基于光纖陀螺儀的動(dòng)力定位在海洋石油的應(yīng)用研究

高 山 徐 植 劉錦偉

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450；2.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452)

基于光纖陀螺儀的動(dòng)力定位在海洋石油的應(yīng)用研究

高 山1徐 植2劉錦偉2

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450；2.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452)

基于光纖陀螺儀的基本原理與動(dòng)力定位的結(jié)構(gòu)和原理，通過光纖陀螺儀的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)力定位的基本數(shù)學(xué)模型，分析該設(shè)備在海洋石油動(dòng)力定位中應(yīng)用的可行性。結(jié)果表明：在近海范圍，光纖陀螺儀自身就可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)船只的姿態(tài)測量和動(dòng)力定位；而在深海地區(qū)，光纖陀螺儀可以作為位置測量系統(tǒng)的核心器件，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的船舶動(dòng)力定位。

光纖陀螺儀 海洋石油 動(dòng)力定位

在海洋石油開采領(lǐng)域，動(dòng)力定位(Dynamic Positioning，DP)主要應(yīng)用于海上平臺(tái)、鉆井平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)和海上作業(yè)船只(如平臺(tái)支持船、穿梭油輪及鋪管船等)的定點(diǎn)定位。動(dòng)力定位無需使用傳統(tǒng)的錨系，因此更加靈活，適用于多種海況和海域，逐漸成為海洋石油作業(yè)必不可少的支持系統(tǒng)。而陀螺儀(Gyroscope)作為一種慣性器件，具有自主導(dǎo)航功能，從投入使用便受到各界的廣泛關(guān)注，并被應(yīng)用于導(dǎo)航定位、制導(dǎo)控制等領(lǐng)域，在各國的重點(diǎn)扶持下得以飛速發(fā)展[1]。

隨著全球油氣需求的增長和陸地石油的減少，海洋石油開采對行業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義。近年來，海油的發(fā)展重心也逐漸向深海油田轉(zhuǎn)移，這也對海洋石油的開發(fā)技術(shù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的海上定位系統(tǒng)，準(zhǔn)確性和靈活性較差，對海上石油作業(yè)的安全性和高效性存在一定的影響[2]。筆者針對陀螺儀中的光纖陀螺(Fiber Optic Gyro，F(xiàn)OG)，分析研究它在海洋石油領(lǐng)域的應(yīng)用狀況，在充分保證平臺(tái)作業(yè)安全的同時(shí)提升海洋石油勘探的開發(fā)能力，為后期海上石油定位系統(tǒng)的發(fā)展和完善提供一定的理論支持。

1 基本原理①

1.1 光纖陀螺的基本原理

光纖陀螺是一種角速率傳感器，基于薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)，其基本原理如圖1所示。薩格奈克效應(yīng)指的是：在一個(gè)閉合的環(huán)形光路中，沿光路的順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向，兩束光相向傳播，經(jīng)過傳輸后再次回到出發(fā)點(diǎn)，疊加并產(chǎn)生干涉效應(yīng)[3]。環(huán)形光路進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正比于旋轉(zhuǎn)速率ω的相位差Δφ。

圖1 理想光路中光纖陀螺的基本原理

如圖1a所示，一個(gè)相對慣性空間靜止的環(huán)形光路，對于順時(shí)針或者逆時(shí)針傳播的光來說，其光程是一致的，都是從A點(diǎn)出發(fā)最終又回到A處匯合，并且疊加干涉。因此，從光纖線圈兩端出來的兩束光的光程差為零，相位差也為零[4]。如圖1b所示，如果這個(gè)環(huán)形光路相對慣性空間有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω(垂直于環(huán)形平面，并且為逆時(shí)針方向)，則沿逆時(shí)針方向傳播的光a，比環(huán)形光路靜止時(shí)多走過一個(gè)附加光程；而沿順時(shí)針方向傳播的光b則會(huì)少經(jīng)過一個(gè)與它相等長度的附加光程。因此。相反方向傳播的兩束光產(chǎn)生了光程差ΔL，進(jìn)而導(dǎo)致兩束光產(chǎn)生Δφ的相位差。因此，只要能將光纖陀螺的非互易相移Δφ準(zhǔn)確檢測出來，那么光纖環(huán)的旋轉(zhuǎn)速率信號(hào)ω也就知曉了。

