深水半潛式起重鋪管船動(dòng)力定位能力分析

張法富

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

深水半潛式起重鋪管船是深水油氣田開(kāi)發(fā)的頂級(jí)工程裝備，能夠在惡劣的深水環(huán)境條件下進(jìn)行J-lay海管鋪設(shè)、大型結(jié)構(gòu)物的吊裝等多種海洋工程作業(yè)，能夠大幅提升中國(guó)海洋石油工程的深水作業(yè)能力。目前深水海洋工程船舶大多配置動(dòng)力定位(DP)系統(tǒng)。動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)一直為國(guó)外所壟斷。動(dòng)力定位技術(shù)涉及電氣、控制、輪機(jī)以及水動(dòng)力等多個(gè)學(xué)科，直接關(guān)系到船舶系統(tǒng)的可靠性與工程造價(jià)。

船舶動(dòng)力定位能力分析是半潛式起重鋪管船總體設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的一環(huán)。一般來(lái)說(shuō)，船舶主尺度設(shè)計(jì)決定了設(shè)計(jì)環(huán)境條件下船舶受到的環(huán)境力。基于此環(huán)境力對(duì)船舶使用推進(jìn)器進(jìn)行配置并對(duì)推進(jìn)器布置位置進(jìn)行優(yōu)化，主機(jī)功率及電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)需滿足動(dòng)力定位要求。如果推進(jìn)器臺(tái)數(shù)和功率沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，則電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和主機(jī)選型都會(huì)造成極大的浪費(fèi)，從而增加工程投資。

為此，本文從準(zhǔn)確估算船舶環(huán)境力、推進(jìn)器配置與優(yōu)化及控位能力計(jì)算三個(gè)方面，開(kāi)展深水半潛式起重鋪管船動(dòng)力定位能力分析。

1 環(huán)境載荷計(jì)算

1.1 坐標(biāo)系

為了便于描述船舶運(yùn)動(dòng)，引入右手坐標(biāo)系O-XYZ，原點(diǎn)位于船中與基線的交點(diǎn)，X軸平行于船體基線指向船首，Z軸豎直向上，如圖1所示[1]。

圖1 坐標(biāo)系及載荷方向定義Fig.1 Coordinate system and load direction

風(fēng)浪流的方向指的是其傳播方向，風(fēng)浪流方向角α是指風(fēng)浪流傳播方向與X軸方向的夾角。由此可知，隨浪方向?yàn)?°，迎浪方向?yàn)?80°。

1.2 船舶主尺度

深水半潛式起重鋪管船主尺度如表1所示。

表1 船舶主尺度Table 1 Principal parameters of the ship m

1.3 作業(yè)環(huán)境條件

海洋環(huán)境條件在工程設(shè)計(jì)分析中可分為靜態(tài)環(huán)境條件和動(dòng)態(tài)環(huán)境條件，其中靜態(tài)參數(shù)包括水深、氣溫、水溫和濕度等，動(dòng)態(tài)參數(shù)包括風(fēng)(季風(fēng)和熱帶氣旋)、波浪和海流。另外，海洋環(huán)境條件還包括內(nèi)波、海生物等因素。作業(yè)環(huán)境條件的選取要綜合考慮船舶在設(shè)計(jì)環(huán)境條件的有效作業(yè)率、安全性和經(jīng)濟(jì)性。基于作業(yè)海域的常見(jiàn)海況，選定作業(yè)環(huán)境條件如表2所示。

表2 作業(yè)環(huán)境條件Table 2 Operation metocean conditions

1.4 風(fēng)載荷計(jì)算

海面上的風(fēng)速和風(fēng)向都是隨機(jī)變化的，這給測(cè)定作用在船舶上的風(fēng)力及風(fēng)力矩帶來(lái)困難。本文在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)風(fēng)載荷做常值處理，只計(jì)算其中定常風(fēng)力部分，忽略低頻風(fēng)力。

風(fēng)載荷主要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)、模塊法、美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)方法[3]、國(guó)際海事承包商協(xié)會(huì)(IMCA)方法[1]等途徑獲取。船舶概念設(shè)計(jì)及基本設(shè)計(jì)階段，在沒(méi)有風(fēng)洞模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，一般采用荷蘭Marin公司開(kāi)發(fā)的WINDOS軟件或規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算風(fēng)載荷。由于規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式得出的風(fēng)載荷偏于保守，采用WINDOS軟件計(jì)算結(jié)合同類船型風(fēng)洞試驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行修正的方法得到作業(yè)工況的風(fēng)力系數(shù)，如圖2所示。WINDOS計(jì)算模型如圖3所示。

(a) 起重作業(yè)工況

(b) 鋪管作業(yè)工況圖2 作業(yè)工況風(fēng)載荷無(wú)因次系數(shù)Fig.2 Wind load coefficients in operation conditions

