深水半潛式鉆井平臺動力定位實時功率模擬研究

楊 歡，王 磊，申 輝

(上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

深水半潛式鉆井平臺動力定位實時功率模擬研究

楊 歡，王 磊，申 輝

(上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

以某深水半潛式鉆井平臺為例，建立平臺和推力系統(tǒng)模型，對風、浪、流環(huán)境載荷作用下的動力定位系統(tǒng)進行時域模擬，得到平臺的運動時歷和功率消耗，對平臺動力定位的實時功率進行研究。為了驗證數(shù)值計算的準確性，開展相關模型試驗研究。旨在借助時域模擬來分析平臺動力定位實時功率，通過模型試驗來驗證數(shù)值計算，檢驗了動力定位時域模擬的可靠性和優(yōu)越性，為以后工程實際應用提供了重要的理論依據。

動力定位;時域模擬;實時功率;海洋平臺

隨著陸地資源的不斷匱乏，人類對于能源的需求日益增長，開發(fā)深海資源成為未來的大勢所趨。因此海洋工業(yè)在世界范圍內不斷興起，掀起了海洋石油、天然氣、深海漁業(yè)、礦業(yè)以及海洋新能源的研究熱潮。動力定位系統(tǒng)可為深海資源的開發(fā)(如石油鉆探、開采等)提供保障，已逐步成為深海工業(yè)主要技術之一［1］。

動力定位是使海上浮動結構物利用其自身動力抵御海上風、浪、流的影響，自動保持于設定位置和方位上的一項技術。動力定位系統(tǒng)是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，其原理是利用某種感應元件將在外界擾動力作用下浮體的水平漂移量與方位偏差及時感應和檢測出來，再根據外界擾動力的影響計算出所需的力和力矩，并對安裝于船舶或平臺上的各推力器進行推力分配計算，發(fā)出指令使各推力器產生相應推力，從而使船舶或平臺不斷糾正偏移狀態(tài)，定位于所要求的精度范圍內［2］。

動力定位系統(tǒng)的定位精度和功率消耗是實際工程應用中兩大重要問題。國內外不少學者在研究動力定位問題時對系統(tǒng)功率消耗進行過研究，例如動力定位系統(tǒng)功率消耗隨水深變化的規(guī)律研究以及定位精度隨功率消耗的變化研究等。鑒于動力定位系統(tǒng)實時功率模擬的困難性，對風浪流載荷作用下的半潛平臺動力定位系統(tǒng)進行時域模擬，以得到其實時功率模擬情況，并開展模型試驗來驗證時域模擬，檢驗了動力定位系統(tǒng)數(shù)值計算的可靠性和優(yōu)越性，為以后工程實際應用提供重要的理論依據。

1 理論介紹

1.1 平臺運動方程

式中:u，v，w 為線位移速度;p，q，r為角位移速度;m 為平臺質量，包括流體附加質量;Ixx，Iyy，Izz，Izx為質量慣性矩，包括附加質量部分;X，Y，Z分別為x，y和z方向的外力;K，M和N分別為x，y和z方向的外力矩。

在計算螺旋槳推力Ti時，首先由模型試驗或理論方法計算得到推力器的敞水性能，根據軸向進速查取推力器敞水性能參數(shù)，便可計算得到推力、轉矩及消耗功率:

圖1 半潛平臺動力定位時域模擬原理示意Fig.1 Model of motion simulation for DP semi-submersible platform

1.2 時域模擬原理

動力定位的時域模擬又稱為動態(tài)模擬，就是對在動力定位控制下的半潛平臺的真實運動進行實時模擬，對運動狀態(tài)做時域模擬能顧及到更多的因素和限制條件，從而能更接近實際情況，同時獲得許多有價值的信息，如動力定位精度、功率消耗等。深水半潛平臺動力定位運動模擬的流程如圖1所示。主要模塊包括風浪流環(huán)境力的計算模型、控制系統(tǒng)模型、推力系統(tǒng)模型以及平臺運動方程［4］。

