動力定位穿梭油輪外輸時域運動響應分析

楊 旭， 吳承恩， 張恩勇， 董德龍

(1. 中海油研究總院有限責任公司，北京 100029；2. 南通中遠船務工程有限公司，南通 226000)

0 引 言

近年來，我國海洋石油開發正逐步走向海外。中石油、中海油等企業在巴西海域已擁有自己的油田權益。掌握巴西海域相關油田開發技術十分重要。在巴西海域，多點系泊FPSO與動力定位穿梭油輪外輸的模式被廣泛應用，但在我國，動力定位穿梭油輪外輸還未有應用。動力定位系統的核心模塊在工程上也一直未實現國產化。對于動力定位海洋工程平臺，我國已成功制造了981等動力定位半潛平臺，對其研究也較為深入[1-4]。但對于動力定位穿梭油輪的相關研究較少[5]，國內沒有對其進行時域模擬分析的相關研究，其推進器布置形式以及作業環境工況要求等與海洋平臺也較為不同。

本文正是基于以上背景，以巴西海域某油田為目標油田，對一艘蘇伊士型動力定位穿梭油輪進行分析。采用PID控制算法及KALMAN濾波對動力定位系統進行時域控制，采用最優化理論對推進器進行推力分配。對外輸作業完整工況、推進器破損工況以及百年一遇環境工況進行時域運動響應分析與推進器功率分析。結果可為穿梭油輪推進器功率選型以及海上油田開發外輸模式選型提供必要的參考。

1 目標船舶

本文以蘇伊士型動力定位穿梭油輪為目標船舶，俯視圖與側視圖如圖1所示，其主要信息如下：

(1) 全球無限航區、低速柴油機驅動、深井泵型穿梭油輪。

(2) 具備DP2級動力定位能力，船首配有2套管隧式側推器和1套伸縮式全回轉方位推進器，船尾配套1套管隧式側推器和1套伸縮式全回轉方位推進器。

(3) 主機： MAN6S70ME-C6 Tire II×1臺；SMCR： 15 400 kW×86 r/min。

(4) 主發電機： 3 380 kW×2; 4 345 kW×2。應急發電機： 700 kW×1。

(5) 管隧式推進器： 2 200 kW×3；伸縮式全回轉推進器： 2 500 kW×2。

(6) 主尺度： 全長LOA=276.30 m;水線面長LBP=262.00 m;型寬B=46.00 m;型深D=24.30 m;設計吃水d=17.55 m;最大載重量為152 000 t。

(7) 主推進器為1號推進器，船首管隧式推進器為2號、3號推進器，船尾管隧式推進器為4號推進器，船首全回轉推進器為5號推進器，船尾全回轉推進器為6號推進器。

圖1 蘇伊士型動力定位穿梭油輪俯視圖與側視圖

2 環境條件

本文以巴西海域某油田為目標油田，作業水深約為800 m。巴西海域海況相對溫和。通常以8 m/s的偏北風或東北風為主。鑒于強風并不大，因此其有效波高約為2 m。巴西海域極端的風、浪主要由強熱帶風暴造成。從海洋南邊來的涌浪數量較多，尤其是在3—10月期間。最近有證據表明，附近海區還有颶風生成，但數量相當稀少，大概一百年內有一到兩個。本文的環境條件主要包括作業環境條件和百年一遇環境條件。

解脫作業工況選擇Hs=4.5 m的JONSWAP譜進行分析，這個波高大于常年有效波高2 m，更為保守，根據相關水文統計，該波高累積概率可達99%。疊加的流載荷、風載荷與浪向相同，疊加一年一遇的風流載荷。常規作業條件(Hs=2.5 m/s)由于小于解脫作業工況，因此不再進行額外分析。

