深水半潛式鉆井平臺動力定位系統研究與設計

安菲菲　趙梅蓮

【摘 要】文章通過傳感器采集鉆井平臺周圍風浪海流等環境外載荷，把采集數據送入信息處理及控制系統，信息處理及控制系統對采集數據進行分析處理，獲取外力合力的大小，并給執行系統發送指令。執行系統中的電機按照指令中的轉速和方向帶動螺旋槳轉動，產生推力，抵消平臺環境外載荷的推力，使平臺靜止。若鉆井平臺發生了移位，GPS衛星定位系統發現移位并把位移數據傳給信息處理及控制系統，信息處理及控制系統根據坐標計算出移位距離及方向，給執行系統發送指令，執行系統中的電機帶動螺旋槳產生推力使平臺回到原位。

【關鍵詞】半潛式鉆井平臺；推力系統；信息處理；動力定位

1 動力定位系統的發展及應用

關于深水半潛式鉆井動力定位的研究，國際上已經相當的成熟，我國還正處于初步發展階段，我國重點發展海洋戰略，該研究對于海洋研究以及資源開發有很大的影響，是國家重點發展的行業。動力定位系統目前主要應用于海洋石油平臺的定位、管道或線纜鋪設及維修、海底鉆探和取芯、海上吊裝安裝、海洋調查科考、海上消防及救助、挖泥船作業，游輪以及其他需要海上定位作業的多用途船等。

2 動力定位的工作原理及實現

動力定位系統可以分成平臺未發生移動和平臺已經發生移動兩種情況來考慮：

1）平臺未發生移動但考慮到風載荷、水流載荷和波浪漂移力，利用風速風向傳感器和壓力傳感器獲取作用在平臺上的外力的大小及方向，使之變成電信號傳輸給處理系統。由處理系統向執行系統（電機和螺旋槳組成）發出執行命令，電機帶動螺旋槳按照執行命令按照一定的方向及轉速轉動，抵消加在平臺上的外力，使平臺保持不移動狀態。

2）考慮若平臺發生了移動，利用GPS衛星定位系統，計算平臺的偏移量，把偏移量傳送給處理系統，由處理系統向執行系統（電機和螺旋槳組成）發出執行命令，電機帶動螺旋槳按照執行命令按照一定的方向及轉速轉動，使平臺回到原來的坐標。

3 半潛鉆井平臺環境外載荷采集

深水半潛式鉆井平臺受到的外載荷主要有：風載荷、洋流載荷和海浪載荷。對于每一種載荷，都可以通過相關傳感器，測得相應的力的大小，根據受力面積計算出數據，建立起模型，計算其在平臺海洋狀況下所需要承受到的風浪外部擾動作用力。把相關數據送給中央處理器，使之給執行系統發送相關指令，客服外力在平臺上的作用。

3.1 風載荷對平臺受力數據采集

風載荷對平臺受力數據可以通過風向風速傳感器獲得。風向風速傳感器要實現最準確的反應出風力的大小，首先，要保證準確的指向風吹的方向。使用風向標和角度傳感器就可以滿足這一需求。其次，要準確的測出風力的大小，利用三環風輪和轉速傳感器就可以實現。2CW35風向風速傳感器可以滿足上述要求，準確采集瞬時風速和風向。圖2為2CW35風向風速傳感器的結構圖。通過風向標、三杯風速儀、角度傳感器和轉速傳感器分別測得瞬時風向和風力。這種機械式風向風速傳感器造價低、易維護，目前在測量風向風速中仍在廣泛應用。

3.2 海浪洋流載荷對平臺受力數據采集

海浪洋流載荷對平臺受力數據可以通過壓力傳感器獲得。利用壓力傳感器采集外力作用在平臺上的力的大小，為了解決受力方向問題，在平臺的四周水面以下平均布置16個這樣的壓力傳感器，每個傳感器的角度為22.5度，這樣當不同方向的海浪洋流對平臺受力都能使用不同的壓力傳感器檢測到，這樣當平臺受到任何方向的力的作用都可以傳送到中央處理器，中央處理器根據受力情況給執行系統發送運行指令。安裝時可選用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

中央處理及控制系統主要完成對各種傳感器傳輸過來的數據進行分析，判斷出整個平臺受力的大小和方向，并向執行系統中的電機發送運轉指令。

中央處理系統采用的是DP-3操縱系統，DP-3操縱系統是國際海事組織和各大船級社對具有DP-3附加標志的動力定位系統的規范要求設計并搭建了DP一級動力定位操縱系統。操縱計算機組作為動力定位系統的計算中心，實時性要求很高，采用基于優先級搶占的多任務調度實時操作系統Vxworks，每臺機器須在每一個操縱節拍內接收來自所有傳感器的數據，對數據進行信號處理、濾波估計以獲得最優的操縱輸入，該系統可以結合外界環境的影響以及操作人員的操作指令計算出當前抵抗外界作用在平臺上的力而需要的相反力和力矩，通過推力分配系統將相反力與力矩分配給各個推進器，推進器接收到指令后，按照指令做出相應方向的轉動。

5 執行系統

執行系統是動力定位系統其中的一個重要組成部分，用于產生使海洋平臺保持靜止的力和力矩，抗衡作用于平臺上的干擾力和干擾力矩。當執行系統接收到中央處理系統發送的指令后，由多個電機帶動多個方位推進器按照指令中的方向和轉速運轉。方位推進器是一個可以改變螺旋槳軸在水平面內方位的推進器。一般是帶有導管的導管螺槳。螺旋槳就是可調螺距的。

6 GPS衛星定位系統

在平臺發生移動的時候，GPS能精確的測量出發生移動的方位以及距離，將收集到的數據傳送至中央處理器。中央處理器向執行系統發出相應的指令，使平臺準確的回到原來的位置。鉆井平臺最經常使用的導航系統是美國的Navstar GPS系統，它覆蓋（下轉第164頁）（上接第212頁）面積能夠到達全球。精確度高，平臺產生微小的位移，GPS系統都能夠發現，并能把最新的接收端坐標傳送給接收端。中央處理器可以根據不同的坐標值計算出偏移量，向執行系統發出相應的指令，使平臺準確的回到原來的位置。

【參考文獻】

[1]孫麗萍.深水半潛式鉆井平臺DP3動力定位能力分析[D].北京：中國測試技術，2012.

[2]竇培林.深水半潛式鉆井平臺DP3動力定位系統應用[D].山東：山東交通大學，2015.

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