風(fēng)電安裝船裝載計算軟件設(shè)計與開發(fā)

李子凡，周喜寧，張衛(wèi)，秦小龍

(1.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226000；2.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226000)

隨著能源短缺和全球變暖問題的日益加劇，風(fēng)能作為一種可再生的綠色能源越來越受到重視。由于海上的風(fēng)能資源豐富，海上風(fēng)力發(fā)電項目具有巨大的市場競爭力[1-2]。風(fēng)電安裝船是建設(shè)海上風(fēng)電項目的重要裝備，在使用過程中，需要進行壓載水調(diào)節(jié)，以保證作業(yè)安全、平穩(wěn)地進行。沒有配備裝載計算軟件的安裝船，作業(yè)人員需采用表格形式進行裝載計算，此工作不僅繁瑣，而且容易出現(xiàn)錯誤[3]。而采用計算軟件則可以減輕作業(yè)人員工作量，提高調(diào)載效率。風(fēng)電安裝船的裝載計算軟件需具備液艙調(diào)載，重量、重心計算，樁腿反力計算等基本功能。考慮上述需求，基于QT5.7平臺框架設(shè)計開發(fā)適用于風(fēng)電安裝船的裝載計算軟件。

1 裝載計算軟件總體構(gòu)架

選擇QT5.7跨平臺開發(fā)框架，因為它具有可移植性高，后期維護方便等特性。

考慮到使用者的需求，裝載計算軟件需具備良好的可視化窗口，交互性強，操作簡單等特點，裝載計算軟件的功能系統(tǒng)劃分見圖1。

圖1 裝載計算軟件功能系統(tǒng)劃分

軟件界面按照該型風(fēng)電安裝船上其他操作軟件界面風(fēng)格進行設(shè)計，分為菜單欄，液艙顯示/操作區(qū)域，穩(wěn)性和樁腿支反力校核區(qū)域，危險提示區(qū)域組成。其中液艙顯示區(qū)域的液艙位置與艙容圖中液艙位置一一對應(yīng)，并顯示相應(yīng)液艙屬性數(shù)據(jù)，包括總艙容，當(dāng)前液體體積，液位高度及容積百分比。本軟件界面簡單清晰，通俗易懂，交互性友好。

2 液艙調(diào)載

液艙調(diào)載可分為單次調(diào)載和自動調(diào)載，單次調(diào)載需要經(jīng)驗豐富的作業(yè)者，通過調(diào)節(jié)液位，進而判斷穩(wěn)性數(shù)據(jù)是否滿足要求，若不滿足，則需繼續(xù)調(diào)節(jié)各壓載水艙液位，直到滿足操船手冊要求為止。自動調(diào)載則避免的這以繁瑣步驟，作業(yè)者通過設(shè)定最大橫傾角，縱傾角，吃水或者最大升船重量及升船重心位置與樁腿型心偏差大小，即可自動求解出一組滿足于操船手冊要求的壓載水艙液位值。

所有的工況都需要滿足操船手冊的要求，在不同工況下，本平臺需要滿足的要求，見表1。

表1 不同工況下調(diào)載要求

在漂浮工況下，最大橫傾角，縱傾角需要小于0.3°；在所有的站樁工況下，每條樁腿許用預(yù)壓載要小于3 750 t。

2.1 定義初始狀態(tài)及工況

空船重量及重心位置，樁腿重量及重心位置需要經(jīng)過傾斜試驗測量，并且通過船級社批準(zhǔn)。上述數(shù)據(jù)一般情況下不允許修改，但是平臺經(jīng)過海上作業(yè)以后，由于腐蝕，維修換板等原因，空船重量及重心位置可能會出現(xiàn)小范圍的偏差。因此，在修改上述數(shù)據(jù)時，需要結(jié)合管理密碼才能修改，保證數(shù)據(jù)的安全性及后期的可維護性。

風(fēng)電安裝船作業(yè)工況主要分為漂浮工況和站樁工況2大類，漂浮工況又分為風(fēng)場遷移工況和遠(yuǎn)洋遷移工況；站樁工況則可以細(xì)分為預(yù)壓載工況、升降工況、站立工況、起重工況和風(fēng)暴自存工況。

2.2 單次調(diào)載

調(diào)載計算的數(shù)據(jù)依據(jù)為經(jīng)船級社認(rèn)可的艙深表和靜水力表，將艙深表和靜水力表中信息以字段的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，用戶輸入指定液艙目標(biāo)液位后，數(shù)據(jù)庫自動搜索該液艙設(shè)定液位附近范圍內(nèi)的屬性值，如裝載量，重心位置，自由液面等。通過插值求解得到指定液位液艙的屬性信息。

計算得到所有液艙屬性信息后，疊加空船重量及臨時重量，求解得到當(dāng)前狀態(tài)下漂浮重量及重心位置。通過靜水力表查詢當(dāng)前狀態(tài)的吃水及浮心位置，并與操船手冊比較，判讀是否需要繼續(xù)執(zhí)行單次調(diào)載，具體流程見圖2。