1.2動(dòng)力定位的結(jié)構(gòu)與原理

完整的動(dòng)力定位是一個(gè)由位置測量部分、控制部分和推力部分組成的系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 動(dòng)力定位系統(tǒng)的組成

位置測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位的基本條件，只有精準(zhǔn)地監(jiān)測到自身姿態(tài)和位置的變化，才能為船舶的控制提供準(zhǔn)確的參數(shù)數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)是核心，通過對測量系統(tǒng)得到的船舶姿態(tài)和位置信息進(jìn)行分析計(jì)算，得到船舶的運(yùn)動(dòng)速度，再根據(jù)海洋環(huán)境條件計(jì)算此時(shí)受到的環(huán)境力，最后由此環(huán)境力、船舶速度和預(yù)定的位置信息計(jì)算出推力系統(tǒng)應(yīng)產(chǎn)生的作用力。推力系統(tǒng)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般由主推進(jìn)器、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、隧道推進(jìn)器及側(cè)向推進(jìn)器等安裝在船體不同位置的多個(gè)推進(jìn)器組成，通過聯(lián)合調(diào)控，實(shí)現(xiàn)船體的準(zhǔn)確控制和定位作業(yè)[5]。

位置測量系統(tǒng)用于測量海上平臺(tái)或者作業(yè)船舶相對于一個(gè)參考點(diǎn)的位置。完整的位置測量系統(tǒng)由定位參考單元(水聲定位系統(tǒng)、張緊索及差分GPS等)、艏向測量單元(電羅經(jīng)等)、環(huán)境參考單元(測風(fēng)儀等)和垂直參照單元(慣性測量單元、加速度計(jì)等)組成[6]。光纖陀螺就是一種典型的慣性測量器件，筆者研究的就是以光纖陀螺為核心的位置測量系統(tǒng)在海洋石油領(lǐng)域動(dòng)力定位作業(yè)中的應(yīng)用情況。

2 模型計(jì)算

2.1光纖陀螺的數(shù)學(xué)模型

如圖1所示，假設(shè)光纖環(huán)制作材料為石英，折射率為n，光的傳播速率為c，則當(dāng)光纖環(huán)相對慣性空間靜止并且是理想環(huán)境時(shí)，兩束光在光纖纖芯中的速度是c/n。環(huán)形光路以角速度ω逆時(shí)針相對慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩束光以不相等的速度傳播。根據(jù)洛倫茲-愛因斯坦的速度變換式，可得沿順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向傳輸?shù)墓夥謩e以ca、cb速度傳播[7]：

(1)

(2)

式中R——環(huán)形光路的半徑，m。

此時(shí)，在環(huán)形光纖圈中，繞行一周兩束光所需要的時(shí)間ta、tb應(yīng)該滿足下面的關(guān)系：

(3)

(4)

由于真空中的光速c為300Mm/s，而且光纖環(huán)的半徑和旋轉(zhuǎn)角速度ω不可能被設(shè)定的很大，因此有c2?(Rω)2，故可忽略(Rω)2項(xiàng)。那么，繞行一周時(shí)兩束光所經(jīng)歷的時(shí)間差Δt的計(jì)算式為：

(5)

忽略空氣介質(zhì)折射率n的影響，則兩束光繞行一周后形成的光程差ΔL為：

(6)

式中A——由環(huán)形光路所圍成的面積，m2。

設(shè)光源波長為λ，光纖環(huán)周長l=2πR，當(dāng)環(huán)形光路是由N圈單模光纖組成時(shí)，兩束光的相位差Δφ與光程差ΔL的關(guān)系為：

