第四代半潛式鉆井平臺動力定位系統設計簡介

王磊，徐新年，林廣林

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司，煙臺，264000）

1 起源

動力定位（DP）系統最早起始于20 世紀60年代的海底鉆井作業。隨著向更深海的不斷推進，自升式鉆井駁等近海鉆探裝備難以滿足深海作業的需要，而深海錨鏈定位作業又非常復雜，且成本高昂。由此便開始了DP系統研究和應用的技術探索。

2 定義和作用

DP系統是當環境條件發生變化時，由集控手操或自動響應系統，通過水動力系統的作用是船舶位置和航向保持在環境條件限定范圍內。

DP系統的環境條件主要指風、浪、流等環境力。船舶在環境力的作用下，會產生六個自由度的運動，即縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖和艏搖。

事實上，DP系統主要是控制船舶在海平面上縱蕩、橫蕩和艏搖三個自由度運動，由推進器產生適當大小的推力和力矩，以抵消環境力，從而使船舶盡可能保持預設的位置和航向。

如今，DP系統的功能已經不僅僅局限于使船舶定位于海洋石油鉆探船舶和平臺，也廣泛應用與布纜船、鋪管船、起重船、平臺供應船、科考勘探船等特種船舶。

3 入級符號

DP系統包括所有直接或間接影響船舶定位能力的設備、電纜、管路和通風等，其安全可靠性取決于所有這些方面的冗余程度，根據DP系統的不同冗余程度，各船級社可授予相應的船舶符號標志，如表1所示。

本文將DP系統設計分成系統原理設計和詳細生產設計兩大部分。系統原理設計，分為動力、控制和參考基準三部分。動力部分，分為發電、配電和推進系統；控制部分，包括電力、推進系統的自動或手動控制，以及位置測量控制系統；參考基準部分，就是各種提供船舶位置、環境和狀態信息的測量系統及其傳感器。詳細生產設計，分為DP系統設備布置、電纜和管線路徑布置兩部分。

4COSL項目DP系統設計簡介

4.1COSL項目簡介

COSL項目是由煙臺中集來福士為中海油服歐洲鉆井公司總包承建的4座第四代深水半潛式鉆井平臺。該系列平臺型長104.5米、型寬65米、型深36.85米，設計吃水9.5米-17.75米，作業水深70-750米，生存狀態最大風速51.5米/秒，最大垂直鉆井深度7500米，最大可變甲板載荷4000噸，額定居住人員120人，集鉆修井、居住等功能于一身。DP3動力定位系統及無人值守的機艙設計方案，實現在駕駛室及操作室集中遙控操作，關鍵設備的選配和建造均滿足挪威石油安全管理局最新AoC發證要求，其設計和建造滿足挪威石油安全管理局、挪威海事局、挪威船級社、挪威石油工業技術標準及半潛式鉆井平臺的相關國際平臺規則，具備在全球海況最復雜的挪威北海海域作業的能力，同時適用于全球其他海域。

該系列平臺前三座已經交付使用，首座平臺在挪威北海作業以來，被認為是近年來首次作業各方面表現最好的新平臺之一。其在同海域作業的42座平臺中，綜合指示排名第四，其中套管轉速和下鉆速度兩項指標名列第一。

4.2 動力部分設計

上船體艉部設計3個獨立的機艙，每個機艙布置2臺主機和發電機（各3800KW），分別由Wartsila和Siemens 提供，下船體左右舷設計4個獨立的推進器室，房間內布置各自的推進器、推進器馬達、變壓器及變頻器，推進器由Wartsila提供，其他設備由Siemens提供。機艙附近布置3個獨立的高壓配電盤室，使之分別與3個機艙的6臺發電機對應，6個推進器按照1與4、2與5、3與6組合為獨立的三組分別與3個高壓配電盤對應。3套獨立的抵押配電盤系統（690V、440V、230V）分別由3個高壓配電盤逐級變壓給各DP系統相關負載供電。3個高壓配電盤和6個推進器室分別設計布置有各自的PLC信號柜以用于PMS。

上述就是DP系統動力部分的核心框架，形成了A、B、C三套獨立的DP動力系統，總體設計框圖如圖2所示，推進室布置設計及組合如圖3所示。

表1 DP系統船級符號標志

圖2 動力系統部分總體設計框圖

圖3 推進器布置設計及組合

4.3 控制部分設計

4.3.1DP主控制站

位于駕駛室，系統設計布置的控制設備有：1臺PMS控制箱；2臺DP控制箱；1臺獨立手動操作控制箱；2臺DP控制臺；1臺獨立手動操作控制臺；1套推進器手動控制臺；1臺PME位置測量控制臺；2臺網絡拓撲柜。

