深水半潛式鉆井平臺動力定位最優作業方向研究

李勇躍,王 磊,孫 攀

(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最優作業方向研究

李勇躍,王 磊,孫 攀

(上海交通大學海洋工程國家重點實驗室,上海 200240)

從動力定位的角度,以深水半潛式鉆井平臺為研究對象,對其在不同方向環境載荷作用下的動力定位進行時域模擬,得到作業工況各角度下平臺水平方向位移以及功率消耗的時歷。通過最優精度方向角和最優功率方向角的求解,最終得到平臺的最優作業方向,滿足海洋平臺正常作業高精度、低能耗的要求,為平臺的工程作業實踐提供參考,并為模型實驗提出新的研究方向。

動力定位;時域模擬;最優作業方向;鉆井平臺

Abstract:Based on dynamic positioning,time domain simulation of a semi-submersible platform′smotion induced by environment loads in different directions is done,from which time historiesof the displacementsand the consumed power in operation condition areobtained.In a further solution to the optimum precision angle and theoptimum power angle,theoptimum operation direction is finally determined,whichmeets the demand of high precision for someoperations.Thispaper offers some reference value to some engineering practices,such as the installation of the platform,and brings up a new topic formodal tests.

Key words:dynamic postioning;time domain simulation;optimum operation direction;drilling platform

動力定位技術是指船舶或其他浮式海洋結構物僅依靠自身推力器就能夠自動保持其水平方向的位移和艏向[1]。對于深水作業的海洋平臺,其相比傳統的錨泊技術具有無法比擬的優勢。目前,國際上的第六代半潛平臺均采用動力定位技術[2]。

動力定位旨在以最小的能耗滿足定位精度要求,以使得平臺能夠完成正常的作業。由于深海工程作業的復雜性,深水半潛式鉆井平臺的正常作業要求動力定位能夠實現較高的精度,這樣,尋求動力定位最優精度實現的條件成為工程中十分重要的問題。動力定位的精度取決于平臺本身的特性、動力定位系統的性能以及海洋環境條件的特征,對一已知的海洋平臺和給定的動力定位系統,海洋環境條件將成為影響動力定位精度的首要因素。在某一海域的不同時間段內,平臺作業的環境載荷方向是變化的,從而使得平臺的外干擾力發生變化,進而導致動力定位的精度出現變化,其結果是平臺可能因精度不足而無法進行正常的作業。尋求平臺最優精度方向,當平臺在環境載荷方向發生變化時,即刻通過動力定位系統實現相應的變化,使得平臺始終處于最優精度方向,以保證平臺正常作業的順利進行。另外,綜合考慮精度和功率消耗,若在某一方向兩者的組合達到最優,則該方向為平臺的最優作業方向。根據不同的作業要求,始終保持平臺于最優精度方向或最優作業方向,可有利于極大地提高平臺深水作業的安全性和經濟性。

以深水半潛平臺為對象,介紹動力定位的基本原理,并對作業工況下的平臺在各方向環境載荷作用下的運動進行時域模擬,尋求平臺的最優作業方向。

1 計算模型

1.1 半潛平臺模型

計算所用模型為一深水半潛式平臺模型。平臺的主要參數如表1所示。

表1 半潛平臺模型主要參數Tab.1 Main parameters of the sem i-submersible platform

1.2 推力器模型

計算所采用的推力器模型為8個全方位推進器,螺旋槳直徑為3.6m,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。內側螺旋槳距離橫縱中心線的距離分別為43.36 m和23.79 m,外側螺旋槳距離橫縱中心線的距離分別為43.36m和34.77m。

1.3 計算工況

為區別于以往對海洋平臺進行動力定位能力分析所采用的設計海況[3],計算所用工況為平臺的正常作業工況。由于風、浪、流同向為最惡劣的環境條件,取風、浪、流同向聯合作用作為計算的環境條件,其參數如表2。

表2 平臺作業狀態環境條件Tab.2 The environment condition of the platform in operation case

計算中設計水深為3 000m。

1.4 計算坐標系

圖1為計算使用的坐標系統。

2 平臺時域模擬方法

動力定位的時域模擬又稱為動態模擬,就是對在動力定位控制下的半潛式平臺真實運動進行實時模擬,對運動狀態作時域模擬能顧及到更多因素和限制條件,從而能較接近實際情況,同時獲得許多有價值的信息,如動力定位精度、功率消耗等[4-6]。

