深水半潛式鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

安菲菲　趙梅蓮

【摘 要】文章通過(guò)傳感器采集鉆井平臺(tái)周?chē)L(fēng)浪海流等環(huán)境外載荷，把采集數(shù)據(jù)送入信息處理及控制系統(tǒng)，信息處理及控制系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲取外力合力的大小，并給執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)送指令。執(zhí)行系統(tǒng)中的電機(jī)按照指令中的轉(zhuǎn)速和方向帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生推力，抵消平臺(tái)環(huán)境外載荷的推力，使平臺(tái)靜止。若鉆井平臺(tái)發(fā)生了移位，GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)移位并把位移數(shù)據(jù)傳給信息處理及控制系統(tǒng)，信息處理及控制系統(tǒng)根據(jù)坐標(biāo)計(jì)算出移位距離及方向，給執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)送指令，執(zhí)行系統(tǒng)中的電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生推力使平臺(tái)回到原位。

【關(guān)鍵詞】半潛式鉆井平臺(tái)；推力系統(tǒng)；信息處理；動(dòng)力定位

1 動(dòng)力定位系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用

關(guān)于深水半潛式鉆井動(dòng)力定位的研究，國(guó)際上已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?，我?guó)還正處于初步發(fā)展階段，我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展海洋戰(zhàn)略，該研究對(duì)于海洋研究以及資源開(kāi)發(fā)有很大的影響，是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的行業(yè)。動(dòng)力定位系統(tǒng)目前主要應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)的定位、管道或線纜鋪設(shè)及維修、海底鉆探和取芯、海上吊裝安裝、海洋調(diào)查科考、海上消防及救助、挖泥船作業(yè)，游輪以及其他需要海上定位作業(yè)的多用途船等。

2 動(dòng)力定位的工作原理及實(shí)現(xiàn)

動(dòng)力定位系統(tǒng)可以分成平臺(tái)未發(fā)生移動(dòng)和平臺(tái)已經(jīng)發(fā)生移動(dòng)兩種情況來(lái)考慮：

1）平臺(tái)未發(fā)生移動(dòng)但考慮到風(fēng)載荷、水流載荷和波浪漂移力，利用風(fēng)速風(fēng)向傳感器和壓力傳感器獲取作用在平臺(tái)上的外力的大小及方向，使之變成電信號(hào)傳輸給處理系統(tǒng)。由處理系統(tǒng)向執(zhí)行系統(tǒng)（電機(jī)和螺旋槳組成）發(fā)出執(zhí)行命令，電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳按照?qǐng)?zhí)行命令按照一定的方向及轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消加在平臺(tái)上的外力，使平臺(tái)保持不移動(dòng)狀態(tài)。

2）考慮若平臺(tái)發(fā)生了移動(dòng)，利用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，計(jì)算平臺(tái)的偏移量，把偏移量傳送給處理系統(tǒng)，由處理系統(tǒng)向執(zhí)行系統(tǒng)（電機(jī)和螺旋槳組成）發(fā)出執(zhí)行命令，電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳按照?qǐng)?zhí)行命令按照一定的方向及轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，使平臺(tái)回到原來(lái)的坐標(biāo)。

3 半潛鉆井平臺(tái)環(huán)境外載荷采集

深水半潛式鉆井平臺(tái)受到的外載荷主要有：風(fēng)載荷、洋流載荷和海浪載荷。對(duì)于每一種載荷，都可以通過(guò)相關(guān)傳感器，測(cè)得相應(yīng)的力的大小，根據(jù)受力面積計(jì)算出數(shù)據(jù)，建立起模型，計(jì)算其在平臺(tái)海洋狀況下所需要承受到的風(fēng)浪外部擾動(dòng)作用力。把相關(guān)數(shù)據(jù)送給中央處理器，使之給執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)指令，客服外力在平臺(tái)上的作用。

3.1 風(fēng)載荷對(duì)平臺(tái)受力數(shù)據(jù)采集

風(fēng)載荷對(duì)平臺(tái)受力數(shù)據(jù)可以通過(guò)風(fēng)向風(fēng)速傳感器獲得。風(fēng)向風(fēng)速傳感器要實(shí)現(xiàn)最準(zhǔn)確的反應(yīng)出風(fēng)力的大小，首先，要保證準(zhǔn)確的指向風(fēng)吹的方向。使用風(fēng)向標(biāo)和角度傳感器就可以滿(mǎn)足這一需求。其次，要準(zhǔn)確的測(cè)出風(fēng)力的大小，利用三環(huán)風(fēng)輪和轉(zhuǎn)速傳感器就可以實(shí)現(xiàn)。2CW35風(fēng)向風(fēng)速傳感器可以滿(mǎn)足上述要求，準(zhǔn)確采集瞬時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向。圖2為2CW35風(fēng)向風(fēng)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖。通過(guò)風(fēng)向標(biāo)、三杯風(fēng)速儀、角度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器分別測(cè)得瞬時(shí)風(fēng)向和風(fēng)力。這種機(jī)械式風(fēng)向風(fēng)速傳感器造價(jià)低、易維護(hù)，目前在測(cè)量風(fēng)向風(fēng)速中仍在廣泛應(yīng)用。

