動力定位浮托安裝船待命就位工況時域模擬

許 南， 秦立成， 王 磊

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461；2. 上海交通大學 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心(船海協(xié)創(chuàng)中心)， 上海 200240)

·實驗技術(shù)·

動力定位浮托安裝船待命就位工況時域模擬

許 南1， 秦立成1， 王 磊2

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461；2. 上海交通大學 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心(船海協(xié)創(chuàng)中心)， 上海 200240)

開發(fā)了動力定位浮托安裝法時域模擬工具，對某浮托安裝船在動力定位方法下的待命就位過程進行了時域模擬研究。通過構(gòu)建時域模擬模型，對該浮托安裝船在各種海洋環(huán)境下的待命就位工況進行分析，得到該浮托安裝船的位置偏移與消耗功率的時歷與統(tǒng)計值。時域數(shù)值模擬的結(jié)果表明，該動力定位浮托安裝船能夠在180°和0°環(huán)境載荷作用下實現(xiàn)較為理想的待命就位，且在180°環(huán)境載荷作用下待命就位時，能避免駁船的推進器倒車，取得更好的定位精度和較小的功率消耗，是最佳的待命就位方向。該時域模擬的結(jié)果與分析，為實際的海上實船安裝提供必要的理論與實踐指導(dǎo)。

動力定位浮托安裝； 待命就位； 時域模擬； 模型試驗

0 引 言

海洋浮式結(jié)構(gòu)物經(jīng)常需要定位于某一精度范圍內(nèi)進行鉆井、鋪管、輸油和安裝等各種作業(yè)，定位系統(tǒng)是保證其海上正常生產(chǎn)工作的重要設(shè)備[1]。動力定位系統(tǒng)以其定位精度高、不受水深限制和高冗余度等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用，它主要包括位置測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推力系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)是動力定位系統(tǒng)的核心部分[2-4]。裝備有動力定位系統(tǒng)的海洋工程船舶能夠精確定位于某一目標位置，或按預(yù)先設(shè)定的軌跡精確移動，完成各種工作。

浮托安裝法是一種利用駁船將組塊浮托運輸?shù)侥繕藢?dǎo)管架處，然后通過調(diào)節(jié)駁船吃水實現(xiàn)浮托對接，最后退船完成安裝的海上安裝方法。浮托法由于避免了繁瑣的分塊吊裝和對大型起重設(shè)備的需求，成為安裝大型海上設(shè)備組塊的主流方法。動力定位浮托安裝法依靠駁船的自航能力、較強的壓載能力和精準的對接能力，大大縮短了常規(guī)浮托安裝所需要的時間成本，近年來得到了廣泛的研究與應(yīng)用[5]。動力定位浮托安裝法的一般流程包括裝船、運輸、待命就位、進船、安裝和退船。其中，待命就位是浮托安裝船在進船安裝前的重要準備階段，用以觀測動力定位系統(tǒng)的定位精度和功率消耗，決定進船安裝的最佳時機[6]。

本文重點研究了動力定位浮托安裝法中的待命就位階段，通過分析研究時域模擬結(jié)果，為實際的動力定位浮托安裝操作提供參考。

1 動力定位系統(tǒng)的數(shù)學模型

1.1 坐標系定義

如圖1所示，動力定位系統(tǒng)通常采用三組坐標系分析海洋結(jié)構(gòu)物的運動[7]。

圖1 坐標系的定義

(1) 大地坐標系(XGYGZG)。該坐標系主要定義船舶相對于原點的位置，包括水平偏移和艏向角。

(2) 動坐標系(XYZ)。該坐標系固定于船上并且隨船一起運動，坐標原點在船舶的重心處。動坐標系多用于表達船舶的運動和受力。

(3) 參考平行坐標系(XVYVZV)。該坐標系通常跟隨船舶行駛軌跡進行平面運動，不隨船舶搖蕩。在動力定位分析中，該坐標系固定于定位的目標點。

上述坐標系中，船舶在大地坐標系中的位置和歐拉角(η∈R6)與動坐標系中船舶的速度(ν∈R6)有如下關(guān)系：

(1)

式中：J(η)∈R6×6為轉(zhuǎn)換矩陣[8]。

由于動力定位系統(tǒng)主要控制海洋結(jié)構(gòu)物的水平面內(nèi)的運動，則速度關(guān)系式可簡化為3自由度，即為：

(2)

(3)

1.2 非線性低頻運動

動力定位系統(tǒng)的研究中，通常將船舶的運動分為非線性的低頻運動和線性的波頻運動[9-10]。動力定位主要考慮船舶的低頻運動模型，其運動方程可以表示為：

(4)

