某三用工作船動力定位功率估算方法研究

中圖分類號：U661.1 文獻標志碼：A

Research on Power Estimation Method for Dynamic Positioning of a Multipurpose Support Vessel

YUAN De1， HUANG Tianxing2， ZHU Wenqian2， ZENG Jiangyi2（1.NavalReprfagoauia;goutioagoa

Abstract： This paper presents a computational method for estimating dynamic positioning （DP） power requirements during the preliminary design phase of a DP2-class multipurpose support vessel. The proposed approach employs empirical formulas to calculate environmental forces （wind， waves，and currents）acting on the hull，enabling the determination of individual thruster power outputs for station-keeping operations.The method demonstrates high computational efficiency and provides reliable reference values for preliminary DP power allocation.

Key words： dynamic positioning; power estimation; wind-wave-current loads; environmental forces

1 引言

動力定位（DP）是一種利用船舶自身推進系統，在不需要錨泊的情況下，使船舶利用其自身動力抵御海上風、浪、流的影響，自動保持于設定位置和方位上的一項技術，其基本原理是通過感應元件及時感應和檢測船舶在外界擾動力作用下的水平漂移量和方位偏差，再根據外界擾動力的影響計算出所需的力和力矩，并對安裝于船舶或平臺上的各推進器進行推力分配計算，發出指令使各推進器產生相應推力，從而使船舶或平臺不斷糾正偏移狀態，定位于所要求的位置。

船舶動力定位技術是伴隨著海洋石油工程開發而產生的，起源于20世紀60年代，經過60多年的發展，已是一門成熟的船舶技術，在各種船舶上均有應用，如物探船、勘探船、科考船、半潛船、平臺供應船、布纜船、風電運維船、起重船以及鉆井船。

在研發設計一艘具備動力定位的船舶時，在初步設計階段即應根據環境條件，結合船舶主尺度和總布置，計算船舶的環境外力，進而估算各推進器的設備能力。本文以某三用工作船為例，分析方案設計階段，基于動力定位需求對各推進器所需功率進行分析和計算。

2 船舶主要參數

總長 /m 70.70;

垂線間長 /m 63.00;

型寬 /m （204 6.00;

型深 /m （2號 7.20;

吃水m 5.40;

水線以上側向投影面積（見圖1） /m² 490;

水線以上縱向投影面積（見圖2） /m² 240。

3 計算方法

在對動力定位系統進行設計時，需對船舶或平臺受到的環境載荷進行計算。在實際作業過程中，船舶或平臺受到的環境力主要有風、浪、流，均為不規則、不定常載荷，難以精確計算。精確的分析定位能力需采用動態的時域運動模擬分析方法，考慮動態載荷，獲得實時定位信息，能更加直觀的評價定位能力

時域運動模擬分析需要采用專業的分析軟件進行分析和計算，如荷蘭MARIN研究所開發的DPCAP和DPSEMI軟件；此外，一些專業的供應商如著名的動力定位生產公司Kongsberg等都有自己一整套包括定位能力計算和動態模擬的計算軟件。

在設計前期，為進行快速估算，將受到的環境力（風、浪、流）視為定常力，通過簡化計算模型，引入經驗系數及經驗公式，考慮船體推力系統理論上產生的推力與外環境載荷靜態的平衡，雖然較為粗略，但計算簡便快捷，可在設計階段初步擬定方案使用[2]。

本項自選取某三用工作船作為研究對象，采用上述的第二種方法對動力定位功率進行粗略估算。

4工作海域環境條件

動力定位是船舶利用多個推進器產生的綜合推進能力抵御海上風、浪、流對船的作用力影響，因此首先需要確定環境條件作為設計輸入。

環境條件應根據船舶的工作海域、作業工況來確定。本船作為無限航區作業船舶，經與船東溝通確認，采用標準的北海環境[設計條件作為最大環境條件輸入，其設計條件為風速 17.36m/s 、流速 0.75m/s 、浪高 6.14m 0

5推進器配置

動力定位系統用于維持船舶的自身位置和首向位置，因此推進系統需要具備前后左右的推力，以抵御海上風、浪、流對船的各個角度的作用力影響。目前具備動力定位的船舶較多地采用艉全回轉推進器和f側推組合，舵槳、吊艙等全回轉推進器兼具槳和舵的作用，可在360°的范圍內具備 100% 的推力效果，產生前、后和左轉、右轉的效果；結合側推的轉動推力效果，可滿足動力定位的推力要求。

根據不同DP附加標志（如DP2、DP3）的要求，推進器的數量應有相應的冗余，在任意一個推進器發生故障（單點故障）時，仍有足夠的動力定位效果。

主推進器的數量和功率配置除考慮動力定位要求外，還應考慮自由航行時航速所需的功率要求，以及其他如拖帶時拖力所需的功率要求等。

本船動力定位要求為DP2，推進器配置為：艉部采用兩個全回轉舵槳，部采用一個管式側推、一個可伸縮式全回轉推進器。

6 環境力計算

6.1風力計算

將船舶作業時所受的風力作為定常力進行計算，計算公式如下

式中： F_Xw 為縱向風力，N； F_Yw 為側向風力，N； F_w 為 風力合力，N； C_Xw 為為無因次縱向風力系數； C_Yw 為 為無因次側向風力系數； ρ_w 為空氣密度， 1.28kg/m³ ： v_w 為 10m 處風速， m/s ： A_T 為縱向受風投影面積， m² ： A_L 為側向受風投影面積， m² ○

