深水半潛平臺(tái)錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)錨鏈布置方式影響分析

王溢俊， 王 磊， 蔣圳佯， 陳詩洋

（上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200230）

深水半潛平臺(tái)錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)錨鏈布置方式影響分析

王溢俊， 王 磊， 蔣圳佯， 陳詩洋

（上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200230）

隨著海洋資源開發(fā)的深入，作為海洋資源開發(fā)的主要工具，深水半潛式平臺(tái)及其相關(guān)研究越來越受到重視。為了給實(shí)際工程中深水平臺(tái)的定位系統(tǒng)布置提供參考，著手研究不同錨鏈布置方式對(duì)深水半潛式平臺(tái)的定位能力的影響，針對(duì)較為新穎的錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)，研究了錨泊系統(tǒng)布置方式的變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的定位能力，功率消耗等的影響程度。從一艘半潛式平臺(tái)入手，分別對(duì)兩種不同錨鏈布置方式下的錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行全動(dòng)態(tài)時(shí)域模擬，從而得到在不同的迎浪角度下平臺(tái)的水平偏移以及總功率消耗的時(shí)歷曲線，并歸納其統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行比較。分析結(jié)果得知，增加錨鏈數(shù)量能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的定位能力。平臺(tái)越趨于橫浪時(shí)，增加錨鏈數(shù)量的輔助定位效果越明顯，能耗越小，經(jīng)濟(jì)性越好。所作研究為實(shí)際工程中錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提供了一定的借鑒和參考。

錨泊輔助動(dòng)力定位;時(shí)域模擬;半潛式平臺(tái);錨鏈布置方式

0 引言

當(dāng)今世界，能源問題在國際舞臺(tái)上越來越多地被提及。21世紀(jì)人類正邁入海洋經(jīng)濟(jì)時(shí)代，人們對(duì)海洋開發(fā)和探索范圍越來越大，從而對(duì)浮式生產(chǎn)系統(tǒng)(包括半潛平臺(tái)，生產(chǎn)油輪)的系泊方式研究日益重視［1］。

最初，在近海的石油勘探和浮式生產(chǎn)中，廣泛使用錨泊系統(tǒng)進(jìn)行平臺(tái)定位［2］，但是，由于探索范圍的擴(kuò)大以及海洋深度的增加，普通錨泊系統(tǒng)的效果受到了很大影響［3］。而動(dòng)力定位技術(shù)［4］隨后邁入了海洋工程領(lǐng)域的歷史舞臺(tái)。動(dòng)力定位系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)［5］，通過合理的控制策略使平臺(tái)保持動(dòng)態(tài)平衡?？紤]進(jìn)功率消耗等問題后［6］，一種新的嘗試希望把動(dòng)力定位系統(tǒng)和錨泊定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，這就是錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)。

錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)在國內(nèi)仍屬于未充分開發(fā)的領(lǐng)域，怎樣能使得錨泊系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)很好地結(jié)合一直是個(gè)較前沿的問題。錨泊系統(tǒng)包括了錨、錨鏈、錨機(jī)以及其他設(shè)備［7］。其中，錨鏈的相關(guān)參數(shù)包括粗細(xì)、數(shù)量以及布置方式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的定位能力尤為重要。本文將側(cè)重于分析錨鏈的數(shù)量以及布置方式對(duì)錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)的影響。Smith等［8］比較了4種不同的錨泊系統(tǒng)布置方式的定位能力。陳徐均等［9］推導(dǎo)不同的布鏈方式下錨泊系統(tǒng)所提供的首搖以及橫搖回復(fù)力矩的大小，當(dāng)錨鏈數(shù)量以及布置方式改變時(shí)，對(duì)錨泊定位系統(tǒng)的影響是不能忽略的。這也使得研究錨鏈布置方式對(duì)錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)的影響有了非常重要的意義。

本文針對(duì)一艘半潛式平臺(tái)，設(shè)置了兩種錨鏈數(shù)量不同的錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)，從定位精度和功率消耗比較兩種不同錨鏈布置方式下的錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)差異，研究錨鏈布置方式對(duì)定位系統(tǒng)的影響。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 平臺(tái)時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程

半潛式平臺(tái)在外力作用下的低頻運(yùn)動(dòng)方程為［10］:

式中:u，v，w為線位移速度，即x·，y·，z·(上點(diǎn)表示對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù));p，q，r為角位移速度，即·，θ·，Ψ·;m為平臺(tái)質(zhì)量，包含流體附加質(zhì)量;Ixx，Iyy，Izz，Izx為質(zhì)量慣性矩，也包括附加質(zhì)量部分;X，Y，Z分別為x，y和z方向的外力;K，M，N分別為x，y和z方向的外力矩。