百年一遇環境條件選擇百年一遇浪、十年一遇風及十年一遇流的組合進行分析，方向按風浪流同向考慮。具體如表1所示。

表1 巴西作業海域環境條件

3 分析方法

3.1 分析流程

本文針對一艘蘇伊士型動力定位穿梭油輪進行時域模擬分析。首先，需對其進行水動力分析。水動力分析采用三維勢流理論，利用SESAM/GENIE模塊建立水動力網格模型，利用SESAM/HYDROD模塊對穿梭油輪進行分析，確定其幅頻響應算子(response amplitude operator， RAO)、附加質量、阻尼矩陣和二階QTF，其水動力網格模型如圖2所示。網格數共計3 303個，網格密度為2 m。

圖2 動力定位穿梭油輪水動力網格模型

之后，在時域分析軟件SIMO中求解時域運動方程，并考慮實時推力控制與推力分配，得到時域響應計算結果。

3.2 控制理論

本文采用PID(proportional， integral， derivative)控制理論對動力定位系統進行時域控制模擬。PID控制理論是控制領域的經典理論，自20世紀60年代第一次應用于動力定位系統以來不斷發展，并被廣泛應用于船舶與海洋平臺的定位控制。PID理論的主要控制方程如式(1)～式(3)[6]：

(1)

ε(t)=x0-x(t)

(2)

(3)

式中：x(t)為濾波位置；x0(t)為目標位置；ε(t)為位置誤差；FT0為推進器作用力；KD為微分增益系數；KP為比例增益系數；Kl為積分增益系數。

3.3 KALMAN濾波

時域波浪可分為波頻部分與低頻部分，波頻部分無法對其進行控制，其信號對于推力分配沒有意義，因此需要進行濾波，本文選擇較為成熟的KALMAN濾波[7]。首先對平臺進行狀態預測，然后得到預測誤差，再將測得的平臺狀態信息進行濾波，最后得到一個平臺狀態的最佳估計值，同時給出濾波誤差。

3.4 推力分配方法

本文將推力分配視為最優化問題，每個推進器需要求解如下參數：x、y為推進器坐標;Wi為推力分配系數;Fmax為最大推力;Fx、Fy為x、y方向最大需求推力;M為需求力矩;θi、θj為推進器與x、y方向夾角。目標函數為[8]

(4)

其中，

α=arctanFx/Fy

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中： 0.1是為保證數值計算穩定所選系數。其限制條件： 最大推力；推進器方向改變角速度；推力角度限制。對于最優化問題，有多種方法可解，本文選用常見的拉格朗日乘數法。

3.5 運動方程

運動方程求解采用MARINTEK公司開發的SIMO模塊進行求解，其好處是可與多種水動力模塊以及RIFLEX等有限元模塊建立接口，便于今后在考慮動力定位情況下進行立管-平臺耦合分析與海上吊裝、作業分析。時域狀態下的運動方程如下[9]：

(10)

M=m+A(ω)

(11)

(12)

方程右邊依次為風拖曳力、一階波浪力、二階波浪力、流載荷、動力定位推動力。動力定位推動力根據參考位置與現位置經PID算法得出，并輸出給推力分配方法，得到各推進器分配力。

3.6 環境載荷模擬

本文在計算中考慮了風浪流載荷的影響。對于風載荷，本文選擇API規范[10]，對船舶受風面積、形狀系數和高度系數進行分析，確認了0、 45°、 90°三個方向的定常風載荷，對其他風向進行加權和對稱變化。

對于流力，同樣以定常力進行分析，由于不存在錨鏈和立管系統，僅考慮表面流對船體的作用即可。同樣，采用API規范進行估算。

對于波浪力，給予隨機種子，根據波浪譜得到隨機波浪時歷曲線。船舶運用三維勢流理論，利用面元網格模型求解得到船舶幅頻響應算子(RAO)、附加質量、阻尼、慢漂力、二階差頻力，得到結果輸出至時域運動方程求解軟件中，并根據波浪時歷曲線進行波浪力的時域計算。再按3.5節所述進行運動方程求解。

3.7 推進器推力

推進器推力與推進器功率的關系根據API RP 2SK規范相關的經驗表格以及推進器的類型進行分析。

4 結果

4.1 靜力分析

首先，利用SIMA軟件求解無波浪載荷下的穿梭油輪平衡位置，本文根據巴西海域主流風浪流條件確定初始定位位置為(0， 0， 0)，艏向角度為45°。得到平衡位置與期望值完全相同，推進器推力如表2所示。

