某深海鉆井船DP3動力定位能力分析

何進輝 張海彬 朱仁傳 楊葆和

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 海洋工程國家重點實驗室 高新船舶與海洋開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 上海200240；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

與半潛式鉆井平臺相比，鉆井船具備更好的航行能力和裝載能力，因此在深遠海進行油氣資源開發(fā)具有更優(yōu)越的條件。為保持船體基本位于井口正上方，鉆井船進行勘探作業(yè)時需要在水面上進行定位。常見的定位方式包括錨泊定位和動力定位兩種形式。隨著水深的增加，超過1500 m之后錨泊定位方式所要求的錨鏈長度和復(fù)雜程度使錨泊定位方式不再具有經(jīng)濟性，所以在超過1500 m水深后的船舶定位方式通常采用動力定位方式。

根據(jù)國際海事承包商協(xié)會（IMCA）定義，動力定位是指采用調(diào)整推進器的方式，抵抗環(huán)境力達到自動控制船舶的位置和首向［1］。因此，推進器的配置方案直接影響船舶動力定位能力。國際上通常采用動力定位等級來評價一艘船舶動力定位能力的強弱（如DP1、DP2、DP3），其中DP3具有最高的能力等級。較先進的鉆井船通常都采用最高等級的DP3動力定位系統(tǒng)，以保證鉆井作業(yè)的定位能力。因此，在設(shè)計階段通過評估船舶的動力定位能力，為推進器系統(tǒng)的配置及優(yōu)化方案提供驗證，有利于進一步提高船舶動力定位能力。

本文針對一艘DP3動力定位等級的深海鉆井船，通過經(jīng)驗公式計算其風、浪、流等環(huán)境力，結(jié)合推進器配置方案以及DP3失效模式要求，采用靜態(tài)分析方法估算該深海鉆井船的動力定位能力，為該船的動力定位系統(tǒng)設(shè)計提供優(yōu)化依據(jù)。

1 動力定位能力等級

在遠離岸基的海域開發(fā)油氣資源是一種高風險作業(yè)，稍有不慎就可能危及人身安全和造成財產(chǎn)重大損失，并且造成嚴重的環(huán)境污染。鉆井船在作業(yè)時需要具備可靠的定位能力，因為一旦鉆井船發(fā)生失位事故，便可能造成連接船體和海底井口的隔水管斷裂甚至漏油等嚴重后果。因此，世界上較先進的鉆井船動力定位系統(tǒng)都具有較高的冗余度， 以保證船舶動力定位系統(tǒng)的部分系統(tǒng)即使出現(xiàn)故障，仍能保持一定程度的動力定位能力，從而增強系統(tǒng)的安全性和可靠性。

除國際海事承包商協(xié)會外，國際海事組織（IMO）根據(jù)動力定位系統(tǒng)設(shè)備的冗余度將其劃分為三個等級［2］，各主要船級社也對動力定位船舶的動力定位系統(tǒng)進行分級，以評價其冗余度，并授予不同的動力定位等級標記。以IMO為例，其對于不同動力定位等級要求的歸納總結(jié)參見表1［3］。

表1 主要海事組織動力定位等級劃分及要求

2 環(huán)境載荷計算

動力定位船舶在海洋環(huán)境中受到風、浪、流的共同作用，產(chǎn)生偏離原來位置的偏移，動力定位系統(tǒng)要求推進器發(fā)出推力抵消風、浪、流的載荷作用力，使船舶的偏移和首向限制在一定的范圍內(nèi)。因此，在動力定位能力計算中，風、浪、流等環(huán)境載荷的計算是動力定位能力分析的基礎(chǔ)。

環(huán)境載荷計算以及動力定位能力分析中坐標系采用慣用的右手正交坐標系統(tǒng)（如圖1所示）：Z軸

圖1 坐標系定義

盡管各主要船級社對動力定位等級的規(guī)定略有不同，但對應(yīng)同一等級的動力定位系統(tǒng)冗余度要求基本與IMO的要求一致，即：第一等級動力定位系統(tǒng)可自動保持船位，卻并不具備系統(tǒng)設(shè)備冗余度；第二等級動力定位系統(tǒng)在單個設(shè)備故障的情況下仍可保持船位的能力；第三等級動力定位系統(tǒng)在單個艙室（包括艙內(nèi)的設(shè)備、系統(tǒng)、線路）失火或浸水的情況下仍可保持船位。動力定位船舶的動力定位系統(tǒng)設(shè)計基本參照上述要求進行。向上為正；Y軸左舷為正，右舷為負；X軸船首為正，船尾為負；坐標原點取在水線面上的船舯位置。

2.1 風載荷計算

風載荷在動力定位能力計算中占據(jù)重要作用，在風速比較大的環(huán)境條件下，風載荷約占全部載荷的40%以上。獲得風載荷的最精確方法是進行風洞試驗，但風洞試驗需要花費較高的時間和成本，因此往往只是在設(shè)計的最后階段用于驗證。在設(shè)計初級階段進行風載荷計算時，不同組織也有不同的計算方法，如IMO、ABS和DNV等采用模塊法［4-5］；國際海事承包商協(xié)會（IMCA）制定動力定位分析指南［6］，提供風載荷計算的簡易方法。當風沿X軸或Y軸作用于船體時，風載荷可通過式（1）計算得到：

