半潛鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位與錨泊混合定位控位能力分析方法研究

張本偉，楊清峽，梁園華

(中國(guó)船級(jí)社 海工技術(shù)中心，北京100007)

在海洋油氣開(kāi)發(fā)中，選取半潛鉆井平臺(tái)的定位方式十分重要。常見(jiàn)的定位方式有錨泊定位和動(dòng)力定位。錨泊定位一般適用在作業(yè)水深300～1 000 m的范圍，動(dòng)力定位方式理論上不受水深的限制，但是出于經(jīng)濟(jì)性考慮，常用在水深1 000 m以上的作業(yè)海域，二者隨水深的成本變化見(jiàn)圖1。

圖1 錨泊與動(dòng)力定位系統(tǒng)成本與水深關(guān)系

錨泊定位技術(shù)研究和應(yīng)用比較早，分析和計(jì)算方法也有很多。動(dòng)力定位技術(shù)的研究和應(yīng)用比錨泊起步晚一些，但從目前全球?qū)?dòng)力定位系統(tǒng)的使用和開(kāi)發(fā)來(lái)看，動(dòng)力定位也已成為一種比較常見(jiàn)的定位方式。錨泊定位和動(dòng)力定位都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在具體應(yīng)用中，通常根據(jù)不同的平臺(tái)類型和區(qū)域作業(yè)要求，選擇定位方式。

隨著海洋開(kāi)發(fā)區(qū)域的全球性發(fā)展，針對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)工作的一些特殊海區(qū)，緊靠一種單獨(dú)的定位方式，無(wú)法滿足定位作業(yè)要求。二者的混合定位方式在近幾年已經(jīng)出現(xiàn)。比如在挪威北海Haltenbanken海區(qū)。該海域水深在300 m左右，其顯著特點(diǎn)就是海況惡劣，挪威船級(jí)社在規(guī)范中明確要求，錨泊定位需要滿足100年一遇的風(fēng)和浪，及10年一遇的流，因此單獨(dú)使用一種定位方式，平臺(tái)的作業(yè)窗口期很短，極大地影響了平臺(tái)的使用效率。同時(shí)，混合定位方式也可以節(jié)約成本［1］。

KONGSBERG公司早已開(kāi)始動(dòng)力定位和錨泊定位混合定位模式的研究，推出了成熟的混合定位模式產(chǎn)品DP-M，但是截至目前，國(guó)內(nèi)對(duì)其內(nèi)部的核心技術(shù)了解甚少。

本文結(jié)合位于挪威北海作業(yè)的某半潛鉆井平臺(tái)所使用的混合定位模式，研究一種半潛鉆井平臺(tái)混合定位模式下控位能力的分析方法。

1 錨泊定位

半潛平臺(tái)錨泊定位示意見(jiàn)圖2。錨泊分析分為準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，其中動(dòng)態(tài)又分為時(shí)域和頻域分析。

圖2 半潛平臺(tái)錨泊定位示意

在分析過(guò)程中，一般包括風(fēng)、浪、流因素。其中風(fēng)考慮為穩(wěn)態(tài)風(fēng)，流考慮為恒流，波浪的成分比較復(fù)雜，一般包括波頻，低頻，其中低頻包括二階波漂力，為定值。錨泊分析主要是對(duì)錨鏈強(qiáng)度和疲勞等進(jìn)行分析。

分析工況包括在作業(yè)和自存海況下平臺(tái)的完整、破損和瞬態(tài)(一根錨鏈斷裂)工況。

系泊平臺(tái)在風(fēng)力(定常)、恒流力和波漂力的聯(lián)合作用下將從無(wú)環(huán)境力作用時(shí)的初始位置偏移至新的平均位置，在此平均位置上，系泊系統(tǒng)的復(fù)原力將平衡環(huán)境因素對(duì)平臺(tái)所施加的上述定常力。波浪還在此新的平衡位置上引起系泊平臺(tái)的波頻和低頻運(yùn)動(dòng)。