2 環(huán)境載荷計算

2.1 風載荷計算

風載荷一般采用模塊法進行計算。風力及風力矩的一般表達式［5-6］:

式中:Fxw，F(xiàn)yw，Mxyw分別為縱向風力、橫向風力、首搖風力矩;ρw為空氣密度;Cxw(φwR)，Cyw(φwR)和 Cxyw(φwR)分別為縱向風力系數(shù)、橫向風力系數(shù)、首搖風力矩系數(shù);AT為首向受風面積;AL為側向受風面積;Lpp為兩柱間長;VwR為海平面以上10 m處相對風速。

2.2 流載荷計算

流載荷可沿OX軸和OY軸方向分解為縱向流力Fxc和橫向流力Fyc?？紤]到船的漂移運動，在此采用船與流體的相對速度［7-8］，則有:

式中:ρc為海水密度;Fxc，F(xiàn)yc和 Mxyc分別為縱向流力、橫向流力、艏搖流力矩;Cxc(φcR)，Cyc(φcR)和 Cxyc(φcR)分別為縱向流力系數(shù)、橫向流力系數(shù)和艏搖流力矩系數(shù);d為船平均吃水。

2.3 波浪力計算

波浪漂移力是二階差頻波浪力的低頻部分，因此在本質上是一種非線性力，表現(xiàn)為以低頻率緩慢變化的力，在數(shù)值上較一階波浪力小得多，但會導致海上平臺的大幅水平運動，特別在某些諧搖的情況。

邱 實(通信作者) 男 1986年生，中科院西安光學精密機械研究所助理研究員，博士，研究方向：圖像處理、信號與信息處理，模式識別，微波技術.

由二階傳遞函數(shù)，應用Fourier變換，可以得到二次脈沖響應函數(shù) g(τ1，τ2)［9-10］:

給定波浪時歷ζ(t)，則可得到二階波浪力的時歷:

3 動力定位實時功率模擬算例

3.1 半潛平臺主尺度

以某一深水半潛式鉆井平臺為例，建立平臺和推力系統(tǒng)模型。平臺主要構件包括:下浮體2個、柱形連接構件2個、立柱4根、主甲板、箱型甲板、居住艙樓、井架臺、井架、起重機和直升機臺等。平臺的主要參數(shù)如表1所示。

表1 半潛平臺主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of semi-submersible platform

本次計算中采用8個全方位推力器來控制平臺的定位，四個安裝在下浮體的外側，四個在內側，且相互于縱橫中心線對稱。螺旋槳的直徑為3.6 m，最大功率為4 600 kW，內側螺旋槳距離中心線的距離為43.36 m和23.79 m，外側螺旋槳距離橫縱中心線距離分別為43.76 m和34.77 m。具體安裝位置如圖2所示。

3.2 動力定位時域模擬

該平臺主要工作海域為我國南海，同時兼顧世界范圍內其他主要海域(東南亞、西非)的工作特點，因此作業(yè)工況環(huán)境條件為風速23.15 m/s，流速0.93 m/s，采用 JONSWAP譜，有義波高為6.0 m，譜峰周期為11.21 s。此海況為平臺在南海海域的工作海況，屬于6級海況。風、浪、流同向為最惡劣的海況，因此取風、浪、流同向聯(lián)合作用，平臺的艏向角選取90°，且假定所有推力器完好。計算中設計水深為3 000 m。

利用Marin開發(fā)的軟件DPSEMI，對平臺動力定位進行時域模擬，計算時間取600 s，每0.5 s進行數(shù)據采集和記錄，得到平臺水平運動的時歷。表2統(tǒng)計了平臺時域模擬的平均位移、艏向和功率。