3.2 海浪洋流載荷對(duì)平臺(tái)受力數(shù)據(jù)采集

海浪洋流載荷對(duì)平臺(tái)受力數(shù)據(jù)可以通過(guò)壓力傳感器獲得。利用壓力傳感器采集外力作用在平臺(tái)上的力的大小，為了解決受力方向問(wèn)題，在平臺(tái)的四周水面以下平均布置16個(gè)這樣的壓力傳感器，每個(gè)傳感器的角度為22.5度，這樣當(dāng)不同方向的海浪洋流對(duì)平臺(tái)受力都能使用不同的壓力傳感器檢測(cè)到，這樣當(dāng)平臺(tái)受到任何方向的力的作用都可以傳送到中央處理器，中央處理器根據(jù)受力情況給執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)行指令。安裝時(shí)可選用ANYLOAD水壓力傳感器，該傳感器靈敏度高，接線方便，便于使用和安裝。

4 中央處理及控制系統(tǒng)

中央處理及控制系統(tǒng)主要完成對(duì)各種傳感器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷出整個(gè)平臺(tái)受力的大小和方向，并向執(zhí)行系統(tǒng)中的電機(jī)發(fā)送運(yùn)轉(zhuǎn)指令。

中央處理系統(tǒng)采用的是DP-3操縱系統(tǒng)，DP-3操縱系統(tǒng)是國(guó)際海事組織和各大船級(jí)社對(duì)具有DP-3附加標(biāo)志的動(dòng)力定位系統(tǒng)的規(guī)范要求設(shè)計(jì)并搭建了DP一級(jí)動(dòng)力定位操縱系統(tǒng)。操縱計(jì)算機(jī)組作為動(dòng)力定位系統(tǒng)的計(jì)算中心，實(shí)時(shí)性要求很高，采用基于優(yōu)先級(jí)搶占的多任務(wù)調(diào)度實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Vxworks，每臺(tái)機(jī)器須在每一個(gè)操縱節(jié)拍內(nèi)接收來(lái)自所有傳感器的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理、濾波估計(jì)以獲得最優(yōu)的操縱輸入，該系統(tǒng)可以結(jié)合外界環(huán)境的影響以及操作人員的操作指令計(jì)算出當(dāng)前抵抗外界作用在平臺(tái)上的力而需要的相反力和力矩，通過(guò)推力分配系統(tǒng)將相反力與力矩分配給各個(gè)推進(jìn)器，推進(jìn)器接收到指令后，按照指令做出相應(yīng)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

5 執(zhí)行系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)是動(dòng)力定位系統(tǒng)其中的一個(gè)重要組成部分，用于產(chǎn)生使海洋平臺(tái)保持靜止的力和力矩，抗衡作用于平臺(tái)上的干擾力和干擾力矩。當(dāng)執(zhí)行系統(tǒng)接收到中央處理系統(tǒng)發(fā)送的指令后，由多個(gè)電機(jī)帶動(dòng)多個(gè)方位推進(jìn)器按照指令中的方向和轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。方位推進(jìn)器是一個(gè)可以改變螺旋槳軸在水平面內(nèi)方位的推進(jìn)器。一般是帶有導(dǎo)管的導(dǎo)管螺槳。螺旋槳就是可調(diào)螺距的。

6 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)

在平臺(tái)發(fā)生移動(dòng)的時(shí)候，GPS能精確的測(cè)量出發(fā)生移動(dòng)的方位以及距離，將收集到的數(shù)據(jù)傳送至中央處理器。中央處理器向執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，使平臺(tái)準(zhǔn)確的回到原來(lái)的位置。鉆井平臺(tái)最經(jīng)常使用的導(dǎo)航系統(tǒng)是美國(guó)的Navstar GPS系統(tǒng)，它覆蓋（下轉(zhuǎn)第164頁(yè)）（上接第212頁(yè)）面積能夠到達(dá)全球。精確度高，平臺(tái)產(chǎn)生微小的位移，GPS系統(tǒng)都能夠發(fā)現(xiàn)，并能把最新的接收端坐標(biāo)傳送給接收端。中央處理器可以根據(jù)不同的坐標(biāo)值計(jì)算出偏移量，向執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，使平臺(tái)準(zhǔn)確的回到原來(lái)的位置。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孫麗萍.深水半潛式鉆井平臺(tái)DP3動(dòng)力定位能力分析[D].北京：中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2012.

[2]竇培林.深水半潛式鉆井平臺(tái)DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)應(yīng)用[D].山東：山東交通大學(xué)，2015.

[責(zé)任編輯：田吉捷]