式中：Fwdx、Fwdy和Fwdz分別為船體受到的縱向力（N）、橫向力（N）和繞Z軸的力矩（N·m）；Cwd為風載荷系數(shù)（0.615對應(yīng)于力的單位N）；Cs為形狀系數(shù)；Ch為高度系數(shù)；AT為水線以上船舶的橫向投影面積（m2）；AL為水線以上船舶縱向投影面積（m2）；Xwdc為橫向力作用點距離旋轉(zhuǎn)中心的力臂（m）。

對于其他方向的風載荷，如0°～90°風向的風載荷，可由插值方式來獲?。?/p>

式中：為風向（°）； 為對應(yīng)任意風向的風力，為總的合力（N）； 為0°風向時構(gòu)件受到的縱向力（N）； 為90°風向時構(gòu)件所受橫向力（N）。

2.2 波浪載荷計算

動力定位系統(tǒng)控制的是船體在海平面上的漂移運動，其僅僅對水平面方向上的漂移運動進行控制，而對因波浪引起的船體一階波頻運動（如橫搖、縱搖和垂蕩等固有周期與波浪周期處于同一數(shù)量級且為往復(fù)式的運動）則不予控制。

目前，在波浪載荷問題處理上，我們大多數(shù)采用線性理論。但船舶在波浪中的運動是非線性的，線性化運動理論只是這一非線性問題振動展開后的一階近似，并不能解釋波浪漂移力的產(chǎn)生。如果精確到二階次，所得到的解則可以解釋漂移力這一非線性現(xiàn)象。在動力定位計算中通常只需要考慮波浪載荷的二階平均波浪漂移力，計算二階波浪漂移力可以采用勢流理論中的近場積分法和遠場積分法兩種方法。這兩種方法在水動力領(lǐng)域均較為成熟，限于篇幅，此處對這兩種方法的原理不作闡述。

2.3 流載荷計算

在動力定位能力分析中，流速通常不高于6 kn，屬于低流速范圍，對船體的載荷主要部分是摩擦阻力和粘壓阻力。較精確獲得流載荷的方法有水池拖曳模型試驗和CFD計算方法等，但對于設(shè)計初級階段，國際海事承包商協(xié)會（IMCA）也提供了較方便的計算方法。針對不同船型，IMCA在0° ～180°流向范圍內(nèi)給出無量綱流載荷系數(shù) 、和 ，不同流向的載荷為：

式中：αc為來流方向（°）；T為吃水（m）；B為船寬（m）；LPP為垂線間長（m）；vc為流速（m/s）；ρ為海水密度（kg/m3）； 、 和 分別為縱向力（N）、橫向力（N）和首搖力矩（N·m）。

3 動力定位能力評估方法

滿足動力定位能力保持船位的條件是動力定位系統(tǒng)推進器發(fā)出的推力與船體受到的風、浪、流等環(huán)境載荷可以抵消，見式（4）。

式中：Ti和θi為第i個推進器的推力大?。∟）和推力方向（°）；Tx、Ty、Mz為風、浪、流等環(huán)境載荷的合作用力（N，N，N·m）。

現(xiàn)代鉆井船的動力定位系統(tǒng)中通常有不少于6個推進器，在式（4）中有不少于12個變量，故式中有無窮個組合解。如何從這些無窮個解中找到最合適的推進器推力大小和方向分配方案，則是一個復(fù)雜的非線性約束優(yōu)化問題。

為達到節(jié)能的目的，通常在優(yōu)化過程中采用總功率（總推力）最小作為優(yōu)化目標，推進器本身的性能和環(huán)境載荷作為約束邊界，形成優(yōu)化問題的數(shù)學模型（見式5）。

式中：Ti為推力大小，其值應(yīng)該＞0，但是不能超過其可用最大推力值Tmax-i（N）；θi為推力方向（°）；θLi為可工作的最小推力角度（°）；θUi為可工作的最小推力角度（°）；x和y為推力器相對于旋轉(zhuǎn)中心的坐標位置（m）。

若推力器之間距離較小，推力器之間會產(chǎn)生干擾，需考慮設(shè)置禁止角，則增加不等式約束：

式中：θLi_ for為禁止角范圍的起始角（°）；θUi_ for為禁止角范圍的終止角（°）。

本文采用序列二次規(guī)劃法求解這類非線性約束優(yōu)化問題，具有迭代穩(wěn)定、計算速度快等優(yōu)點，特別適用于深水鉆井船這種具有眾多變量的動力定位推力優(yōu)化分配。

4 實例分析

4.1 基本參數(shù)