式中：M∈R6×6為船舶質(zhì)量矩陣，包括附加質(zhì)量部分；CRB(ν)∈R6×6和CA(ν)∈R6×6分別為由船舶剛體質(zhì)量和附加質(zhì)量引起的科氏力作用矩陣；D(νr)∈R6為阻尼力矩陣，其大小與船舶和海流的相對速度νr相關(guān)；G(η)∈R6為廣義回復(fù)力，由浮力和重力產(chǎn)生；τenv∈R6為風力和二階波浪力，流力已包含在相對速度νr中；τmoor∈R6為錨泊系統(tǒng)的回復(fù)力，若系統(tǒng)無錨鏈作用，則該項為0；τc∈R6為動力定位系統(tǒng)的推力部分，包括推進系統(tǒng)產(chǎn)生的推力和力矩。

1.3 線性波頻運動

線性波頻運動方程如下式所示[11-12]：

(5)

(6)

1.4 波浪載荷

在平臺的低頻運動模型中，風力和流力采用定常力，由模型試驗測得，唯一隨時間變化的是二階波浪力。二階波浪力包括平均漂移力、低頻(差頻)力和高頻(和頻)力，其大小與入射波的平方成正比。假定入射的不規(guī)則波用諧波的疊加來表示，則二階波浪力(忽略高頻部分)可以通過二次傳遞函數(shù)(QTF)表示：

(7)

式中：ωi是波浪頻率；ζi是波幅；εi是隨機相位角。二次傳遞函數(shù)Pij和Qij的計算非常耗時，一般通過商業(yè)軟件來計算，本文的QTF由水動力計算軟件HydroStar計算得到。

1.5 控制系統(tǒng)與推力分配

時域模擬程序的控制系統(tǒng)模型采用經(jīng)典的PID控制。在水平方向上3個自由度的PID控制方法如下式所示[13]：

(8)

PID控制中的3個系數(shù)類比于彈簧-阻尼模型具有明顯的物理意義。實際上，采用PID控制策略的動力定位系統(tǒng)即為海洋結(jié)構(gòu)物在水平面內(nèi)提供了回復(fù)剛度和一部分運動阻尼。積分系數(shù)用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，通常情況下取為零。

推力分配策略將控制系統(tǒng)輸出的推力分配到各個推進器上，通過求解如下最優(yōu)化問題的最小值的解來獲得推力分配的結(jié)果：

(9)

式中：Ti是第i個推力器的推力；n是推力器的數(shù)目；C是權(quán)重系數(shù)；αi是推力器的方向；xi和yi是推力器相對于船舶重心的位置。可以通過設(shè)置禁止角,即對αi的取值范圍加以限制，減小推力器之間的水動力干擾。一旦求得各個推力器的推力，對應(yīng)的功率可以通過下式計算：

(10)

式中：D為螺旋槳直徑；KT為推力系數(shù)；KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，KT、KQ可根據(jù)軸向進速在螺旋槳敞水性能曲線上查取。

2 數(shù)值模擬實例

2.1 駁船模型

本文的研究對象為裝備有動力定位系統(tǒng)的某駁船，該駁船將用于惠州25-8油田中心平臺上部模塊的運輸和浮托安裝作業(yè)。該駁船在待命就位下的主要參數(shù)如下：總長LOA= 221.6 m,型寬B= 42 m,型深D= 13.3 m,吃水T= 9 m,船重M= 66 981 t,重心縱向位置(從船尾)XG= 104.53 m,重心橫向位置 (左舷正)YG= 0 m,重心垂向位置(從船底)ZG= 16.18 m,橫搖慣性半徑Rxx= 21.84 m,縱搖慣性半徑Ryy= 56.31 m,首搖慣性半徑Rzz= 56.10 m。

駁船的總布置圖及型線圖如圖2所示。

2.2 動力定位系統(tǒng)的推進器

該駁船共裝備有三類共7套推進器，分別為1套艏部槽道推進器，2套尾部槽道推進器，2套全回轉(zhuǎn)推進器以及2套主推進器。各推進器在水平面上的位置分布如圖3所示。各推進器的主要性能與相對駁船重心的水平位置如表1所示。隨船坐標系及各全回轉(zhuǎn)推進器與舵的初始零位和轉(zhuǎn)角正方向在圖3中也進行了說明。環(huán)境力和推力器所產(chǎn)生的推力的坐標系與隨船坐標系相同，艏搖力矩的正向遵循右手準則。