深水半潛式平臺動力定位運動模擬的流程如圖2所示。主要的模塊包括風浪流環境力的計算模型、控制系統模型、推力產生模型以及平臺運動方程。其中環境載荷與平臺的位置和運動狀況有關,需要根據平臺運動信息的反饋進行計算?？刂葡到y也需要平臺位置和運動信息的實時反饋以及風力前饋,以此計算出推力指令,推力系統則根據推力指令并結合推力器的特性模擬推力實時產生。環境力和推力提供了平臺運動的外力,通過求解平臺運動方程便可得到運動狀態的時歷。

這里僅給出平臺運動的低頻方程和推力系統中推力器功率的計算式。

圖1 計算坐標系統Fig.1 coordinate system for computation

圖2 半潛式平臺動力定位運動模擬模型Fig.2 A model ofmotion simulation for DP semi-submersible platform

半潛式平臺在外力作用下的低頻運動方程:

式中:u,v,w為線位移速度,即˙x,˙y,˙z(上點表示對時間的導數);p,q,r為角位移速度,即φ·,˙θ,˙Ψ;m為平臺質量,包含流體附加質量;Ixx,Iyy,Izz為質量慣性矩,也包括附加質量部分;X,Y,Z分別為x,y和z方向的外力;K,M,N分別為x,y和z方向的外力矩。

推力器功率的計算公式:

式中:n為螺旋槳轉速,Q為螺旋槳的轉矩,D為螺旋槳的直徑,KQ為轉矩系數,KQ根據軸向進速在螺旋槳敞水性征曲線查取。

3 計算結果與分析

對平臺動力定位過程進行時域模擬,計算時間取1 800 s,每24 s進行數據采集和記錄,得到平臺水平運動的時歷。對環境載荷在0°～180°之間進行計算,每5°記錄一次數據,并在每一角度下對各參數取時間的平均值,得到各角度下水平方向位移曲線,由于平臺幾何尺寸與環境載荷的對稱性,同時計算結果顯示,0°至90°與 90°至 180°區間數據基本對稱 ,故這里展示區間僅為 0°至 90°區間。

3.1 動力定位的能力分析

這里計算平臺能否滿足定位的精度要求,是進行繼續分析的前提。對平臺時域模擬的位移時歷進行統計,得到如圖3所示的各方向角環境載荷作用下平臺運動的最大位移。

對于鉆探平臺,鉆井立管相對井口或其頂端連接處的允許偏離彎曲角度決定平臺可偏移位置的大小。一般來說,該角度保持在2°范圍內是趨于安全的,從圖3(a)和(b)中可以看出,平臺在各個方向的環境力作用下均能滿足精度要求。對于艏向角的精度要求,目前還沒有文獻進行明確的規定,從最大艏向角的變化曲線可以看出,除在60°左右(約在62°時環境載荷最大)的最大艏向角大于4°外,其余艏向角均低于4°,認為艏向角也滿足精度要求,從而平臺在各個方向上都能夠滿足定位精度要求。

圖3 平臺在各個角度環境力作用下的最大位移Fig.3 Maximum displacementsof the platform affected by the environment forces in different directions

3.2 最優精度方向

最優精度方向,即在該方向下,平臺能夠滿足動力定位的精度,且具有最高的精度。這里,將不再考慮平臺最大的偏移量,而是用平均偏移量進行考察。

對于不同功能的海洋平臺,或者對同一平臺的不同作業,其對精度的要求有所不同。一般的鉆井平臺,其對水平方向的位移要求有較高的控制,而對艏向角的要求則較低。但對有些平臺,其艏向角的控制也很重要。這里對這兩種不同的情況,分別作不同的處理。

3.2.1 僅考慮水平位移的情況

圖4 平臺在各方向環境力作用下的平均位移Fig.4 Average displacementsof the platform affected by the environment forces in different directions

從圖4中可以看出,x和y方向的平均位移的變化趨勢是相反的。從圖5中可以看出,標準差的變化趨勢與位移的變化趨勢一致。故綜合考慮均值和標準差,平臺x方向的最優精度出現在環境載荷為90°的情況,平臺y方向的最優精度出現在環境載荷方向為0°的情況?？疾霷隨載荷方向變化的情況,發現R在0°時取的最小值,由于通過x和y的標準差直接求取R的標準差比較困難,這里仍通過x和y的標準差來估算,綜合R的變化趨勢與x和y的標準差的變化趨勢,平臺的最優精度方向為0°。

3.2.2 考慮艏向角的情況

水深用l表示,取θ1=arctan(),令平均艏搖角為θ2,這里首先給出安全區的定義。

以θ1為橫軸,θ2為豎軸,建立平面直角坐標系(如圖7),任意一點P(θ1,θ2)代表動力定位精度,a,b分別為動力定位精度控制值,圖中陰影部分(-a≤θ1≤a,-b≤θ2≤b)代表動力定位安全區,即滿足精度要求的點的集合,安全區之外的點均不滿足精度要求。

