深水半潛式鉆井平臺動力定位系統(tǒng)研究與設(shè)計

安菲菲 趙梅蓮

（青島黃海學(xué)院，山東 青島266427）

深水半潛式鉆井平臺動力定位系統(tǒng)研究與設(shè)計

安菲菲 趙梅蓮

（青島黃海學(xué)院，山東 青島266427）

文章通過傳感器采集鉆井平臺周圍風(fēng)浪海流等環(huán)境外載荷，把采集數(shù)據(jù)送入信息處理及控制系統(tǒng)，信息處理及控制系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)進行分析處理，獲取外力合力的大小，并給執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)送指令。執(zhí)行系統(tǒng)中的電機按照指令中的轉(zhuǎn)速和方向帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生推力，抵消平臺環(huán)境外載荷的推力，使平臺靜止。若鉆井平臺發(fā)生了移位，GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)移位并把位移數(shù)據(jù)傳給信息處理及控制系統(tǒng)，信息處理及控制系統(tǒng)根據(jù)坐標(biāo)計算出移位距離及方向，給執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)送指令，執(zhí)行系統(tǒng)中的電機帶動螺旋槳產(chǎn)生推力使平臺回到原位。

半潛式鉆井平臺；推力系統(tǒng)；信息處理；動力定位

1 動力定位系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用

關(guān)于深水半潛式鉆井動力定位的研究，國際上已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒欤覈€正處于初步發(fā)展階段，我國重點發(fā)展海洋戰(zhàn)略，該研究對于海洋研究以及資源開發(fā)有很大的影響，是國家重點發(fā)展的行業(yè)。動力定位系統(tǒng)目前主要應(yīng)用于海洋石油平臺的定位、管道或線纜鋪設(shè)及維修、海底鉆探和取芯、海上吊裝安裝、海洋調(diào)查科考、海上消防及救助、挖泥船作業(yè)，游輪以及其他需要海上定位作業(yè)的多用途船等。

2 動力定位的工作原理及實現(xiàn)

動力定位系統(tǒng)可以分成平臺未發(fā)生移動和平臺已經(jīng)發(fā)生移動兩種情況來考慮：

1）平臺未發(fā)生移動但考慮到風(fēng)載荷、水流載荷和波浪漂移力，利用風(fēng)速風(fēng)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(tǒng)。由處理系統(tǒng)向執(zhí)行系統(tǒng)（電機和螺旋槳組成）發(fā)出執(zhí)行命令，電機帶動螺旋槳按照執(zhí)行命令按照一定的方向及轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，抵消加在平臺上的外力，使平臺保持不移動狀態(tài)。

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

3 半潛鉆井平臺環(huán)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(fēng)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(guān)傳感器，測得相應(yīng)的力的大小，根據(jù)受力面積計算出數(shù)據(jù)，建立起模型，計算其在平臺海洋狀況下所需要承受到的風(fēng)浪外部擾動作用力。把相關(guān)數(shù)據(jù)送給中央處理器，使之給執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)指令，客服外力在平臺上的作用。

3.1 風(fēng)載荷對平臺受力數(shù)據(jù)采集

風(fēng)載荷對平臺受力數(shù)據(jù)可以通過風(fēng)向風(fēng)速傳感器獲得。風(fēng)向風(fēng)速傳感器要實現(xiàn)最準(zhǔn)確的反應(yīng)出風(fēng)力的大小，首先，要保證準(zhǔn)確的指向風(fēng)吹的方向。使用風(fēng)向標(biāo)和角度傳感器就可以滿足這一需求。其次，要準(zhǔn)確的測出風(fēng)力的大小，利用三環(huán)風(fēng)輪和轉(zhuǎn)速傳感器就可以實現(xiàn)。2CW35風(fēng)向風(fēng)速傳感器可以滿足上述要求，準(zhǔn)確采集瞬時風(fēng)速和風(fēng)向。圖2為2CW35風(fēng)向風(fēng)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖。通過風(fēng)向標(biāo)、三杯風(fēng)速儀、角度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器分別測得瞬時風(fēng)向和風(fēng)力。這種機械式風(fēng)向風(fēng)速傳感器造價低、易維護，目前在測量風(fēng)向風(fēng)速中仍在廣泛應(yīng)用。

3.2 海浪洋流載荷對平臺受力數(shù)據(jù)采集

海浪洋流載荷對平臺受力數(shù)據(jù)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(dāng)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(dāng)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(jù)受力情況給執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)

中央處理及控制系統(tǒng)主要完成對各種傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)進行分析，判斷出整個平臺受力的大小和方向，并向執(zhí)行系統(tǒng)中的電機發(fā)送運轉(zhuǎn)指令。

中央處理系統(tǒng)采用的是DP-3操縱系統(tǒng)，DP-3操縱系統(tǒng)是國際海事組織和各大船級社對具有DP-3附加標(biāo)志的動力定位系統(tǒng)的規(guī)范要求設(shè)計并搭建了DP一級動力定位操縱系統(tǒng)。操縱計算機組作為動力定位系統(tǒng)的計算中心，實時性要求很高，采用基于優(yōu)先級搶占的多任務(wù)調(diào)度實時操作系統(tǒng)Vxworks，每臺機器須在每一個操縱節(jié)拍內(nèi)接收來自所有傳感器的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行信號處理、濾波估計以獲得最優(yōu)的操縱輸入，該系統(tǒng)可以結(jié)合外界環(huán)境的影響以及操作人員的操作指令計算出當(dāng)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(tǒng)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(yīng)方向的轉(zhuǎn)動。

5 執(zhí)行系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)是動力定位系統(tǒng)其中的一個重要組成部分，用于產(chǎn)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(dāng)執(zhí)行系統(tǒng)接收到中央處理系統(tǒng)發(fā)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(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。方位推進器是一個可以改變螺旋槳軸在水平面內(nèi)方位的推進器。一般是帶有導(dǎo)管的導(dǎo)管螺槳。螺旋槳就是可調(diào)螺距的。

6 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)

在平臺發(fā)生移動的時候，GPS能精確的測量出發(fā)生移動的方位以及距離，將收集到的數(shù)據(jù)傳送至中央處理器。中央處理器向執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，使平臺準(zhǔn)確的回到原來的位置。鉆井平臺最經(jīng)常使用的導(dǎo)航系統(tǒng)是美國的Navstar GPS系統(tǒng)，它覆蓋面積能夠到達全球。精確度高，平臺產(chǎn)生微小的位移，GPS系統(tǒng)都能夠發(fā)現(xiàn)，并能把最新的接收端坐標(biāo)傳送給接收端。中央處理器可以根據(jù)不同的坐標(biāo)值計算出偏移量，向執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，使平臺準(zhǔn)確的回到原來的位置。

［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(shù)，2012.

［2］竇培林.深水半潛式鉆井平臺DP3動力定位系統(tǒng)應(yīng)用[D].山東：山東交通大學(xué)，2015.

［責(zé)任編輯：田吉捷］

安菲菲（1980—），女，山東青島人，碩士，研究方向為計算機信息處理。