蘇伊士型穿梭油船動力定位能力分析

苗 科，邵 凱，楊 虎

(江蘇熔盛重工有限公司，江蘇南通226532)

蘇伊士型穿梭油船動力定位能力分析

苗 科，邵 凱，楊 虎

(江蘇熔盛重工有限公司，江蘇南通226532)

在對推進器推力損失及環境外載荷模型分析基礎上,利用excel軟件開發用于生成動力定位能力曲線的工具,并借此展開蘇伊士油輪動力定位能力評估推進器的初步選項設計工作。針對DP能力曲線不能反映推進器之間的干涉以及因動力分配不均而造成的動力損失等問題,提出以燃油最經濟(動力最小)為目標函數,通過設置限定角、推進器效率,以及可用最大負荷等參數求解特定外界載荷作用下動力定位推力最優分配,從而評估動力定位能力。實例計算表明,合理的推力分配可以有效降低推進總功率及負荷。

穿梭油輪;DP能力分析;推力分配

近年來,隨著深海油氣開發事業的不斷發展,市場對具有動力定位性能的船舶需求逐步增大,國內船廠建造的具有動力定位的船舶及海洋平臺也越來越多。然而目前國內對于動力定位系統的設計多依靠國際著名的設計公司或設備提供商提供相關解決方案,船廠在前期的參與不足,對轉瞬即逝的市場機會不能很好地把握。為此,對蘇伊士型穿梭油船動力定位系統初步設計過程中幾個關節以及遇到的問題進行總結,希望能為同行提供借鑒。

1 研究對象及環境載荷模型

1.1 船型背景介紹

穿梭油船根據與其對接的平臺以及工作海況的特點,會采取不動的系泊或定位方式來滿足裝載工況的要求。對于用動力定位的船舶,船東一般會根據預計的作業條件,失位后果的嚴重程度,以及風險來確定動力定位的級別。船廠則參照船級社對系統的設備冗余度評估進行設備選型。本文研究對象是在江蘇熔盛重工建造的157 kDWT原油船基礎上改建的滿足DP2動力定位要求的蘇伊士型油船,其主要尺度參數見表1。

通過參考同類型的穿梭油船的動力推進系統的配置,結合待改建船自身的特點,初步提出在原有的主推進器的基礎上增加3臺槽道式和2臺全回轉式推進器,組成“1+2+3”推進方案。該方案中利用全回轉及槽道是推進器的間隔較遠的距離分布,從而避免推進器之間存在的干預。其中推進器型式及功率參數見表2。

表1 穿梭油船主尺度 m

表2 推進器型式及參數

1.2 推進器推力模型

文中涉及的3種推進器即槽道式、全回轉,以及常規主推進定距槳,見圖1。他們的推力與推力方位角的理論上的作用區間不同。由于存在推進器之間的槳-槳干涉以及推進器與船體之間的摩擦等因素,會有相當比例推力損失,對于推力減額損失目前尚沒有較完善的理論方法來精確預估這些干擾,大多數預測還是基于模型試驗的半經驗方法。國際上一些著名的研究機構如荷蘭的MARIN、德國的HSVA、瑞典的SSPA等都對推力系統的干擾問題開展過試驗研究。這些試驗使用不同的推力裝置,但試驗結果均顯示出一些共性的規律,本文在定位能力曲線計算中對推進器推薦效率采用了采用了Kongsberg Maritime的相關實驗模型數據,其艏艉部的推進器見圖2、3。3種常見推進器的推力及方位角范圍見圖4。

圖1 推進器分布示意

圖2 試驗模型的艏部推進器

圖3 試驗模型的艉部推進器

考慮到穿梭油船作業所受到的載荷方向是隨機的,為了抵抗外載荷推進器的方位角可能為任意方向,因此,除了考慮船本身結構允許的條件外,盡可能加大推進器之間的距離。同時,優先考慮配置槽道式推進器,這樣在一定程度上可以有效地控制螺旋槳尾流,使螺旋槳尾流擴散的區域減小,從而降低槳-槳干擾。當然,具體布置方案也要視情況而定,要綜合考慮各種因素。