從上面的計算可以知道,平臺在任何方向環境載荷作用下的動力定位均處于安全區,下面繼續給出安全區內判定精度優劣的參數-動力定位精度角的定義。

不同的系統對于水平位移和艏向角的控制程度是不同的,這里引入控制因子v(0≤v≤1)來表示系統對角位移的控制程度。令

其中,-a≤θ1≤a,-b≤θ2≤b,稱θdp為動力定位精度角。從其定義可以看出,θdp的值越小代表該工況下,動力定位的精度越高,可知θdp=0是最理想的情況(這里僅從精度方面考慮)?？芍?3.2.1所討論的情況為v=0的特例。

圖5 平臺在各方向環境力作用下的平均位移的標準差Fig.5 Standard deviation of the average displacementsof the platform in different directions

圖6 平臺在各方向環境力作用下的平均偏移距離Fig.6 The average drift distancesof the platform in different directions

圖7 動力定位安全區示意Fig.7 The safe area of the platform in dynamic positioning

這里,考慮另外一種理想情況。假設系統對于線位移和角位移的控制是等同的,即v=0.5,此時θdp=(|θ1|+|θ2|),圖8和圖9分別給出了θdp以及θ2的標準差隨角度變化的趨勢。

圖8 各方向環境力下的θdp值Fig.8 The value ofθdpin different directions

圖9 各方向環境力下的θ2的標準差Fig.9 The standurd deviation ofθ2in different directions

從圖8中θdp的變化趨勢可以看出,θdp在0°和90°的時候取得最小值,綜合考慮x、y以及θ2的方差的變化趨勢,可以得出,當v=0.5時,最優精度方向為0°和90°。

3.3 最優功率方向

最優功率方向,即在該方向下,平臺能夠滿足動力定位的精度,且具有最低的功耗。

通過對動力定位過程中消耗功率的時歷統計,得到各方向環境力作用下螺旋槳消耗的總功率,如圖10所示。

從圖中可以清晰的看出,隨著角度的增加,螺旋槳消耗的總功率幾乎成線性增加,在0°方向時,功率消耗最小,故最優功率方向為0°。

3.4 基于動力定位能力分析的最優作業方向

這里首先給出最優作業方向的定義。

動力定位旨在滿足定位精度要求的情況下,獲得最小的功率消耗,因此,精度和能耗兩方面的因素必須同時考慮。這里,用A表示精度值,B表示消耗的功率值,D表示動力定位能力值,且規定D值越大,動力定位能力越強。假設D為A和B的某種線性組合:

式中:α和β分別表示精度和功率消耗對平臺作業的影響程度。A和B均為環境載荷方向角的函數,則上式變為

令θopt為最優作業方向角,則θopt為D(θ)取得最大值時的θ值。

由于精度和功率同時在0°時取得最優,故0°方向為最優作業方向。如果最優精度方向與最優功率方向不同,則需要確定α和β的值,然后進行計算。

圖10 各方向環境力作用下螺旋槳消耗的功率Fig.10 The total consumed powerof the propellers in different directions

4 結 語

以一深水半潛平臺為研究對象,對其動力定位進行時域模擬。首次定義并使用動力定位精度角作為衡量動力定位精度的參數。在其滿足精度要求的條件下,求取了兩種情況下的最優精度方向,并結合最優功率方向,最終得到該平臺的最優作業方向。

在計算時,視平臺為固定,環境載荷方向依次從0°變化到180°(由于其對稱性,文章中僅給出0到90°區間的數據),最終得到0°方向為最優作業方向。在平臺實際作業中,作業海域的環境載荷方向在不同的時間段內是發生變化的。從計算結果可以知道,通過動力定位系統,始終保持平臺處于最優作業方向,可使平臺的動力定位精度最高,能耗最小,從而能保證某些具有高精度要求的作業的順利進行,提高了平臺深水作業的安全性、可靠性和經濟性。

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Research on the optimum operation direction for a deep sea semi-submersible drilling platform based on dynamic positioning

LIYong-yue,WANGLei,SUN Pan
(State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

P751

A

1005-9865(2011)01-0026-06

2010-07-30

國家863重大項目課題“深水半潛式鉆井船設計與建造關鍵技術”資助項目(2006AA09A104)

李勇躍(1988-),男,安徽淮北人,碩士生,主要從事動力定位研究。

王 磊。E-mail:wanglei@sjtu.edu.cn