1.2 錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)

對(duì)于錨泊系統(tǒng)，可利用懸鏈線方程及其推論進(jìn)行求解。對(duì)于動(dòng)力定位系統(tǒng)［11］，推力、轉(zhuǎn)矩及功率的計(jì)算公式為［12］:

式中:n為螺旋槳轉(zhuǎn)速;Q為螺旋槳的轉(zhuǎn)矩;D為螺旋槳的直徑;KT為推力系數(shù);KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，KT，KQ可根據(jù)軸向進(jìn)速在螺旋槳敞水性征曲線上查取。

2 算例

2.1 平臺(tái)模型

研究對(duì)象為一半潛式平臺(tái)，由上下2個(gè)浮體、4根立柱、甲板以及上層建筑組成，平臺(tái)參數(shù)詳見表1。

表1 半潛式平臺(tái)主要參數(shù)表

2.2 動(dòng)力定位系統(tǒng)參數(shù)

動(dòng)力定位系統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)采用8個(gè)全回轉(zhuǎn)導(dǎo)管推力器器，推力器最大功率4.200 MW，推進(jìn)器的布置圖如圖1所示。

圖1 動(dòng)力定位系統(tǒng)推進(jìn)器布置示意圖

2.3 錨泊系統(tǒng)參數(shù)

錨泊系統(tǒng)通常包括多根錨泊線，其布置形式一般是對(duì)稱布置［13］，本次的錨泊系統(tǒng)采用的是8點(diǎn)分散式懸鏈線系統(tǒng)，每點(diǎn)連接1根三段復(fù)合式錨鏈，共8根，對(duì)稱分布于4支立柱外側(cè)。每根錨纜總長4 300 m，系泊半徑3 889 m，錨鏈各段破斷強(qiáng)度及材料特性等參數(shù)見表2。

本文討論兩種在實(shí)際工程中應(yīng)用較多的錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)(8纜錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)，4纜錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng))在輔助定位性能上的不同。8纜系統(tǒng)(系統(tǒng)1)及4纜系統(tǒng)(系統(tǒng)2)的布置詳見表3，示意圖如圖2所示。

表2 組合錨鏈主要物理屬性(水深1 500 m)

表3 系統(tǒng)1布置參數(shù)

圖2 錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)布置示意圖

作為比較，在原8纜系統(tǒng)的基礎(chǔ)上去掉4根纜，4個(gè)導(dǎo)纜孔的位置仍然對(duì)稱分布在支柱的外側(cè)，構(gòu)成4纜錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)，其參數(shù)詳見表4。

表4 系統(tǒng)2布置參數(shù)

2.4 環(huán)境條件

研究選取平臺(tái)正常工作的海況，取風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用作為計(jì)算的環(huán)境條件。平臺(tái)在海上定位后，由于海洋環(huán)境條件的復(fù)雜性，各方向都有可能成為迎浪方向，只是作用時(shí)間長短不同。本文除了選擇船艏迎風(fēng)浪的180°浪向外，另外選擇了具有代表性的225°與270°浪向來綜合分析，分別模擬 180°、225°、270°迎浪時(shí)錨泊輔助動(dòng)力系統(tǒng)的表現(xiàn)。計(jì)算水深為1 500 m，詳細(xì)計(jì)算環(huán)境條件如表5所示。

表5 平臺(tái)作業(yè)狀態(tài)環(huán)境條件

3 計(jì)算結(jié)果

使用DPSEMI軟件進(jìn)行時(shí)域模擬［14］，分別模擬系統(tǒng)1、2 在180°、225°以及 270°迎浪時(shí)的表現(xiàn)，并最終得到水平偏移和總功率消耗的時(shí)歷曲線［15］及其統(tǒng)計(jì)值。平臺(tái)在不同迎浪角度下的水平偏移時(shí)歷曲線如圖3所示。兩種錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)在不同迎浪角度下的總功率消耗如圖4所示。

通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，各迎浪角下2種錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)的水平偏移以及功率消耗的統(tǒng)計(jì)值見表6、7。2個(gè)錨泊系統(tǒng)下平臺(tái)的首搖角只有微小的差別，且角度很小，在此不作羅列。

圖3 不同迎浪角度下的平臺(tái)偏移

圖4 不同迎浪角下的平臺(tái)功率消耗

表6 平臺(tái)水平偏移統(tǒng)計(jì)值

表7 平臺(tái)總功率消耗統(tǒng)計(jì)值

4 結(jié)果分析

分析上述時(shí)歷曲線圖以及統(tǒng)計(jì)值表，可以得出:

(1)3種迎浪角下，系統(tǒng)1相較系統(tǒng)2的偏移值有不同程度的減小。180°迎浪時(shí)，系統(tǒng)1的水平偏移的平均值比系統(tǒng)2減小了6.77%;225°迎浪時(shí)，減小了 14.26%;270°迎浪時(shí)，減小了 27.45%。

(2)3種迎浪角下，系統(tǒng)1下平臺(tái)所消耗的總功率的平均值都明顯小于系統(tǒng)2。180°迎浪時(shí)，系統(tǒng)1相較系統(tǒng)2所耗功率減少了5.21%;225°時(shí)，減少了10.66%;270°時(shí)，減少了 23.24%。

(3)3種迎浪角度下系統(tǒng)1的定位性能都優(yōu)于系統(tǒng)2，這與錨泊定位系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律相一致。

(4)當(dāng)平臺(tái)越趨向于頂浪時(shí)，錨泊輔助系統(tǒng)對(duì)定位能力的提高效果越不明顯，這是由于趨近于頂浪時(shí)，平臺(tái)的偏移較小，對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的負(fù)荷也較輕，動(dòng)力定位系統(tǒng)的定位效果就越好。這可以從數(shù)據(jù)中反映出來:270°時(shí)的水平偏移平均值與180°時(shí)相比增加了14.22%(系統(tǒng) 1)和 49.58%(系統(tǒng) 2);270°時(shí)所消耗總功率的平均值與180°時(shí)相比增加了39.89%(系統(tǒng)1)和63.87%(系統(tǒng)2)。故而，越趨近于頂浪時(shí)，動(dòng)力定位系統(tǒng)的定位效果越好，錨泊輔助系統(tǒng)的輔助效果也就越不明顯。相反，平臺(tái)越趨近于橫浪，其輔助效果越顯著。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)錨鏈布置方式的影響分析，可以得出如下結(jié)論:

(1)總體來說，通過增加錨鏈的數(shù)量可以有效地提高錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)的定位能力，減少定位系統(tǒng)的功率消耗。且平臺(tái)越趨向于橫浪時(shí)，其對(duì)定位系統(tǒng)的輔助效果越明顯。

(2)當(dāng)平臺(tái)頂浪時(shí)，錨泊輔助系統(tǒng)對(duì)定位能力的提高效果不明顯。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，在考慮是否增加錨鏈時(shí)應(yīng)計(jì)及錨鏈鋪設(shè)的成本。在設(shè)計(jì)錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)時(shí)，如果平臺(tái)需要長時(shí)間保持定位或者不得不接近于橫浪工作，可以通過增加錨鏈數(shù)量來有效地降低定位系統(tǒng)的能耗，提升經(jīng)濟(jì)性同時(shí)大幅提高錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)的定位能力。實(shí)際工程中，在滿足定位效果的前提下，應(yīng)將定位精度與經(jīng)濟(jì)成本結(jié)合起來，根據(jù)不同的環(huán)境條件，選擇合適的系統(tǒng)，使兩者達(dá)到最優(yōu)平衡。

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Research on the Impact of Mooring Line Arrangement for a Mooringassisted Dynamic Positioning System of a Semi-submersible Platform

WANG Yi-jun，WANG Lei，JIANG Zhen-yang，CHEN Shi-yang
(State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200230，China)

The research focuses on the impact of mooring line arrangement for a mooring-assisted dynamic positioning system and analyzes the behaviors of the system in its positioning ability and power consumption under different mooringline arrangements for the first time.The article uses a semi-submersible platform as an example.Time domain simulation is used to analyze the positioning system and to compare its behaviors under two different mooring line arrangements.Then the horizontal offset and power consumed as well as their statistic values are analyzed.From the result we can see that more mooring lines benefits the positioning system in general and the effect is more profound when the heading direction of a semi-submersible platform is more vertical to wave direction，which indicates less energy consumption and more profits.The result can be easily introduced into engineering practice and provide designers with useful information when designing a mooring-assisted dynamic positioning system.

mooring assisted dynamic positioning system;time domain simulation;semi-submersible platform;mooring line arrangement

P 751

A

1006－7167(2014)05－0005－04

2013－07－26

國家自然基金資助項(xiàng)目(51179103);工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目

王溢俊(1990－)，男，上海人，本科生。

E-mail:yijunwangwang@tudelft.nl

王 磊(1971－)，男，安徽蚌埠人，副教授，主要從事動(dòng)力定位系統(tǒng)的研究。Tel.:021-62932025;E-mail:wanglei@sjtu.edu.cn