深水半潛式起重鋪管船動力定位能力分析

張法富

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

深水半潛式起重鋪管船是深水油氣田開發的頂級工程裝備，能夠在惡劣的深水環境條件下進行J-lay海管鋪設、大型結構物的吊裝等多種海洋工程作業，能夠大幅提升中國海洋石油工程的深水作業能力。目前深水海洋工程船舶大多配置動力定位(DP)系統。動力定位系統設計技術一直為國外所壟斷。動力定位技術涉及電氣、控制、輪機以及水動力等多個學科，直接關系到船舶系統的可靠性與工程造價。

船舶動力定位能力分析是半潛式起重鋪管船總體設計中關鍵的一環。一般來說，船舶主尺度設計決定了設計環境條件下船舶受到的環境力。基于此環境力對船舶使用推進器進行配置并對推進器布置位置進行優化，主機功率及電氣系統設計需滿足動力定位要求。如果推進器臺數和功率沒有達到最優狀態，則電氣系統設計和主機選型都會造成極大的浪費，從而增加工程投資。

為此，本文從準確估算船舶環境力、推進器配置與優化及控位能力計算三個方面，開展深水半潛式起重鋪管船動力定位能力分析。

1 環境載荷計算

1.1 坐標系

為了便于描述船舶運動，引入右手坐標系O-XYZ，原點位于船中與基線的交點，X軸平行于船體基線指向船首，Z軸豎直向上，如圖1所示[1]。

圖1 坐標系及載荷方向定義Fig.1 Coordinate system and load direction

風浪流的方向指的是其傳播方向，風浪流方向角α是指風浪流傳播方向與X軸方向的夾角。由此可知，隨浪方向為0°，迎浪方向為180°。

1.2 船舶主尺度

深水半潛式起重鋪管船主尺度如表1所示。

表1 船舶主尺度Table 1 Principal parameters of the ship m

1.3 作業環境條件

海洋環境條件在工程設計分析中可分為靜態環境條件和動態環境條件，其中靜態參數包括水深、氣溫、水溫和濕度等，動態參數包括風(季風和熱帶氣旋)、波浪和海流。另外，海洋環境條件還包括內波、海生物等因素。作業環境條件的選取要綜合考慮船舶在設計環境條件的有效作業率、安全性和經濟性。基于作業海域的常見海況，選定作業環境條件如表2所示。

表2 作業環境條件Table 2 Operation metocean conditions

1.4 風載荷計算

海面上的風速和風向都是隨機變化的，這給測定作用在船舶上的風力及風力矩帶來困難。本文在計算過程中，對風載荷做常值處理，只計算其中定常風力部分，忽略低頻風力。

風載荷主要通過風洞試驗、模塊法、美國石油學會(API)方法[3]、國際海事承包商協會(IMCA)方法[1]等途徑獲取。船舶概念設計及基本設計階段，在沒有風洞模型試驗數據的情況下，一般采用荷蘭Marin公司開發的WINDOS軟件或規范經驗公式計算風載荷。由于規范經驗公式得出的風載荷偏于保守，采用WINDOS軟件計算結合同類船型風洞試驗系數進行修正的方法得到作業工況的風力系數，如圖2所示。WINDOS計算模型如圖3所示。

(a) 起重作業工況

(b) 鋪管作業工況圖2 作業工況風載荷無因次系數Fig.2 Wind load coefficients in operation conditions

圖3 WINDOS計算模型Fig.3 WINDOS calculation model

1.5 流載荷計算

流力在系泊分析中常作為定常力，假設流速不隨水深變化，為均勻流。由于起重工況與鋪管工況吃水相同，故計算采用同一流力系數；計算采用的方法與風載荷計算相同。流載荷系數如圖4所示。

圖4 作業工況流載荷無因次系數Fig.4 Current load coefficients in operation conditions

1.6 二階波浪漂移力計算

目前求解二階漂移力的方法主要有三種，包括基于物體表面積分的近場積分理論、基于動量和能量守恒的遠場理論[4]以及法國船級社(BV)發展出來的中場積分法。二階波浪力理論復雜，多采用軟件建模方法進行計算。進行動力定位能力計算時，通常只考慮二階波浪力中的定常部分。本文采用遠場公式，利用挪威船級社(DNV)的SESAM/HydroD軟件進行計算。水動力計算模型如圖5所示。

圖5 水動力計算模型Fig.5 Hydrodynamic model

2 推進器配置及故障模式

2.1 推進器配置

推進器有全回轉式、吊艙式、槽道式等多種形式。針對半潛式起重鋪管作業需求及下浮體結構特點，同時考慮少備件、推進器均勻受力等原則，目標船宜采用同一型號的全回轉推進器。考慮環境載荷和推進器的推力-功率曲線，配置12臺4500kW的全回轉推進器能夠滿足動力定位需求。推進器位置如圖6所示，推力及功率參數如表3所示。

2.2 推進器故障模式

半潛式起重鋪管船DP系統起重作業時為DP3，要求在任意艙室發生損壞情況下，在要求的作業海洋環境下仍能保持定位和艏向[5]。目標船最危險損失工況為一個機艙或者配電間損失，此時3臺推進器損失。推進器故障模式為如下4種模式。