計算中，取船對準強風向時的向角為 0^° ，風力結算結果見表1。

6.2水流力計算

將船舶作業時所受的水流力力作為定常力進行計算，計算公式如下4

F_xc=0.5×C_xc×ρ_c×V_c²×L_BP×T

式中： F_xc 為縱向水流力，N； F_Yc 為側向水流力，N;F_c 為水流力合力，N； C_Xc 為為無因次縱向水流力系數； ΔC_Yc 為為無因次側向水流力系數；ｐｃ為海水密度，1025kg/m³ ; v_c 為水流速度， m/s ；T為船舶吃水， m L_BP 為垂線間長， m 。

取船對準水流時的向角為 0^° ，水流力計算結果見表2。

6.3波浪力計算

波浪力的主體是高頻的振蕩力，這種力使浮體產生周期性的往復運動，運動幅值一般不大（約 1～3m ）。這種高頻振蕩力是不可能用推力器去克服的，也沒有必要去克服它。對動力定位裝置來說需要克服的波浪力主要是二階漂移力。漂移力可通過理論計算求取，如利用挪威船級社（DNV）編制的SESAM程序，通過理論計算求取波浪力和船舶運動[5。

此外，波浪力還可通過統計分析粗略估算，根據多年來對實船測試數據的統計分析，波浪力一般占環境載荷的 5%～10%^[2] ，本文按 10% 計算。

F_wv=（F_w+F_c）×0.1

波浪力 F_wv 計算結果如表3。

7 動力定位功率計算

不考慮風力和水流力在各個方向上投影面積和投影面積形心的變化，將船舶側受風面積的形心a視為風力的作用點，船舶水下側面積的形心b視為水流力的作用點，船舶設計水線的中點c視為波浪力的形心，船舶舵槳中心O作為原點，則通過測量總布置圖可知（見圖3）。

因此風 F_w 、浪 F_wv 、流 F_c 環境力和相對于舵槳中心O的力矩 M_w 、 M_wv 、 M_c 計算如表4。

從上可知，當風浪同向且艏向角為 80^° 時環境力最大，此時環境力合力為 138.94kN ，環境力總力矩為4720.3kN?m 。根據力矩平衡原理，推進器的推力和產生的力矩應與環境力相等且方向相反。

考慮本船動力定位系統為DP2，即在某一臺推進設備失效時仍需要保持動力定位的能力。假設本船的管式側推推力為 F₁ ，可伸縮式推進器推力為 F₂ ，舵槳推力為 F₃ ，以下分別就可伸縮式推進器失效和一臺舵槳失效兩種工況進行計算，計算各推進器應具備的最小推力。

管式側推、可伸縮式全回轉推進器和舵槳距舵槳中心的距離 Od 、Oe和Of如下。

Od=58.5m Oe=56.08m Of=-1.82m

工況一：可伸縮式推進器失效，管式側推推力 F₂ 和舵槳推力 F₃ 的推力合力及相對于舵槳中心0的力矩M₂ 、 M₃ 計算如下。

F₁+2×F₃=138.94

F₁×56.08-2×F₃×1.82=4720.3

得出 _F1=82.45kN . F₃=26.52kN. 0

工況二：一個舵槳失效，管式側推、可伸縮式全回轉推進器推力 F₂ 和舵槳推力 F₃ 的推力合力及相對于舵槳中心。的力矩計算如下。

F₁+F₂+F₃=138.94

F₁×58.5+F₂×56.08-F₃×1.82=4720.3_c

考慮管式側推和可伸縮式推進器力臂大小接近，推力相同情況下將更加優化，因此得出 F₁=F₂=42.07 kN ； F₃=54.8kN 。

根據以上工況計算，管式側推和可伸縮式推進器推力應不小于 82.45kN ，舵槳推力應不小于54.8kN。實際選用的管式側推推力為 108kN ，可伸縮式全回轉推進器推力 135kN ，舵槳推力為 608kN ，滿足計算要求（見表5）。

8 結語

在船舶研發設計的初期，除應第一時間進行主尺度、總布置論證和設計外，還應對動力系統進行估算和配置，通過對動力定位的功率計算，能初步確定動力定位所需推進器的總功率和各推進器的功率分配，幫助設計人員選擇合適類型、數量和規格的推進器，避免因功率不足導致定位能力不夠，或功率過剩造成設備浪費。

本文基于經驗公式計算出船舶的風、浪、流等環境外力，進而估算出船舶進行動力定位時各推進器所需功率大小。經后續設計驗證表明，初期的估算值與最終設備的選用值接近，表明該方法具備良好的可行性。該方法應用方便，計算快捷，對動力定位功率的初步計算有良好的應用參考價值。

參考文獻

[1]陳恒.深海半潛式平臺動力定位推力系統設計研究[D].上海交通大學，2008.

[2]盧俊，王小紅，等.15000HP海洋油氣增產作業船推進系統設計及動力定位能力分析[J].船海工程，2017.46（2）：135-138.

[3]DNV.Rules forClassificationof Ships[S].Hovik：DNV，2009.

[4]石油公司國際海事論壇（OCIMF）.系泊設備指南（第三版）[M].倫敦：WitherbySeamanshipInternational，2008.

[5]高捷，譚家華.浮式生產儲油輪動力定位功率計算[J].上海交通大學學報，1996.30（10）：54-58。