波頻運(yùn)動(dòng)和低頻運(yùn)動(dòng)可由模型試驗(yàn)或計(jì)算分析求得。波頻運(yùn)動(dòng)一般可與低頻運(yùn)動(dòng)分開(kāi)計(jì)算。在波頻運(yùn)動(dòng)分析中，由于平臺(tái)的縱蕩、橫蕩和首搖運(yùn)動(dòng)的固有周期遠(yuǎn)大于波浪周期，一般可不考慮系泊系統(tǒng)質(zhì)量及彈性對(duì)波頻運(yùn)動(dòng)的影響。在低頻運(yùn)動(dòng)分析中，一般可只考慮系泊平臺(tái)的低頻縱蕩、橫蕩和首搖運(yùn)動(dòng)。系泊平臺(tái)的低頻運(yùn)動(dòng)為集中在系泊平臺(tái)固有頻率附近的極度狹帶的響應(yīng)。運(yùn)動(dòng)幅值取決于系泊系統(tǒng)的剛度和阻尼。

關(guān)于半潛鉆井平臺(tái)的錨泊定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)、分析方法可以參考的材料很多，比如API RP2SK，API RP 2SM，ISO19901-7(2005)，各大船級(jí)社規(guī)范，政府法規(guī)等等。

2 動(dòng)力定位

動(dòng)力定位技術(shù)最早開(kāi)始于上世紀(jì)70年代，用于海洋開(kāi)發(fā)，目前對(duì)其研究和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。

動(dòng)力定位主要是利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制推進(jìn)器抵抗風(fēng)浪流環(huán)境力，保持平臺(tái)/船舶的位置和艏向。這里所能抵抗的風(fēng)浪流包括穩(wěn)態(tài)風(fēng)，海流力及波浪載荷中的二階力波漂，其他運(yùn)動(dòng)載荷，動(dòng)力定位系統(tǒng)不于考慮，其控制原理見(jiàn)圖3。

圖3 半潛平臺(tái)動(dòng)力定位控制原理

動(dòng)力定位系統(tǒng)推進(jìn)器發(fā)出的推力的使用分為兩部分:一部分為抵抗靜載荷，就是由風(fēng)、流和二階波漂力組成;另一部分為抵抗動(dòng)載荷，控制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)位移及艏向。行業(yè)內(nèi)對(duì)推進(jìn)器使用的考慮一般是每個(gè)推進(jìn)器可用推力的80%，用來(lái)抵抗靜載荷，剩余20%用來(lái)抵抗動(dòng)載荷。

目前，對(duì)于動(dòng)力定位系統(tǒng)的控位能力分析都是基于上述原理進(jìn)行的。可以參考的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比較多，比如有API RP 2SK，以及國(guó)際海事承包商協(xié)會(huì)(IMCA)等推薦辦法。

3 動(dòng)力定位輔助錨泊定位

目前，對(duì)動(dòng)力定位輔助錨泊定位系統(tǒng)的研究都是基于上個(gè)世紀(jì)對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)和錨泊系統(tǒng)的研究應(yīng)用基礎(chǔ)上進(jìn)行的［2］。上個(gè)世紀(jì)90年代末，荷蘭MARIN水池的Johan等從理論上研究過(guò)二者混合定位系統(tǒng)，并做過(guò)水池試驗(yàn)，最終因?yàn)殡y以開(kāi)展水下錨泊系統(tǒng)試驗(yàn)研究，沒(méi)有進(jìn)行完整的相關(guān)模型試驗(yàn)。同時(shí)，挪威科技大學(xué)也開(kāi)展了一系列涉及動(dòng)力定位輔助錨泊定位模型試驗(yàn)研究，但是重點(diǎn)是控制方式的研究。近幾年，國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)也對(duì)該混合定位方式進(jìn)行了理論研究。

動(dòng)力定位輔助錨泊混合定位下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，很難像單純地使用錨泊定位或者動(dòng)力定位模式下那樣，建立一個(gè)精確的模型，單純用靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)方法，或者用時(shí)域和頻域分析方法來(lái)分析其控位能力［3-5］。

從上述動(dòng)力定位和錨泊定位能力分析對(duì)比可以看出，在動(dòng)力定位與錨泊定位對(duì)環(huán)境的抵抗作用中，錨泊抵抗的環(huán)境力的成分更多，包含了波頻及全部低頻，對(duì)穩(wěn)態(tài)風(fēng)、流及二階波漂力抵抗作用二者幾乎是相同的。

錨泊定位下平臺(tái)的波頻運(yùn)動(dòng)一般可與低頻運(yùn)動(dòng)分開(kāi)計(jì)算。在波頻運(yùn)動(dòng)分析中，由于平臺(tái)的縱蕩、橫蕩和首搖運(yùn)動(dòng)的固有周期遠(yuǎn)大于波浪周期，一般可不考慮系泊系統(tǒng)質(zhì)量及彈性對(duì)波頻運(yùn)動(dòng)的影響。在低頻運(yùn)動(dòng)分析中，一般只考慮系泊平臺(tái)的低頻縱蕩、橫蕩和首搖運(yùn)動(dòng)。系泊平臺(tái)的低頻運(yùn)動(dòng)為集中在系泊平臺(tái)固有頻率附近的極度狹帶的響應(yīng)。運(yùn)動(dòng)幅值取決于系泊系統(tǒng)的剛度和阻尼［6］。