基于以上動力定位能力分析方法，本文對一艘DP3動力定位等級的深海鉆井船進行了動力定位能力分析。該船總長約224.9 m、型寬38 m、型深18.2 m、吃水12.0 m、排水量約為70000 t。該船配備7個推進器，其中尾部3個全回轉(zhuǎn)推進器，首部3個可伸縮全回轉(zhuǎn)推進器和1個首側(cè)推。推進器配置如下頁表2所示。

目標鉆井船配備了3個獨立的配電板，其與推進器的連接形式如下頁圖2所示；結(jié)合該連接形式和DP3動力定位等級要求，動力定位能力計算失效模式如下頁表3所示。

4.2 D P 3級動力定位系統(tǒng)設(shè)計特點

對于DP3級鉆井船的動力定位系統(tǒng)設(shè)計而言，要求艙室分割滿足在任意一個艙室失火或浸水后仍然能夠保持定位能力，艙室分割需滿足A60防火要求和水線以下滿足水密要求。為將單個艙室失火或浸水的影響減少至最低，理論上機艙分割數(shù)量越多，越能將風險分散。此外，為保證不同機艙內(nèi)的發(fā)電機組能夠獨立正常地運行，需為每個機艙配備獨立的輔助系統(tǒng)，包括燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風排氣系統(tǒng)、配電間等，輔助系統(tǒng)之間的防火分割與水密分割要求與機艙等同。

鑒于大多數(shù)DP3級鉆井船的船寬不超過42 m，考慮一定的防撞邊艙寬度和舷邊縱向通道寬度后，將機艙分布劃分為3個機艙是較現(xiàn)實且經(jīng)濟的做法，也是目前主流DP3級鉆井船一致采用的機艙設(shè)計。當其中一個機艙失火或浸水后，1/3的動力儲備受到影響，但剩余2/3的動力儲備基本可以保證船舶的動力定位和采取鉆井作業(yè)應(yīng)急措施的動力需求。

表2 目標鉆井船推進器配置

圖2 推進器布置及連接示意圖

表3 D P 3等級動力定位能力計算失效模式

推進器系統(tǒng)是動力定位系統(tǒng)中的執(zhí)行設(shè)備，推進器數(shù)量在理論上是越多功率越大，推進器系統(tǒng)動力定位的冗余能力越高。本船設(shè)置相互獨立的3個機艙和3個配電板間，考慮單個機艙或配電板間失火或浸水，損失1/3的動力儲備，尾部推進器也應(yīng)考慮按1/3的推進器能力損失考慮。因此，本船尾部設(shè)置3個全回轉(zhuǎn)推進器，分別與3各機艙和配電板間一一對應(yīng)。

目前市面上應(yīng)用較為成熟的全回轉(zhuǎn)推進器最大功率為5500 kW，據(jù)說目前已有個別設(shè)備商可以生產(chǎn)最大功率6500 kW的全回轉(zhuǎn)推進器，但尚未查閱到相關(guān)的工程應(yīng)用報道。因此，本船推進器選用最大功率5500 kW的成熟全回轉(zhuǎn)推進器作為尾部推進器，同時可兼顧較高的航速要求。首部采用可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進器，可兼顧航行工況下船體阻力的減小和動力定位工況的靈活性。鑒于相同功率的可伸縮推進器安裝空間遠遠高于普通的全回轉(zhuǎn)推進器，因此首部選用3個3200 kW的可伸縮推進器，同時為匹配前后推進器的總功率，首部另加1個2500 kW的隧道推進器。

動力定位系統(tǒng)設(shè)計布置圖如圖3所示。

圖3 D P 3級動力定位系統(tǒng)設(shè)計布置圖

4.3 計算結(jié)果

基于以上風、浪、流等環(huán)境載荷計算方法和動力定位能力評估方法，結(jié)合目標鉆井船的DP3等級動力定位系統(tǒng)配置，對其進行了抗風能力計算，以評估目標船的動力定位能力，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 目標鉆井船D P 3級動力定位抗風能力計算結(jié)果

5 結(jié) 論

通過以上計算和分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）完整模式1-1下，目標鉆井船具有良好的定位能力，正面抗風能力可達約85 kn，在風向和船體夾角40°范圍內(nèi)可達到50 kn抗風能力。

（2）在2級失效模式2-1～2-4中，模式2-1（首側(cè)推T1失效）對動力定位能力影響最小，全回轉(zhuǎn)推進器定位能力優(yōu)于首側(cè)推。

（3）模式2-2（首部全回轉(zhuǎn)推進器T2失效）對動力定位能力影響最大。這是因為首部4個推進器總功率相對尾部推進器總功率小，其中1個首部推進器失效后，首部推進器定位能力較弱，限制了船舶整體定位能力。

（4）在3級失效模式下，模式3-1（推進器T1、T4和T6失效）對定位能力影響最大。這是因為該模式下，失效推進器數(shù)量最多，且首部2個推進器失效，對船舶整體定位能力限制較大。

（5）綜合以上分析，在DP3級動力定位鉆井船設(shè)計中，應(yīng)盡量采用全回轉(zhuǎn)推進器，且單個配電板對應(yīng)供電的推進器數(shù)量盡可能不超過2個，可在DP3失效模式下獲得較好的動力定位冗余性。