表2 靜力分析推進器受力 (單位： kN)

從表中可以看出，此時貢獻推力的主要為推進器1號，主要用于抵抗定常環境力(風力+流力)。推力負載約為20%。

4.2 完整外輸工況

對于風浪流同向的完整外輸工況，所得重心處運動響應統計值如表3所示。

表3 完整外輸工況運動響應統計值

船體重心軌跡如圖3所示，位移最大值為4.3 m，小于水深的3%(45 m)，且艏向角基本維持在45°方向上，工況3滿足規范要求。船舶重心軌跡一直在東北向，偏移至(1.1， 1.8)后逐漸向原點靠攏，基本穩定在(1.1， 0)附近的位置。

圖3 完整外輸工況穿梭油輪重心軌跡曲線

推進器推力如表4所示。

表4 完整外輸工況推進器推力統計值

主推進器最大值為35.8%，但其平均值僅為1.2%，說明在主推進器將船體推進到理想位置后，主推進器便不再需要較大推力。2～4號推進器中，2號推進器發揮主要作用，平均推力為28.8%，最大推力為83.9%?？梢钥闯鲈?個管隧式推進器中，主要是2號推進器發揮的作用，3號、4號基本處于待機狀態，適時介入。5號、6號全回轉推進器平均負荷為29.7%、 14.6%，最大負荷為82.1%、 39.7%。這兩個全回轉推進器主要用于船舶轉向，功率不高，推力負荷較大。在實際海況中，可根據控制方式和緊急程度決定推力的負載情況，降低推力負載，延長轉向時間。這樣可保證安全性，同時降低能耗。

4.3 破損工況

對于風浪流同向單推進器破損情況，本文考慮了所有推進器單個失效的情況。限于篇幅，本文主要給出1號推進器(主推進器)在1 000 s失效的結果。圖4為各推進器的時間歷程曲線，限于篇幅取5 000 s，其中1號推進器在1 000 s失效。之后可看出，其他幾個推進器升高代替了主推進器作用。從推力百分比可以看出，自1號推進器破壞后，5號、6號兩個全回轉推進器發揮了更大的作用，部分時間達到了全負荷運轉。

圖4 破損工況推進器推力百分比

表5為該工況下穿梭油輪位移情況，從表中可以看出，1號推進器破損對整個船舶的定位能力影響不大，船舶依然可以完成定位，符合規范要求。

表5 破損工況運動響應統計值

4.4 百年一遇環境工況

本節分析了巴西海域風浪流同向時百年一遇環境條件下穿梭油輪定位能力，如表6所示。結果表明百年一遇海況條件下，本文目標船舶偏移最大值已超過水深的12%，艏向角偏移也達到了53°。因此，該船舶并不具備百年一遇環境條件下的定位能力，考慮到這一因素。在外輸過程中，若遇到極端惡劣環境和臺風預報，應提前暫停外輸工作，進行避臺。

表6 百年一遇環境條件運動響應統計值

5 結 語

本文采用PID算法、KALMAN濾波與最優化理論進行動力定位控制系統時域模擬，對一艘蘇伊士型動力定位穿梭油輪在巴西海域外輸過程中的完整工況、破損工況、解脫工況以及百年一遇環境條件進行了時域運動響應分析與推進器推力分析，根據API規范進行了校核。所得結論如下：

(1) 該船舶在Hs≤4.5 m時，位移最大值小于水深3%，動力定位能力可滿足相應外輸工作。

(2) 在單一推進器破損情況下(包括主推進器)，該船舶可繼續完成外輸作業和定位，直至安全解脫。在此種工況下，部分推進器功率達到上限。

(3) 在解脫工況下，該船舶可安全進行外輸解脫，滿足相應定位要求。

(4) 在百年一遇環境條件下，該船舶無法進行相應定位，因此應根據天氣預報，合理避臺，避免在極端環境條件下進行外輸。