圖2 推力器安裝位置示意Fig.2 Layout of thrusters

表2 半潛平臺時域模擬結果Tab.2 Results of time domain simulation

圖3 平臺各運動參數(shù)歷時曲線Fig.3 Time series of platform

3.3 動力定位模型試驗

試驗在上海交通大學海洋工程國家重點實驗室的海洋工程水池進行，水池的主要尺度為50 m×30 m×6 m(長×寬×深)，可以模擬風、浪、流各種海洋環(huán)境條件并能根據試驗要求改變水深。根據海洋工程水池的實際情況及模型試驗的要求，選擇縮尺比λ=50。試驗中，對半潛平臺的平臺主體、上層建筑、吊機等結構進行了模擬。動力定位系統(tǒng)的推力裝置和控制系統(tǒng)為上海交大海洋工程國家重點實驗室自主設計的全回轉推進裝置和控制軟件——上海交通大學動力定位系統(tǒng)。水深的模擬由調節(jié)海洋工程水池的可升降假底來實現(xiàn)，平臺的工作水深為3 000 m，本次實驗的主要目的是測量其動力定位能力，水深對系統(tǒng)的影響不大，因此用80 cm水深來模擬。試驗中模擬的海洋環(huán)境條件如表3所示。

表3 平臺作業(yè)狀態(tài)環(huán)境條件Tab.3 Environmental condition in operation case

用于本試驗的測試儀器是非接觸式光學六自由度運動測量與分析系統(tǒng)，測量平臺在風浪流作用下的三個自由度運動，即:縱蕩，橫蕩，及首搖。包括:控制箱、計算機一臺、Z-推全回轉推力器8套、浪高儀、六分力儀、照相機、攝像機。上述測試儀器在正式試驗以前都經過仔細的校驗和標定，以確保試驗中測量數(shù)據的正確可靠。

動力定位模型試驗數(shù)據轉換成實型，試驗結果見表4。圖4將平臺的推力系統(tǒng)總功率時歷曲線與時域模擬進行對比。

表4 計算與試驗工況結果的對比Tab.4 Comparison of results between calculation and model test

圖4 兩種工況條件下推力系統(tǒng)總功率時歷對比Tab.4 Time series of total power in model test condition and calculation condition

3.4 結果分析

平臺的動力定位，需要從定位精度和功率消耗兩個角度進行分析。本文根據試驗工況對比分析平臺動力定位的實時功率，得到以下結論:

1)如圖3所示，平臺的漂移半徑和螺旋槳總功率的時歷曲線能夠很清晰地反映出平臺在整個動力定位中的漂移情況和與此對應時刻的功率消耗。由于平臺在90°浪向角度時，對海流和波浪具有最大的接觸橫截面積，所以運動幅值較大，給動力定位帶來一定困難。通過對比可以看出，平臺漂移和螺旋槳功率曲線均呈現(xiàn)小幅度的波動，并且波動規(guī)律具有較好的一致性，波峰和波谷相互交替出現(xiàn)，實驗規(guī)律吻合。從圖中可知，動力定位螺旋槳的最大功率是在最大位移和最大艏向角的出現(xiàn)后出現(xiàn)的，這表明，動力定位系統(tǒng)是實時作用系統(tǒng)，并且在本系統(tǒng)中由于需要先計算出平臺位移量才進行推力分配，所以，推力器作用最大功率出現(xiàn)時間相對位置偏移時間會滯后一些，這也反映了動力定位系統(tǒng)的后反饋效應。

2)如圖4所示，計算工況的動力定位時域模擬推力系統(tǒng)總功率的時歷曲線的記錄時間為600 s，而試驗工況的記錄時間為5 000 s。從圖中對比可以看出，模型試驗結果和理論計算在趨勢上吻合較好。螺旋槳的總功率均在27 000 kW附近波動，但是幅值不大。在5 000 s的試驗工況中，定位能力時域模擬圖像大致呈現(xiàn)循環(huán)波動。