圖2 單次調(diào)載計算流程

2.3 自動調(diào)載

船舶壓載水單次調(diào)節(jié)流程，需要經(jīng)驗豐富的作業(yè)人員逐個修改壓載艙的液位，并且壓載水調(diào)用量也因個人經(jīng)驗而不同。為了提高調(diào)載效率，對系統(tǒng)采用規(guī)劃求解算法，在給定吃水，橫傾角，縱傾角，升船重量，以及重心偏差后，以壓載量變化為目標(biāo)，自動求解各壓載艙液位，求解方程如下。

(1)

應(yīng)用舉例。設(shè)定吃水為a=3.873 m，橫傾角縱傾角為b=0.1°,c=0.1°，在滿足操船手冊的要求情況下，依據(jù)上述原理，點擊優(yōu)化計算，自動調(diào)載，求解得到各壓載艙的液位高度見圖3。

圖3 自動調(diào)載功能演示

3 穩(wěn)性及樁腿反力計算

風(fēng)電安裝船在漂浮工況下需要進行穩(wěn)性計算(見圖4)，在站樁工況需要進行樁腿受力分析。

圖4 漂浮工況下的穩(wěn)性計算結(jié)果輸出

本軟件集成靜力學(xué)公式，基于數(shù)據(jù)庫中的船級社認(rèn)可后的艙深及靜水力數(shù)據(jù)，可以計算出不同工況下漂浮總重量及重心浮心位置，橫傾角，縱傾角，臨時總重量，當(dāng)前工況下壓載水總量，剩余燃油重量，樁腿支反力，船重心與樁腿形心的位置偏差等。

3.1 穩(wěn)性計算

漂浮工況下平臺的橫傾角、縱傾角、自由液面修正后的重心高度的計算如下。

(2)

(3)

(4)

式中：TCG，LCG，VCG，Heel，Trim，W_F分別為平臺重心的橫向、縱向和垂向坐標(biāo)、橫傾斜和縱傾角、漂浮重量；KML，KMT為縱向和橫向的穩(wěn)性高。FSML，F(xiàn)SMT為自由液面修正。

3.2 樁腿反力計算

站樁工況下，出于船舶安全考慮，操船手冊規(guī)定，平臺重心位置與樁腿型心位置偏差不允許超過1 m。船舶重心位置與樁腿型心位置偏差以及每條樁腿的支反力通過下述方程組求解。

(5)

(6)

式中：x1，x2，x3，x4依次為艉部和艏部每條樁腿的縱向坐標(biāo)；y1，y2，y3，y4x4依次為艉部和艏部每條樁腿的橫向坐標(biāo)；F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4為每條樁腿的支反力；LEGx為樁腿形心縱向坐標(biāo)；TEGy為樁腿形心橫向坐標(biāo)；W_E為升船重量；Deviation為升船重心與樁腿重心偏差值。

圖5為站樁工況下裝載計算軟件的樁腿反力輸出。

圖5 站樁工況下裝載計算軟件的樁腿反力輸出

4 其他功能

4.1 文件處理

本軟件可以打開該船的總布置圖、艙容圖及操船手冊，使用者通過上述文件可以快速了解本船的設(shè)備布置，艙室位置以及操作要求。在穩(wěn)性校核時，需要輸入船上臨時設(shè)備的重量及重心位置數(shù)據(jù)，若使用紙質(zhì)版總圖量取位置，精確度不高，本軟件設(shè)置CAD輸入端接口，可以直接打開總布置CAD圖紙，使用者可以在上述圖紙中量取臨時設(shè)備位置，本軟件可以添加50項臨時設(shè)備重量參與穩(wěn)性校核。

4.2 危險提示

該系統(tǒng)的主要目的是為了方便使用者盡快判斷當(dāng)前壓載艙的液位調(diào)節(jié)是否滿足操船手冊要求。當(dāng)調(diào)載不滿足上述要求時，危險提示對話框背景會自動顯示為紅色，并提示錯誤原因，船員可依據(jù)提示，重新進行調(diào)載，直到滿足要求為止。

4.3 報告輸出

系統(tǒng)可以一鍵輸出當(dāng)前工況下的調(diào)載報告，包括所有固體可變載荷，液體可變載荷，穩(wěn)性數(shù)據(jù)，許用重心高度判斷結(jié)果，樁腿支反力計算結(jié)果等。計算結(jié)果不滿足船級社規(guī)范或者操船手冊要求時，自動加粗顯示不滿足要求的內(nèi)容，近一步確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4.4 安全管理

為了保證默認(rèn)數(shù)據(jù)不被修改，該系統(tǒng)添加了秘鑰管理功能，以及使用幫助文件。

5 結(jié)論

基于QT5.7跨平臺軟件開發(fā)框架，提出了一種風(fēng)電安裝船裝載計算軟件的設(shè)計方法，與一般裝載計算軟件相比具備液位自動調(diào)節(jié)功能。目前已經(jīng)兩型風(fēng)電安裝船上投入使用，用戶反映良好。

本軟件的自動調(diào)載是以最小壓載水調(diào)節(jié)量為目標(biāo)，采用規(guī)劃求解法，在滿足穩(wěn)性和操船手冊的要求下，實現(xiàn)各壓載艙液位的自動計算，使壓載水得到合理充分地利用，提高了調(diào)載效率。自動調(diào)節(jié)未考慮壓載艙調(diào)載順序的優(yōu)化，后續(xù)可進行壓載艙調(diào)載次序和調(diào)載量的多目標(biāo)優(yōu)化。