(7)

K=4πRlN/cλ

式(7)表明，在環(huán)形光路中沿逆時(shí)針和順時(shí)針方向傳播的光，兩者的相位差Δφ與光纖環(huán)的旋轉(zhuǎn)角速度ω呈線性關(guān)系。因此，只要將非互易相移Δφ準(zhǔn)確檢測出來，那么在檢測信號(hào)的過程中，光纖環(huán)的旋轉(zhuǎn)速率信號(hào)ω就也可以被準(zhǔn)確檢測。

2.2動(dòng)力定位的基本數(shù)學(xué)模型

在復(fù)雜海況下，無約束的船舶在進(jìn)行六自由度運(yùn)動(dòng)[8]。在建模時(shí)，只考慮3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)即可：橫蕩、縱蕩和艏搖。為了準(zhǔn)確描述船舶的運(yùn)動(dòng)，建立兩個(gè)參考坐標(biāo)系，如圖3所示。一個(gè)是地理坐標(biāo)系oNxNyNzN，另一個(gè)是載體坐標(biāo)系oBxByBzB。

圖3 地理坐標(biāo)與載體坐標(biāo)

兩個(gè)坐標(biāo)系的z軸垂直指向地心，xy平面與平靜海面重合。載體系的原點(diǎn)取在船舶中心線，離重心點(diǎn)的距離是xG，xB軸、yB軸和zB軸分別指向艏向、右舷和龍骨。在地理坐標(biāo)系中選取船舶位置矢量η=(x,y,φ)T，(x,y)為船位，φ為航向；在載體坐標(biāo)系中設(shè)定船舶速度矢量v=(u,v,r)T，分別為縱蕩、橫蕩和艏搖[9]。則船舶的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程如下：

(8)

(9)

結(jié)合光纖陀螺的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)力定位的基本數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)設(shè)定的船舶速度矢量v=(u,v,r)T可以由光纖陀螺精確測得，這說明光纖陀螺完全可以應(yīng)用于動(dòng)力定位中，作為位置測量系統(tǒng)中的核心慣性器件。

3 結(jié)束語

在近海范圍(如渤海地區(qū))，光纖陀螺自身就可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)船只的姿態(tài)測量和動(dòng)力定位。而在深海地區(qū)，光纖陀螺可以作為位置測量系統(tǒng)的核心器件，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的船舶動(dòng)力定位，例如用于海上作業(yè)的海底施工船只、鋪管船和布纜船，用于支持作業(yè)的穿梭油輪、拖輪等，這些船只都需要光纖陀螺或與之匹配的動(dòng)力定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)，從而減少作業(yè)失誤率和返工率，提高作業(yè)效率，降低成本，減少工期，實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)性和性價(jià)比，達(dá)到改革創(chuàng)新、降本增效和重塑成本領(lǐng)先競爭優(yōu)勢的目的。

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ApplicationResearchofDynamicPositioningBasedonGyroinOffshoreOil

GAO Shan1, XU Zhi2, LIU Jin-wei2

(1.CNOOCTianjinCorporation,Tianjin300450,China; 2.CNOOCEner-TechEquipmentTechnologyCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

Basing on analyzing optical fiber gyroscope’s principle and both structure and principle of dynamic positioning and discussing gyroscope’s mathematical model and that of dynamic positioning, the feasibility of applying gyroscope-based dynamic positioning to offshore oil development was discussed to show that, in offshore areas, the gyroscope can implement attitude measurement and dynamic positioning of the work ships by itself; and in the deep sea, the gyroscope acting as the core component of position measurement system can benefit more complicated dynamic positioning of ships.

optical fiber gyroscope, offshore oil, dynamic positioning

TH89

B

1000-3932(2016)10-1091-04

2016-05-31(修改稿)