸分析之前，首先需要進行數(shù)據(jù)正態(tài)性評估，使用SPSS軟件計算風電安裝船船長L、型寬B、型深D、吃水d、載重量Z統(tǒng)計數(shù)據(jù)的偏度和峰度如表2所示．

表1 風電安裝船主尺度比范圍

表2 統(tǒng)計數(shù)據(jù)的偏度、峰度

2.3 敏感性分析

考慮到風電安裝船設計之初一般只會給出作業(yè)海域、所裝載風機數(shù)量、續(xù)航力、人員住宿以及船舶設備、動力裝置等，因此回歸時以載重量為出發(fā)點．參考文獻[16]所提出的相對敏感性分析方法，分別將船長、型寬、型深、吃水指標對載重量的敏感性進行計算和分析，從而定性地探討出風電安裝船各個主尺度與載重量關系的相對重要程度．

用載重量指標Z來表征風電安裝船的載重量，即載重量能力指數(shù)．它與船舶主尺度、總布置方案以及方形系數(shù)等其他因素有關．因此，可用下面的函數(shù)形式來表達Z：

Z=f(S,O)

(1)

式中：S表示風電安裝船各個主尺度，O表示其他與風電安裝船載重能力有關的船型系數(shù)或參數(shù)．

敏感性分析的目的是指從定量分析的角度，研究Z與S之間的變化規(guī)律．定義敏感性指數(shù)Sa如下：

(2)

式中：S*表示參考型船的主尺度，Z*為對應的載重量．因此，敏感性指數(shù)Sa提供了一個衡量載重量因素與主尺度指標之間相對重要程度的一種不確定分析技術，同時Sa絕對值的大小表示敏感性的大小．

本文選擇“MPI Resolution”號風電安裝船作為基本參考船型，因其船型尺度適中，數(shù)據(jù)的可靠性有所保證，又因其為世界上第一艘風電安裝船，具有一定的代表性．其主尺度要素如下[17]：船長130 m，型寬38 m，型深8 m，吃水4.3 m，載重量4 875 t．

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進行風電安裝船主尺度與載重量敏感性指數(shù)計算與分析．圖1中橫軸表示不同風電安裝船的載重量相較于參考船載重量的比值，縱軸表示不同風電安裝船的船長相較于參考船船長的比值，圖中的斜率表示船長對載重量的敏感性指數(shù)．

采用同樣的分析方法，可得到型寬、型深、吃水對載重量的敏感性如圖2～4所示．

圖1 船長對載重量的敏感性

圖2 型寬對載重量的敏感性

通過比較風電安裝船各個主尺度對載重量的敏感性，可以看出船長對載重量的變化最為敏感，而型寬對載重量的敏感性最弱(如圖5所示)．這主要因為風電安裝船型寬一般均較大，不同的風電安裝船型寬的離散趨勢較弱，觀察統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其四分位距僅為4.8 m．

圖3 型深對載重量的敏感性

圖4 吃水對載重量的敏感性

圖5 風電安裝船主尺度對載重量的敏感性比較分析

Fig.5 The comparative analysis of sensitivity of each principal dimension of wind power installation vessel to deadweight

2.4 單變量回歸分析

由于風電安裝船船長與載重量的關系最為密切，選定船長和載重量作為回歸分析的出發(fā)點．各個參數(shù)的回歸結果如下(下式中長度單位為m，載重量單位為t)，各關系曲線圖見圖6～10．

L與Z：

L=0.010 2Z+66.353；R2=0.95

(3)

(4)

圖6 船長與載重量關系

B與L：

B=0.008 5L2-2.137 4L+173.74，

R2= 0.94；L>100

B=0.432 3L+3.808 3，R2=0.91；L≤100

(5)

圖7 型寬與船長關系

D與L：

D=0.184 2L0.803 8；R2=0.95

(6)

圖8 型深與船長關系

d與L：

d=0.031 3L+1.337 7；R2=0.94

(7)

圖9 吃水與船長關系

d與D：

d= 0.044 1D3-1.210 7D2+11.179D-

29.28；R2=0.92

(8)

圖10 吃水與型深關系

分析上述散點圖，可以看到船長的分布較為分散，但多集中在70～90 m和120～140 m；型寬分布相對較為集中，多在35～45 m，且與船舶的大小無必然聯(lián)系；而吃水多分布在3.5～4.0 m和5.5～6.0 m；從趨勢線上可以明顯看到大船的型深較大．