圖4 3種常見推進器的推力及方位角范圍

1.3 環境載荷模型

平臺在海上所遭遇的環境條件主要有風、波浪和海流3種。獲得風力載荷數據相對準確的方式是進行風洞模型試驗。然而風洞實驗的費用高昂,實驗周期長,不太適合用在初步設計階段。目前比較通用的做法是根據經驗公式結合模型實驗的數據進行估算。其中風、海流作用通常按照船級社的推薦采用模塊法(building block method)進行分塊計算。對于本船來說,即將船離散成3個模塊,分別為上建模塊、主船體水上模塊,以及船體水下模塊,各模塊的載荷按下文經驗分別計算。其中風流載荷系數見圖5、6,得出的模塊外載荷里通過疊加得出總載荷。

圖5 風載荷系數與方位角關系

圖6 流載荷系數與方位角關系

1)風載荷計算經驗公式。

式中:Af——縱向受風面積;

Al——橫向受風面積;

Cw(r)——風載荷系數;

V——參考高度的風速。

計算V時,需將高度Zm測量到的風速Vm換為參考高度Zref下的風速Vref,其轉換公式為

式中:p——風速轉換因數,OCMIF推薦值為1/7。

2)海流載荷計算經驗公式。

式中:ρw——海水密度;

L——船長;

D——水上高度;

Cc(φ)——流載荷系數。

波浪的作用模型非常復雜,至今沒有公認的可用于計算的方法。由于動力定位只對低頻水平載荷作出響應,波浪載荷則通常只考慮其低頻慢變部分,即波浪漂移力,其通常將其作為一個平穩的隨機過程來研究。文中采用Kongsberg Maritime通過模型試驗得到的波浪漂移力系數曲線(見圖7)來計算波浪載荷。

圖7 波浪漂移力系數

2 DP能力計算分析

動力定位能力分析的有效工具主要是利用動力定位能力曲線(Capability Plots,DP),動力定位能力曲線是一條在極坐標上從0°到360°的封閉包絡曲線,定位包絡曲線上任意一點的角度坐標表示環境條件相對船體的來向,半徑坐標表示該方向上船體所能保持定位的最大環境條件所能承受的最大風速或流速。定位能力曲線作為失效分析(FMEC)的基礎,目前被一些主要的相關的國際組織、船級社,航運公司接受［2-4］,有些機構明確要求設計過程中必須進行動力定位能力曲線的計算。文中在對環境載荷以及推進器推力合理模型化基礎上,利用EXCEL軟件編制了用于計算繪制動力定位能力曲線的程序,并以此對動力定位進行分析。

2.1 計算結果及分析

圖8為全部推力器都完好時的定位能力曲線,通過讀取圖中包絡曲線上點的角度值和半徑值可獲知平臺在該角度方向上所能抵抗的最大風速。

由圖8可見,在DNV給出的北海標準作業環境下,該船在船艏正面迎風的條件下理論上大約能抵抗高達64 m/s的風速,在側向載荷集中作用時,最大抵御風力降至24 m/s。

圖9為主推進器(6號)失效時的情況,此時推進器能抵御外界最大風速降至25 m/s左右。

在動力系統初步設計階段,一般先根據經驗預設一組推進器最大推進功率,然后以此對分析推進器在觀察推進器在臨界的外載荷保持正常船位時工作負荷是否在合理范圍,進而進行調整推進器參數。設計極限海況下(風速28 m/s,流速: 1.1 kn)各個推進器依次失效時推進器總體的工作負荷見圖10。由圖10可見,當2號,4號推進器失效時,系統的平均負荷超過90%,其余4種失效情況,推進器的平均負荷均在合理的范圍內(一般認為80%負荷為安全區域)。如果因此增加推進器的功率,則會出現在常工況下設備長時間處于低負荷情況,從而造成設備資源浪費。因此,研究在臨界條件下各推進器的功率如何分配從而確定推進器的功率很有必要。