3)表3對比了計算工況和試驗工況平臺的平均位移、艏向和功率，兩者吻合較好。計算結果表明，平臺的最大漂移半徑為10.87 m，最大艏向角為－0.81°，根據以往經驗，平臺的漂移半徑遠遠小于水深的2%，說明平臺動力定位效果良好。推力系統(tǒng)平均功率為26 640.82 kW，與試驗工況相比，誤差百分比為3.55%，因此功率消耗比較理想。

總之，計算值與試驗值吻合較好，說明該數(shù)值計算方法可行。同時，由于試驗螺旋槳安裝過程中齒輪傳動之間可能有些間隙，導致螺旋槳使用率的偏差，再加上試驗過程中測量裝置有些誤差，導致測量數(shù)據的偏差。但是總的趨勢還是比較好的反應了上述數(shù)值計算的結果。在以后的模型試驗中，將要確保螺旋槳使用率和測量裝置精度，來減小試驗誤差。

4 結語

以深水半潛式鉆井平臺為研究對象，建立平臺和推力系統(tǒng)模型，對平臺的動力定位系統(tǒng)進行時域模擬，得到平臺的運動時歷和功率消耗，對平臺動力定位的實時功率進行研究，并開展了相關的模型試驗研究。計算值與試驗值吻合較好，說明數(shù)值計算方法的可行性。該方法可以很好地對平臺推力系統(tǒng)的功率消耗做實時模擬。因此今后需要更加重視動力定位數(shù)值計算，更好地開發(fā)其時域模擬方法，為以后工程實際應用提供了重要的理論依據。

［1］Wang Lei，Yang Huan，Zhang Shen.Research on critical depth of water for a deep sea semi-submersible drilling platform based on dynamic positioning［C］∥ISOPE.2010.

［2］王 磊，孫 攀，王 亮.深水半潛平臺動力定位時域模擬研究［J］.中國科學，2011(2):123-131.

［3］趙志高，楊建民，王 磊，等.動力定位系統(tǒng)發(fā)展狀況及研究方法［J］.海洋工程，2002，20(1):91-97.

［4］李勇躍，王 磊，孫 攀.深水半潛式鉆井平臺動力定位最優(yōu)作業(yè)方向研究［J］.海洋工程，2011，29(1):26-31.

［5］Sahin I，Aybar A.A survey of research on wind loads on semisubersibles［C］∥IEEE Oceans.1984:548-555.

［6］Ir F van Walree.Wind and Current Loads on Semi-subersibles［R］.MARIN:No.49817-5-SE，1991.

［7］Wichers J E W.A Simulation Model for a Single Point Moored Tanker［M］.Publ.797.MARIN，Wageningen，the Netherlands，1988.

［8］O M Faltinsen.Sea Loads on Ships and Offshore Structures［M］.Cambridge University，1990.

［9］J A Pinkster.Low Frequency Second Order Wave Exciting Forces on Floating Structures［M］.MARIN Publication，No.650，1980.

［10］劉應中，廖國平.船舶在波浪上運動理論［M］.上海:上海交通大學出版社，1987.

Research on real-time power simulation of dynamic positioning based on a deep sea semi-submersible drilling platform

YANG Huan，WANG Lei，SHEN Hui
(State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

This paper takes a deep sea semi-submersible drilling platform as an example，makes time domain simulation for dynamic positioning system，achieves time series of the displacement and consumed power of the platform and conducts researches on real-time power simulation.To verify numerical simulation，dynamic positioning model test is conducted.The computed results agree well with test data，which indicates this method is available.This paper is aimed to study real-time simulation of dynamic positioning，verify results of calculation by model test，summarize the reliability and superiority of time domain simulation and provide important theoretical bases for engineering application in the future.

dynamic positioning;time domain simulation;real-time power;offshore platform

P751

A

1005-9865(2012)02-0014-06

2011-11-03

工業(yè)信息化部高技術船舶科研資助項目

楊 歡(1986－)，女，河北人，碩士生，主要從事動力定位研究。E-mail:handsomejay@163.com

王 磊。E-mail:wanglei@sjtu.edu.cn