圖3 WINDOS計(jì)算模型Fig.3 WINDOS calculation model

1.5 流載荷計(jì)算

流力在系泊分析中常作為定常力，假設(shè)流速不隨水深變化，為均勻流。由于起重工況與鋪管工況吃水相同，故計(jì)算采用同一流力系數(shù)；計(jì)算采用的方法與風(fēng)載荷計(jì)算相同。流載荷系數(shù)如圖4所示。

圖4 作業(yè)工況流載荷無(wú)因次系數(shù)Fig.4 Current load coefficients in operation conditions

1.6 二階波浪漂移力計(jì)算

目前求解二階漂移力的方法主要有三種，包括基于物體表面積分的近場(chǎng)積分理論、基于動(dòng)量和能量守恒的遠(yuǎn)場(chǎng)理論[4]以及法國(guó)船級(jí)社(BV)發(fā)展出來(lái)的中場(chǎng)積分法。二階波浪力理論復(fù)雜，多采用軟件建模方法進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行動(dòng)力定位能力計(jì)算時(shí)，通常只考慮二階波浪力中的定常部分。本文采用遠(yuǎn)場(chǎng)公式，利用挪威船級(jí)社(DNV)的SESAM/HydroD軟件進(jìn)行計(jì)算。水動(dòng)力計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 水動(dòng)力計(jì)算模型Fig.5 Hydrodynamic model

2 推進(jìn)器配置及故障模式

2.1 推進(jìn)器配置

推進(jìn)器有全回轉(zhuǎn)式、吊艙式、槽道式等多種形式。針對(duì)半潛式起重鋪管作業(yè)需求及下浮體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)考慮少備件、推進(jìn)器均勻受力等原則，目標(biāo)船宜采用同一型號(hào)的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。考慮環(huán)境載荷和推進(jìn)器的推力-功率曲線，配置12臺(tái)4500kW的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器能夠滿足動(dòng)力定位需求。推進(jìn)器位置如圖6所示，推力及功率參數(shù)如表3所示。

2.2 推進(jìn)器故障模式

半潛式起重鋪管船DP系統(tǒng)起重作業(yè)時(shí)為DP3，要求在任意艙室發(fā)生損壞情況下，在要求的作業(yè)海洋環(huán)境下仍能保持定位和艏向[5]。目標(biāo)船最危險(xiǎn)損失工況為一個(gè)機(jī)艙或者配電間損失，此時(shí)3臺(tái)推進(jìn)器損失。推進(jìn)器故障模式為如下4種模式。

圖6 推進(jìn)器布置位置Fig.6 Sketch of thruster location

表3 推進(jìn)器推力及功率Table 3 Thruster capacities

故障模式1：T1，T3和T12推進(jìn)器故障。

故障模式2：T2，T10和T11推進(jìn)器故障。

故障模式3：T6，T8和T9推進(jìn)器故障。

故障模式4：T4，T5和T7推進(jìn)器故障。

鋪管作業(yè)時(shí)，DP系統(tǒng)為DP2，所有活動(dòng)工作部件要求有冗余，不應(yīng)因?yàn)閱吸c(diǎn)故障而導(dǎo)致動(dòng)力定位失效[5]，對(duì)應(yīng)故障模式為單臺(tái)推進(jìn)器失效。

3 控位能力分析

動(dòng)力定位能力曲線是動(dòng)力定位能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通常情況下包括抗風(fēng)能力曲線和推進(jìn)器推力使用百分比曲線，其定義分別為：(1)風(fēng)向0°～360°變化，DP船所能抵抗的最大風(fēng)速極坐標(biāo)曲線；(2)風(fēng)向0°～360°變化，DP船抵抗要求的海洋環(huán)境，推進(jìn)器推力使用百分比極坐標(biāo)曲線。

本文分析深水起重鋪管船在ERN(Environmental Regularity Numbers)[6]環(huán)境條件、起重和鋪管作業(yè)環(huán)境條件下的動(dòng)力定位能力。ERN計(jì)算時(shí)，采用最大風(fēng)速極坐標(biāo)曲線來(lái)評(píng)估船舶動(dòng)力定位能力；在環(huán)境條件固定的起重及鋪管工況，采用推進(jìn)器推力使用百分比極坐標(biāo)曲線來(lái)評(píng)估船舶動(dòng)力定位能力。

表4 計(jì)算工況Table 4 Calculation conditions

3.1 計(jì)算假定

(1) 進(jìn)行控位能力計(jì)算時(shí)，風(fēng)浪流按同向考慮。

(2) 進(jìn)行環(huán)境載荷計(jì)算時(shí)，未考慮動(dòng)態(tài)部分分量，計(jì)算時(shí)風(fēng)力和平均波浪漂移力考慮一定的動(dòng)態(tài)冗余。