4.3.2DP備用控制站

位于DP備用控制間，用A-60分割完全獨立于駕駛室，且主/備用兩個控制站的艙室位置相距不遠，系統設計布置的控制設備有：1臺PMS控制箱；1臺DP控制箱；1臺DP控制臺； 1臺PME位置測量控制臺；2臺網絡拓撲柜。

4.3.3 網絡拓撲結構

VSC、DP系統共用一個網絡，由兩套環形光纖網絡NET A和NET B組成，并且將6個推進器的信號采集站也串聯在網內，以便提供推進器相關信號的傳輸效率。

4.4 參考基準部分設計

DGPS查分全球定位系統，DP主和備用控制間各布置1套，主桅桿和遠離主桅桿的舷側各布置1套天線。

聲吶位置測量系統，DP主和備用控制間各布置1套，2套HIPAP（可伸縮聲吶收發器）分別布置在左右舷浮筒的舯部，通過安裝在海底的反應器收發聲頻信號，從而計算出收發器與反應器之間的距離和平臺的方位數據，用于DP系統位置參考計算。

電羅經系統，能夠反映精確地平臺艏向位置數據，電羅經和數字復試器，在駕駛室布置2套，在DP備用控制室布置1套，頂甲板左右舷各布置1臺電羅經方位方位復試器。

風速風向儀系統，可以持續的為DP系統提供風速和風向信息，從而計算出平臺受到的風力。駕駛室2套，DP備用控制室布置1套，主桅桿上布置1套風速風向儀，另2套布置在遠離主桅桿的舷側。

VRU（垂直參考裝置）系統，用來測量縱蕩、橫蕩和艏搖三個自由度運動的大小，測量數據用于平臺運動補償力大小的計算，在駕駛室室布置2套，DP備用控制室布置1套。

4.5 故障模式與影響分析 FMEA

只有DP-2和DP-3需要做FMEA，FMEA的目的在于說明與DP系統功能有關的設備，包括相關電纜和管系的不同故障模式，以幫助評定DP系統的冗余程度。對于系統中的某一設備可能有多種故障模式，從而對DP系統產生多種不同影響，在FMEA分析時應特別注意。

在DP船舶的全生命周期內，都需要盡可能在實際情況下，對DP系統所有操作模式進行測試。測試通過后，由第三方來模擬測試故障模式，并對測試數據結果進行紀錄備案。最后，對DP系統進行總體的性能評估。

除了DP各系統單線圖和技術說明，以及負荷計算書等之外，FMEA報告(包括冗余試驗程序)也需要提交船級社審查認可。

4.6 電纜和管系的布置以及DP路徑的詳細生產設計

除上文中描述的系統和設備外，對DP系統至關重要的燃油、滑油、液壓油、冷卻水管等，以及電纜的布置，都應充分的考慮DP等級的冗余的要求，系統的設計、設備的布置、電纜和管系路徑的設計，都必須嚴格遵循規范里DP系統要求

該平臺設計為DP-3，因此需要設計各DP系統的獨立A-60通道。COSL項目為四個立柱結構，艏部兩個立柱各設計了一套DP通道，艉部兩個立柱各設計了兩套DP通道，兩套DP路徑中間做A-60防火等級分割。四個立柱的DP通道上下分別延伸至雙層底和浮筒內，連接到各自DP系統的機艙和推進器室。在生活區，左右舷側附近分別設計了2個A-60級的DP通道，上下分別連接到DP主、備用控制室。

因此，這便保證了整個平臺的DP A、B、C三套系統之間，是按照規范的要求用A-60防火等級完全分開的，符合DP-3的設計要求。

5 結束語

DP 系統是船舶、平臺不需要傳統的系泊形式定位，因而具有不受水深限制的優點，并且可適用于各種惡劣海況，開發設計高效率、高可靠性的DP系統對于人類向更深海擴展具有重要意義。本文以COSL半潛式鉆井平臺為例，力求全面概括介紹DP系統相關的各個方面，以供大家了解和參考。

【參考文獻及資料】

[1]IMO/MSC Circular 645 Guidelines for Vessel with DP[S]. 1994

[2]IMCA M103. IMCA Guidelines for the Design and Operation of Dynamic Positioned Vessels[S]. 2007.

[3]DNV Rules for Classification of Shop[S]. 2008 Part 6, Chapter 7.

[4]CCS Guidelines on Surveys for Dynamic Positioning System[S]. 2002

[5]ABS Rules for Building and Classing Steel Vessels[s]. 2010 Part4, Chapter 3, Section5.