海上风能行业中的安全作业
丹麦的Anholt海上风电场目前正在建设中，位于卡特加特，在 Djursland 和 Anholt 岛之间。项目最初委托给DONG Energy，估计总投入为 100 亿丹麦克朗。 2011 年 3 月，DONG Energy将……
背景
丹麦的Anholt海上风电场目前正在建设中，位于卡特加特，在 Djursland 和 Anholt 岛之间。项目最初委托给DONG Energy，估计总投入为 100 亿丹麦克朗。
2011 年 3 月，DONG Energy 将 Anholt 海上风电场 50% 的股份出售给 PensionDanmark 和 PKA，他们分别持有 30% 和 20% 的股份。风电场预计在 2012 年至 2013 年之间完工，容量将达到400 兆瓦，提供的电力足以满足丹麦约 4% 的总用电量。因此，它将成为丹麦最大的海上风电场。
风电场建设的挑战
111 台 3.6 MW功率的风电机组将由西门子风力发电公司提供，安装在水深 15至19 m的位置，地基的建造和风机安装由丹麦的 MT Højgaard A/S公司承包。
地基由直径约 5m、壁厚 50-90 mm 的桩打入海底组成。长度通常会根据具体位置进行调整，从 37m 到54m 不等。通过大型液压锤将桩打入海底，根据水深和海床条件，桩的嵌入深度在18m到36m之间。重型桩重达 460 吨。如果桩碰到海床下方的巨石，巨石将被钻机移除。
钻机由 MT Højgaard A/S公司提供，并使用 HLV SVANEN 安装船从仓库位置运输到钻孔施工现场。在安装船运输过程中或者恶劣天气下停靠在港湾，钻机都需要固定在安装船上。出于操作和安全考虑，钻机只能在最大1m高的海浪中运输和部署。
负责这项研究工作的 KEH的海上工程师 Mr.Zoia说：“Adams 软件通过模拟现实世界中复杂的信息，包括刚体、柔性体、弹簧、阻尼器、运动副及其它机构部件，帮助我们理解相关的运动和受力。Adams不对仿真的内容设置任何限制，可以快速地组装复杂模型。结构的每个部分都可以在仿真过程中进行可视化，结果绘图也能很方便地显示。可以将所有的海浪运动都添加到动力系统中，以便详细研究其动力学特性，确保海上作业的安全并降低安装风电场的风险和成本。”
方法
首先，将由CAD软件创建的3D模型，包含 HLV SVANEN安装船、钻机及起重机起重零件（吊具、起重机构、固定机构），导入到 Adams。接着，为 3D 模型的各个部分添加密度和其他材料属性。所有运动零件都通过移动副、旋转副、球副和圆柱副连接在一起，尽可能还原真实的系统特性。
Knud E. Hansen A/S (KEH) 与 MT Højgaard A/S 签约，来评估运输时钻机在海浪下的运动，并计算当浪高1m时，固定缆绳上的最大张力。
体动力学分析提供更精确的模型
使用了 MSC Software 的 Adams来进行钻机运动分析。Adams 是使用广泛的多体运动分析解决方案。Adams 可以分析运动部件的动力学、载荷和力在整个机械系统中分布情况，并进行改进和优化设计。Adams 可以仿真现实中复杂多体系统的各种运动。
系统中的钢绳和纤维绳被定义为具有与实际绳索相同材料特性（密度、杨氏模量、泊松比和阻尼系数）的柔性体。绞车的预紧力是使用预加载弹簧阻尼器定义的。然后，将驱动、约束、风力和绞车预紧载荷施加到 HLV SVANEN安装船上。对之前定义的安装船的最大响应运动工况进行分析。
通过动态分析评估钻机的最大位移，以及满足客户所要求的和安全海上作业所需的最小绞车拉力。完整的 3D 动态模型如图 1-3 所示。
图1: Adams3D动态模型
图 2: Adams3D动态模型
图3: Adams3D动态模型
Adams 软件通过模拟现实世界中复杂的信息，包括刚体、柔性体、弹簧、阻尼器、运动副和其它机构部件，帮助我们理解运动及受力。Adams不对仿真的内容设置任何限制，并且可以快速地组装复杂模型。”
—— MircoZoia, NavelArchitect&OffshoreEng.
KnudE. HansenA/S
海事规定和安全系数
动态分析是根据 DNV 海上作业规划和执行规定进行的。根据这些规定，使用α系数为0.85。α系数规定了海上作业的安全裕度。
例如，α系数为0.85 表示对于设计的波浪高Hsd=1.00m，允许的最大操作海浪波高应为Hso=1.00*0.85=0.85m。
最大允许位移和缆绳张力
对于这项研究，要满足的最低要求是:
• 为防止损坏固定的物品和绞车，固定缆绳上的张力不得超过绞车和绳索的最大制动力 (MBP)。
• 为了防止部件之间发生碰撞并且保证安全地进行海上作业，在钻机和 HLV SVANEN 的结构/甲板上的物品之间要保证足够的间隙。
• Drill Extension 和钻机BHA之间的角度不超过 6.8 度。
作业情况
本研究考虑了以下两种情况：
1. 钻机在风浪中运到基座桩的安装现场。
• JONSWAP频谱
• 有效波浪高Hs=1.18m
(最大允许操作波浪高Hso=Hs*α=1.00m，α=0.85)
• 波浪期5s<Ts<7s
• 水深15m至28m
• 航向0,45,90度.
• 风速15m/s
2. 钻机在庇护区，只有强风作用。
• 风速63m/s
• 航向0,45,90度.
• 在这种情况下没有考虑 HLV SVANEN安装船的波浪运动，因为 HLV SVANEN 将处于庇护区并只暴露在强风中。
风浪中航向90°运输钻机的结果分析
(最糟糕的作业条件)
90 度航向时，DrillExtension和钻机底部孔组件 (BHA DR) 之间的最大角度，（最糟糕的作业条件）如图 4 所示。角度的定义如图 5 所示。
图 4: Drill Extension 和 BHA DR之间的最大角度随时间变化的图
图 5: DrillExtension和BHADR之间角度
将 DR 保持在最大允许角度（DRExtension-BHA DR ）内所需的六个绞盘和两个固定点固定缆绳的张力，分别如图 6 和图 7 所示。固定缆绳的名称和位置见图8。
图 6: 绞车缆绳张力随时间变化图
图 7: 固定点缆绳的张力随时间变化的图
图 8: 固定缆绳的名称和位置
注意：动态系统有 40 秒的延迟，以便在初始化运动之前找到重力的“准静态”平衡位置（因为总是存在非常小的振荡）。在此期间，绞车将向缆绳施加必要的预紧力，系统将进行振荡来找到“准静态”平衡。
最坏运行情况（航向 90 度时）的结果表明，在运输过程中，浪高Hso=1.0m，并且暴露在速度为 15m/s 的风中时，HLV SVANEN 安装船上的钻机紧固装置足以安全地进行所需的海上作业：
• 固定缆绳上的张力不超过绞车的最大制动力 (BP)。
• 不同部件之间没有碰撞，并且在钻机和 HLVSVANEN 的结构/甲板上的物品之间有足够的间隙，能够保证海上安全作业。
• Drill Extension 和钻机BHA之间的角度不超过最大允许值。
• 表1显示了使钻机保持在位置上，满足最大允许的DR Extension-BHA角度，所需要的的绞车的预紧力。
表 1：90°航向时的结果