圖8 全部推進器正常工作DP定位能力

圖9 主推進器失效后DP定位能力

2.2 燃油推力分配算法及優化結果

推力分配問題的數學描述本質上是求解帶約束的線性規劃問題,借鑒國外學者Escola Politecnica的研究成果［1］,通過以燃油(動力最小)最省為優化目標,對特定具體外載荷下的最優推力分配進行求解,再根據推力反推推進器的消耗功率。設計者可以通過限定推進器的推力角范圍(限制角),最大工作負荷等參數,比較各參數的變化對推進功率的影響,進而獲得與實際工作狀態更接近的數據。

圖11為該算法的流程。如圖所示,其結果可以利用MATLAB的非線性工具箱fmincon以及noncolon函數進行計算獲得。需要注意的是該方法計算的推力及推力角解有可能會出現多解等情況,此時需要對MATLAB函數中的參數進行調整。

圖10 設計極限海況下單一推進器失效情況下整體負荷

圖11 MATLAB計算以燃油最優目標求解推力分配流程

僅以2 500 kN橫向載荷作用為例說明推力不同推力分配下對系統消耗功率情況影響。見圖12、13。

圖12 2 500 kN橫載荷作用下無約束條件的推力及功率消耗

圖13 2 500 kN橫載荷作用下動力最小目標的推力及功率消耗

用常規的環境載荷與推力及力矩平衡計算出系統所消耗的總功率為9 490 kW,而當以動力最小優化目標所得到的系統總功率為8 815 kW,總功率上得到了一定的優化降低了675 kW,同時計算結果表明優化后的推進器的負荷也相對平均,避免了個別推進器因高負荷運行而帶來的故障風險。

3 結論

動力定位能力曲線是一種靜態的分析方法,計算簡便快捷,在初步設計階段可以用來對動力進行定位能力初步分析,指導動力系統的設備選型。然而,因該方法存在一定局限性,在具體的外界環境載荷下,滿足力及力矩平衡條件的推力分配存在很多情況下可能會出現推力相互抵消而造成動力浪費的情況。算例通過模擬不利條件下(橫向載荷很大),以動力最小為目標函數,計算最佳的推進器的動力分配,得出的推進功率數據功率充分驗證了在動力系統選型的過程中,除了依據動力定位能力曲線進行外,還需要對重要工況及極限載荷作用下的推進器推力分配情況進行分析,以免出現因推力分配不均而造成的推進器設備配置不合理情況。當然,更加精確的分析還需最終在模型試驗的基礎上采用動態的時域運動模擬分析方法,并結合廠家提供的推進器性能更準確的數據進行綜合分析。

［1］Escola Politécnic.Thrust Allocation Algorithm for DP Systems Cosidering the Interference Between Thrusters ans Thrut-hull［R］.21st Brazilian Congress of Mechanical Engineering,2011.

［2］RINDAROYM,Fueloptimal thrustallocation in dynamic positioning［D］.Norwegian:Norwegian University of Science and Technology,2013.

［3］楊世知.DP推進系統水動力干擾及最優化推力分配計算［D］.上海:上海交通大學,2010.

［4］Bj?rn NYG?RD B.DP model test of an aframaz shuttle tankermethods,results,operations［C］∥Dynamic Positioning Conference,October 09-10,2007:739-789.

Analysis of Dynamic Position Capacity for Suez Shuttle Tanker

M IAO Ke,SHAO Kai,YANG Hu
(Jiangsu Rongsheng Heavy Industries Co.,Ltd,Nantong Jiangsu 226532,China)

Based on the analysis of the propeller thrustefficiency and environmental loadsmodel,the program producing DP capacity curve is developed in Excel by which the assessmentof Suez tanker DP capacity propeller is conducted.Considering the DP curve failing to reflect power loss due to interference and unequal distribution between the thruster,a solution is introduced that adopting somemeasures such as setting a limitangle,propeller efficiency andmaximum load parameters available to optimize the thrust allocation based on themost fuel economy(minimum power)as the objective function.The calculation results show that the reasonable allocation of thrust force can effectively reduce the power and thrust load.

shuttle tanker;DP capacity analysis;thrust force allocation

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.024

U674.13

A

1671-7953(2015)03-0100-06

2015-01-30

修回日期:2015-03-11

苗 科(1976-),男,碩士,工程師

研究方向:船舶建造管理,LNG船建造工藝

E-m ail:miaoke@rshi.cn