圖6 推進器布置位置Fig.6 Sketch of thruster location

表3 推進器推力及功率Table 3 Thruster capacities

故障模式1：T1，T3和T12推進器故障。

故障模式2：T2，T10和T11推進器故障。

故障模式3：T6，T8和T9推進器故障。

故障模式4：T4，T5和T7推進器故障。

鋪管作業時，DP系統為DP2，所有活動工作部件要求有冗余，不應因為單點故障而導致動力定位失效[5]，對應故障模式為單臺推進器失效。

3 控位能力分析

動力定位能力曲線是動力定位能力的評價標準，通常情況下包括抗風能力曲線和推進器推力使用百分比曲線，其定義分別為：(1)風向0°～360°變化，DP船所能抵抗的最大風速極坐標曲線；(2)風向0°～360°變化，DP船抵抗要求的海洋環境，推進器推力使用百分比極坐標曲線。

本文分析深水起重鋪管船在ERN(Environmental Regularity Numbers)[6]環境條件、起重和鋪管作業環境條件下的動力定位能力。ERN計算時，采用最大風速極坐標曲線來評估船舶動力定位能力；在環境條件固定的起重及鋪管工況，采用推進器推力使用百分比極坐標曲線來評估船舶動力定位能力。

表4 計算工況Table 4 Calculation conditions

3.1 計算假定

(1) 進行控位能力計算時，風浪流按同向考慮。

(2) 進行環境載荷計算時，未考慮動態部分分量，計算時風力和平均波浪漂移力考慮一定的動態冗余。

(3) ERN計算時，推進器推力極值按照DNV規范中公式[6]確定，4500kW全回轉推進器推力最大值限定在695kN。

(4) ERN計算時，取鋪管作業時風流系數，鋪管作業力不計入。

(5) 鋪管作業時，不考慮推進器損失與海管充水兩種模式的疊加。

3.2 計算工況

計算工況的依據是2.3節中推進器故障損失模式及規范中關于ERN[6]計算工況的定義。具體計算工況如表4所示。

3.3 推力分配邏輯及計算軟件

多推進器推力分配是一個非線性約束優化問題，也是船舶動力定位能力評估中的核心問題，一般應用優化算法將其簡化為包括目標函數、等式約束和不等式約束的數學模型，然后利用優化算法進行求解[7]。

本文運用海洋石油工程股份有限公司自主研發的“動力定位能力解決方案”軟件[8]進行J-lay鋪管作業控位能力評估。

表5 ERN計算結果匯總Table 5 Summary of ERN calculation results

3.4 計算結果

(1) ERN計算結果為(99,99,99,98)。ERN計算在環境力危險角度匯總如表5所示，各工況最大抗風能力圖如圖7所示(篇幅原因，此處僅列出Case1工況曲線)。

(2) 起重及鋪管作業工況，船舶動力定位能力匯總如表6所示。各工況推進器推力使用百分比如圖8所示(篇幅原因，此處僅理出Case5,Case9,Case10和Case14四個工況的控位能力曲線)。

圖7 動力定位能力圖(最大抗風能力)Fig.7 DP capability plot (maximum wind speed envelope)

表6 作業工況動力定位能力匯總表Table 6 Summary of DP capability in operation conditions

(a) Case5

(b) Case9

(c) Case10

(d) Case14

4 結 語

針對半潛式起重鋪管船動力定位能力進行了計算分析，結果表明：(1)DNV ERN參數前三個達到99%，最后一個參數為98%，表明船舶動力定位能力良好，可在全球范圍內作業，滿足設計要求；(2)推進器配置合理，能夠滿足在作業環境條件下船舶360°全方位定位要求。

后期需根據模型試驗結果，對環境力進行修正，進一步優化推進器配置，降低整個項目的工程造價。

[1] The International Marine Contractors Association.IMCA M 140 Rev.Ι.Specification for DP capability plots [S].2000.

[2] Det Norske Veritas.DNV-RP-C205.Environmental conditions and environmental loads [S].2014.

[3] American Petroleum Institute.API-RP-2SK.Design and analysis of stationkeeping systems for floating structures[S].2005.

[4] 劉應中,繆國平.船舶在波浪上的運動[M].上海：上海交通大學出版社,1987：202-225.

Liu Ying-zhong,Miao Guo-ping.Ship motion in waves [M].Shanghai：Shanghai Jiao Tong University Press,1987：202-225.

[5] 中國船級社.鋼質海船入級規范[S].2015.

China Classification Society.Rules for classification of sea-going steel ships [S].2015.

[6] Det Norske Veritas.Rules for classification of ships [S].2014.

[7] 張法富,劉波,劉鴻雁,等.動力定位系統推力分配算法研究[J].船海工程,2013,42(2)：125.

Zhang Fa-fu,Liu Bo,Liu Hong-yan,et al.Research on thrust allocation algorithm of DP system [J].Ship & Ocean Engineering,2013,42(2)：125.

[8] 張法富,劉波,楊輝.動力定位船控位能力計算軟件平臺構建研究[J].船舶工程,2015,37(1)：69.

Zhang Fa-fu,Liu Bo,Yang Hui.Research on setting up DP capability calculation software platform for DP vessels [J].Ship Engineering,2015,37(1)：69.