2.5 多元回歸

采用逐步回歸分析的方法并結合上述敏感度分析結果，還可得到以下多元回歸模型供設計開發(fā)人員參考．

Z與L、B、D、d：

Z= -4 657.35+64.47L-85.64B+730.233D-

136.75d；R2=0.96

(9)

Z與L、D：

Z= 1 375.47+123.1L-2 349.7D-2.5LD-

0.094L2+173.514D2；R2=0.96

(10)

3 回歸模型的可靠性驗證實例

在使用上述回歸公式時，為便于掌握其誤差范圍，分別以“Innovation”“MPI Enterprise”“GMS Endeavour”3艘風電安裝船以及大連理工大學為渤海船舶重工設計的風電安裝船(渤船方案)為例，對上述回歸模型的回歸效果進行檢驗．其主要參數(shù)如表3所示．

表3 風電安裝船參數(shù)指標[8,17-18]

由表4可見，本文所提出的統(tǒng)計公式回歸結果的誤差基本都在10%左右的范圍內，說明回歸效果較為顯著，回歸模型整體上較為合理，分析、整理出的回歸方程具有一定的針對性和代表性．

表4 模型回歸效果檢驗

4 結論與建議

(1)風電安裝船主尺度的確定屬于布置型船問題．為滿足特殊工程作業(yè)需要，一般風電安裝船方形系數(shù)較大(0.6左右)，載重量系數(shù)較小(0.3左右)，弗勞德數(shù)多在0.10～0.20．

(2)風電安裝船各個主尺度要素相互影響，擬定時要兼顧各種性能，選取適宜的主尺度比．隨著海上風電的深遠海化，對風電安裝船主尺度帶來的影響是一方面型寬和型深有所增大，另一方面可能會朝著雙甲板發(fā)展[19]．

(3)4艘風電安裝船驗證表明本文所提出的回歸公式的擬合效果較為明顯，應用回歸分析法來研究風電安裝船主尺度要素之間的規(guī)律是可行的．今后還可進一步嘗試應用多目標規(guī)劃、神經(jīng)優(yōu)化等方法對其主尺度進行研究[20-22]．

(4)影響主尺度要素的因素很多，統(tǒng)計公式的結果反映的只是平均值，比如盡管式(8)擬合效果較好，但對“MPI Enterprise”船的計算結果與實際值相比仍有一定偏差．因此在具體應用過程中，可按照相近的母型船資料進行適當修正．

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Statisticalanalysisofprincipaldimensionsofwindpowerinstallationvessel

WANG Chunlei1, LIN Yan*1,2, YE Chao1, XIE Lidong1

( 1.School of Naval Architecture & Ocean Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China； 2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

The ship′s principal dimensions determine the economic and technical characteristics of the ship, such as stability, maneuverability, speed, deadweight, cost and so on. In the process of ship design, it is confirmed that the determination of principal dimension is the first stage of ship design,and it is an important foundation for the follow-up technical design. The characteristics of wind power installation vessels (Generation Ⅲ) are analyzed theoretically, and worldwide information about principal dimensions data of wind power installation vessels at present is collected and sorted. The sensitivity of each principal dimension to deadweight is analyzed. A new solution to hull principal dimensions is regressed based on statistics and practical experience, and its reliability is tested and proven. It can be used as a reference when doing project design by designers or selecting the optimal principal dimensions by shipowners. In addition, it can also help to carry out technical economic performance discussion.

wind power installation vessel; determination of principal dimensions; regression analysis; sensibility; deadweight

1000-8608(2017)05-0482-06

2016-12-05；

2017-07-26．

海洋可再生能源專項資金資助項目(QDME2013ZB01)；工業(yè)和信息化部高技術船舶科研計劃資助項目(工信部聯(lián)裝[2014]498號)；廣東省科技計劃項目(2015B090904010，2016B090918092).

王春雷(1992-)，男，碩士生，E-mail:wang_chunlei@aliyun.com；林 焰*(1963-)，男，教授，博士生導師，E-mail:linyanly@dlut.edu.cn.

U674.2

A

10.7511/dllgxb201705007