表1 實船上的推進器各主要性能與相對重心處的水平位置

2.3 海洋環(huán)境載荷

時域模擬中采取風、浪、流同向聯(lián)合作用作為計算的環(huán)境條件，波浪選用ISSC譜，風速和流速均采用定常值。同時考慮到推進系統(tǒng)的配置，駁船將無法在45°和90°環(huán)境載荷下實現(xiàn)待命就位，因此將環(huán)境載荷的方向取為0°和180°。具體的環(huán)境載荷參數(shù)如下：有義波高Hs= 1.5 m,譜峰周期Tp=16.18 s,波浪譜 ISSC,流速vc= 1 m/s,風速vw= 15 m/s。

2.4 時域模擬與分析

通過在 Matlab/Simulink 環(huán)境下自主編寫的動力定位時域模擬程序，對該駁船的待命就位狀態(tài)進行數(shù)值模擬。時域模擬共持續(xù)13 800 s，去掉前1 800 s的數(shù)據(jù)以排除瞬態(tài)影響，數(shù)值結(jié)果和分析如下。

漂移半徑是衡量動力定位系統(tǒng)定位精度的重要指標，它反映了動力定位船舶的實際位置與目標位置之間的距離，其定義為：

(11)

式中：x,y分別為駁船在大地坐標系下相對于定位位置的坐標。

待命就位狀態(tài)下，180°和0°環(huán)境載荷作用下駁船的位置統(tǒng)計信息如表2所示。漂移半徑的時歷曲線如圖4和圖5所示。

由統(tǒng)計結(jié)果可以看出，駁船在180°和0°的環(huán)境載荷作用下，均可以實現(xiàn)高精度的定位，平均漂移半徑分別為0.533 3 m和0.573 4 m，最大漂移半徑均不超過1 m。雖然在180°和0°環(huán)境載荷作用下，駁船的艏搖運動和橫蕩運動都非常理想，但從數(shù)值上看，駁船在180°環(huán)境載荷下的艏搖和橫蕩運動要比在0°環(huán)境載荷下的運動小得多。這些差異將會影響動力定位系統(tǒng)推進器的功率消耗，待命就位狀態(tài)下，駁船各推進器的功率消耗情況如表3所示。

表2 待命就位時域模擬的位置統(tǒng)計

綜合表2和表3可知，由于在180°環(huán)境載荷作用下時，駁船的艏搖和橫蕩運動幾乎為零，因此負責提供側(cè)向力和艏搖力矩的1、2和5號推進器幾乎不工作，功率趨近于0；而在0°環(huán)境載荷下，1、2和5號推進器仍會產(chǎn)生相應(yīng)的推力和轉(zhuǎn)矩以平衡駁船的艏搖和橫蕩運動?？傮w而言，駁船實現(xiàn)動力定位所需的推力主要由兩個全回轉(zhuǎn)推進器和兩個主推提供，駁船動力定位系統(tǒng)在0°環(huán)境載荷下的功率消耗要稍大于180°環(huán)境載荷下的功率消耗。

圖4 180°環(huán)境載荷下時域模擬的偏移半徑

圖5 0°環(huán)境載荷下時域模擬的偏移半徑

4 結(jié) 語

本文采用自主編寫的動力定位時域模擬程序，對某動力定位浮托安裝船在180°和0°環(huán)境載荷作用下的待命就位工況進行了時域模擬研究。結(jié)果表明，該動力定位浮托安裝船能夠在180°和0°環(huán)境載荷作用下實現(xiàn)待命就位，主要推力由兩個全回轉(zhuǎn)推進器和兩個主推提供，且在180°環(huán)境載荷作用下待命就位時，能避免駁船的推進器倒車，取得更好的定位精度和較小的功率消耗，是最佳的待命就位方向。

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·名人名言·

大學的榮譽,不在它的校舍與人數(shù);而在于它一代一代人的質(zhì)量。

——柯南特

Time Domain Simulation in Standby Stage of Float-overs Installation Executed by Dynamic Positioning System

XUNan1,QINLicheng1,WANGLei2

(1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China; 2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration(CISSE), Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Dynamic positioning assisted float-over installation can largely reduce the price of installation depending on the self-propelled barge and its strong load capacity, thus is widely used in industry. Standby is an important preparing period before the float-over installation begins. Based on the measured position and power consumption during this period, it can be decided whether the installation begins or not. In this paper, a time domain simulation program is developed to investigate the standby period of the float-over installation. The simulation results indicate that the float-over barge can be dynamicly positioned under 180°and 0° environmental loads, and thus give a reference to the practical operation.

dynamic positioning assisted ,float-over installation; standby; time domain simulation; model test

2016-05-10

國家自然科學基金項目(51179103)

許 南(1962-)，男，北京人，高級工程師，現(xiàn)任海洋石油工程股份有限公司項目管理中心副總經(jīng)理，主要從事海洋工程科研管理及項目管理工作。

Tel.:022-59899008; E-mail:xunan@mail.cooec.com.cn

P 751

A

1006-7167(2017)03-0004-05