如果動(dòng)力定位通過(guò)試驗(yàn)或由廠家可以提交出其剛度和阻尼系數(shù)(動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制品質(zhì))，同樣也可以用與錨泊分析類似的方式進(jìn)行分析，這樣就簡(jiǎn)化了整個(gè)分析過(guò)程。通過(guò)試驗(yàn)可以得出動(dòng)力定位控位能力的計(jì)算公式為

式(1)中等號(hào)右邊第二項(xiàng)與第三項(xiàng)相位差為90°。

另外，由統(tǒng)計(jì)學(xué)和圓周運(yùn)動(dòng)公式可知

推薦混合定位的分析流程見(jiàn)圖4。

圖4 混合定位分析流程

4 計(jì)算實(shí)例

設(shè)計(jì)位于北海Haltenbanken海區(qū)作業(yè)的某半潛鉆井平臺(tái)的相關(guān)參數(shù)如下。坐標(biāo)系采用常規(guī)的北東坐標(biāo)系。

6個(gè)65 t全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的布置位置見(jiàn)表1，8根錨鏈布置位置見(jiàn)表2，選取的錨鏈的特性見(jiàn)表3，挪威海事局對(duì)錨鏈動(dòng)態(tài)安全系數(shù)的要求見(jiàn)表4，依據(jù)挪威船級(jí)社規(guī)范要求，對(duì)工作在北海海區(qū)使用錨泊定位的半潛平臺(tái)需滿足100年一遇風(fēng)和浪的工況(自存)，對(duì)應(yīng)的海況參數(shù)見(jiàn)表5，所配置的動(dòng)力定位，即系統(tǒng)廠家提供的動(dòng)力定位系統(tǒng)的阻尼和剛度系數(shù)見(jiàn)表6。

表1 某半潛鉆井平臺(tái)推進(jìn)器位置 m

表2 錨鏈布置位置

表3 所選用錨鏈的特性

表4 挪威海事局對(duì)錨鏈安全系數(shù)的要求

表5 挪威北海Haltenbanken海區(qū)百年一遇工況

表6 DP廠家提供的DP特性

依據(jù)試驗(yàn)得出的環(huán)境力系數(shù)，所計(jì)算出平臺(tái)在180°方向所受環(huán)境力的大小及計(jì)算流程見(jiàn)表7。

表7 180°方向平臺(tái)所受環(huán)境力計(jì)算

在SESAM MIMOSA模塊下頻域分析可知平臺(tái)橫向標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.9 m，跨零周期為165.4 s;縱向標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.09 m，跨零周期為204.49 s;分別帶入式(2)和(1)中，結(jié)合表6，求得平臺(tái)在北東坐標(biāo)系下180°方向動(dòng)力定位系統(tǒng)最大需要提供推力為3 617 kN，小于3 635 kN，滿足要求。

依據(jù)上述流程，可以依次算出在完整自存工況下其他角度動(dòng)力定位的控位能力及錨泊分析。

見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 混合定位模式及完整自存工況下DP控位能力分析

圖6 混合定位模式及完整自存工況下錨泊安全系數(shù)

5 結(jié)束語(yǔ)

半潛平臺(tái)在動(dòng)力定位輔助錨泊定位模式下的分析是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。通過(guò)對(duì)比分析兩種定位方式在定位過(guò)程中所抵抗的環(huán)境載荷成分的不同，把平臺(tái)作業(yè)中所受的環(huán)境載荷分為靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力，靜態(tài)力主要由動(dòng)力定位來(lái)控制，動(dòng)態(tài)力主要由錨泊系統(tǒng)來(lái)控制，基于此思想計(jì)算校核二者的定位能力。本文僅是從理論上給出分析，把環(huán)境載荷分開(kāi)考慮是一種簡(jiǎn)化和理想的過(guò)程，實(shí)際控制過(guò)程遠(yuǎn)沒(méi)這么簡(jiǎn)單，需要專業(yè)軟件建模分析和水池試驗(yàn)等方法進(jìn)行混合定位模式控位能力的真實(shí)分析。

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