(3) ERN計(jì)算時(shí)，推進(jìn)器推力極值按照DNV規(guī)范中公式[6]確定，4500kW全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器推力最大值限定在695kN。

(4) ERN計(jì)算時(shí)，取鋪管作業(yè)時(shí)風(fēng)流系數(shù)，鋪管作業(yè)力不計(jì)入。

(5) 鋪管作業(yè)時(shí)，不考慮推進(jìn)器損失與海管充水兩種模式的疊加。

3.2 計(jì)算工況

計(jì)算工況的依據(jù)是2.3節(jié)中推進(jìn)器故障損失模式及規(guī)范中關(guān)于ERN[6]計(jì)算工況的定義。具體計(jì)算工況如表4所示。

3.3 推力分配邏輯及計(jì)算軟件

多推進(jìn)器推力分配是一個(gè)非線性約束優(yōu)化問(wèn)題，也是船舶動(dòng)力定位能力評(píng)估中的核心問(wèn)題，一般應(yīng)用優(yōu)化算法將其簡(jiǎn)化為包括目標(biāo)函數(shù)、等式約束和不等式約束的數(shù)學(xué)模型，然后利用優(yōu)化算法進(jìn)行求解[7]。

本文運(yùn)用海洋石油工程股份有限公司自主研發(fā)的“動(dòng)力定位能力解決方案”軟件[8]進(jìn)行J-lay鋪管作業(yè)控位能力評(píng)估。

表5 ERN計(jì)算結(jié)果匯總Table 5 Summary of ERN calculation results

3.4 計(jì)算結(jié)果

(1) ERN計(jì)算結(jié)果為(99,99,99,98)。ERN計(jì)算在環(huán)境力危險(xiǎn)角度匯總?cè)绫?所示，各工況最大抗風(fēng)能力圖如圖7所示(篇幅原因，此處僅列出Case1工況曲線)。

(2) 起重及鋪管作業(yè)工況，船舶動(dòng)力定位能力匯總?cè)绫?所示。各工況推進(jìn)器推力使用百分比如圖8所示(篇幅原因，此處僅理出Case5,Case9,Case10和Case14四個(gè)工況的控位能力曲線)。

圖7 動(dòng)力定位能力圖(最大抗風(fēng)能力)Fig.7 DP capability plot (maximum wind speed envelope)

表6 作業(yè)工況動(dòng)力定位能力匯總表Table 6 Summary of DP capability in operation conditions

(a) Case5

(b) Case9

(c) Case10

(d) Case14

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)半潛式起重鋪管船動(dòng)力定位能力進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明：(1)DNV ERN參數(shù)前三個(gè)達(dá)到99%，最后一個(gè)參數(shù)為98%，表明船舶動(dòng)力定位能力良好，可在全球范圍內(nèi)作業(yè)，滿足設(shè)計(jì)要求；(2)推進(jìn)器配置合理，能夠滿足在作業(yè)環(huán)境條件下船舶360°全方位定位要求。

后期需根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)環(huán)境力進(jìn)行修正，進(jìn)一步優(yōu)化推進(jìn)器配置，降低整個(gè)項(xiàng)目的工程造價(jià)。

[1] The International Marine Contractors Association.IMCA M 140 Rev.Ι.Specification for DP capability plots [S].2000.

[2] Det Norske Veritas.DNV-RP-C205.Environmental conditions and environmental loads [S].2014.

[3] American Petroleum Institute.API-RP-2SK.Design and analysis of stationkeeping systems for floating structures[S].2005.

[4] 劉應(yīng)中,繆國(guó)平.船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,1987：202-225.

Liu Ying-zhong,Miao Guo-ping.Ship motion in waves [M].Shanghai：Shanghai Jiao Tong University Press,1987：202-225.

[5] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S].2015.

China Classification Society.Rules for classification of sea-going steel ships [S].2015.

[6] Det Norske Veritas.Rules for classification of ships [S].2014.

[7] 張法富,劉波,劉鴻雁,等.動(dòng)力定位系統(tǒng)推力分配算法研究[J].船海工程,2013,42(2)：125.

Zhang Fa-fu,Liu Bo,Liu Hong-yan,et al.Research on thrust allocation algorithm of DP system [J].Ship & Ocean Engineering,2013,42(2)：125.

[8] 張法富,劉波,楊輝.動(dòng)力定位船控位能力計(jì)算軟件平臺(tái)構(gòu)建研究[J].船舶工程,2015,37(1)：69.

Zhang Fa-fu,Liu Bo,Yang Hui.Research on setting up DP capability calculation software platform for DP vessels [J].Ship Engineering,2015,37(1)：69.