動(dòng)力定位穿梭油輪外輸時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

楊 旭， 吳承恩， 張恩勇， 董德龍

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100029；2. 南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，南通 226000)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)海洋石油開發(fā)正逐步走向海外。中石油、中海油等企業(yè)在巴西海域已擁有自己的油田權(quán)益。掌握巴西海域相關(guān)油田開發(fā)技術(shù)十分重要。在巴西海域，多點(diǎn)系泊FPSO與動(dòng)力定位穿梭油輪外輸?shù)哪Ｊ奖粡V泛應(yīng)用，但在我國(guó)，動(dòng)力定位穿梭油輪外輸還未有應(yīng)用。動(dòng)力定位系統(tǒng)的核心模塊在工程上也一直未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。對(duì)于動(dòng)力定位海洋工程平臺(tái)，我國(guó)已成功制造了981等動(dòng)力定位半潛平臺(tái)，對(duì)其研究也較為深入[1-4]。但對(duì)于動(dòng)力定位穿梭油輪的相關(guān)研究較少[5]，國(guó)內(nèi)沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行時(shí)域模擬分析的相關(guān)研究，其推進(jìn)器布置形式以及作業(yè)環(huán)境工況要求等與海洋平臺(tái)也較為不同。

本文正是基于以上背景，以巴西海域某油田為目標(biāo)油田，對(duì)一艘蘇伊士型動(dòng)力定位穿梭油輪進(jìn)行分析。采用PID控制算法及KALMAN濾波對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域控制，采用最優(yōu)化理論對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行推力分配。對(duì)外輸作業(yè)完整工況、推進(jìn)器破損工況以及百年一遇環(huán)境工況進(jìn)行時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析與推進(jìn)器功率分析。結(jié)果可為穿梭油輪推進(jìn)器功率選型以及海上油田開發(fā)外輸模式選型提供必要的參考。

1 目標(biāo)船舶

本文以蘇伊士型動(dòng)力定位穿梭油輪為目標(biāo)船舶，俯視圖與側(cè)視圖如圖1所示，其主要信息如下：

(1) 全球無(wú)限航區(qū)、低速柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)、深井泵型穿梭油輪。

(2) 具備DP2級(jí)動(dòng)力定位能力，船首配有2套管隧式側(cè)推器和1套伸縮式全回轉(zhuǎn)方位推進(jìn)器，船尾配套1套管隧式側(cè)推器和1套伸縮式全回轉(zhuǎn)方位推進(jìn)器。

(3) 主機(jī)： MAN6S70ME-C6 Tire II×1臺(tái)；SMCR： 15 400 kW×86 r/min。

(4) 主發(fā)電機(jī)： 3 380 kW×2; 4 345 kW×2。應(yīng)急發(fā)電機(jī)： 700 kW×1。

(5) 管隧式推進(jìn)器： 2 200 kW×3；伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器： 2 500 kW×2。

(6) 主尺度： 全長(zhǎng)LOA=276.30 m;水線面長(zhǎng)LBP=262.00 m;型寬B=46.00 m;型深D=24.30 m;設(shè)計(jì)吃水d=17.55 m;最大載重量為152 000 t。

(7) 主推進(jìn)器為1號(hào)推進(jìn)器，船首管隧式推進(jìn)器為2號(hào)、3號(hào)推進(jìn)器，船尾管隧式推進(jìn)器為4號(hào)推進(jìn)器，船首全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器為5號(hào)推進(jìn)器，船尾全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器為6號(hào)推進(jìn)器。

圖1 蘇伊士型動(dòng)力定位穿梭油輪俯視圖與側(cè)視圖

2 環(huán)境條件

本文以巴西海域某油田為目標(biāo)油田，作業(yè)水深約為800 m。巴西海域海況相對(duì)溫和。通常以8 m/s的偏北風(fēng)或東北風(fēng)為主。鑒于強(qiáng)風(fēng)并不大，因此其有效波高約為2 m。巴西海域極端的風(fēng)、浪主要由強(qiáng)熱帶風(fēng)暴造成。從海洋南邊來(lái)的涌浪數(shù)量較多，尤其是在3—10月期間。最近有證據(jù)表明，附近海區(qū)還有颶風(fēng)生成，但數(shù)量相當(dāng)稀少，大概一百年內(nèi)有一到兩個(gè)。本文的環(huán)境條件主要包括作業(yè)環(huán)境條件和百年一遇環(huán)境條件。

解脫作業(yè)工況選擇Hs=4.5 m的JONSWAP譜進(jìn)行分析，這個(gè)波高大于常年有效波高2 m，更為保守，根據(jù)相關(guān)水文統(tǒng)計(jì)，該波高累積概率可達(dá)99%。疊加的流載荷、風(fēng)載荷與浪向相同，疊加一年一遇的風(fēng)流載荷。常規(guī)作業(yè)條件(Hs=2.5 m/s)由于小于解脫作業(yè)工況，因此不再進(jìn)行額外分析。

百年一遇環(huán)境條件選擇百年一遇浪、十年一遇風(fēng)及十年一遇流的組合進(jìn)行分析，方向按風(fēng)浪流同向考慮。具體如表1所示。

表1 巴西作業(yè)海域環(huán)境條件

3 分析方法

3.1 分析流程

本文針對(duì)一艘蘇伊士型動(dòng)力定位穿梭油輪進(jìn)行時(shí)域模擬分析。首先，需對(duì)其進(jìn)行水動(dòng)力分析。水動(dòng)力分析采用三維勢(shì)流理論，利用SESAM/GENIE模塊建立水動(dòng)力網(wǎng)格模型，利用SESAM/HYDROD模塊對(duì)穿梭油輪進(jìn)行分析，確定其幅頻響應(yīng)算子(response amplitude operator， RAO)、附加質(zhì)量、阻尼矩陣和二階QTF，其水動(dòng)力網(wǎng)格模型如圖2所示。網(wǎng)格數(shù)共計(jì)3 303個(gè)，網(wǎng)格密度為2 m。

圖2 動(dòng)力定位穿梭油輪水動(dòng)力網(wǎng)格模型

之后，在時(shí)域分析軟件SIMO中求解時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程，并考慮實(shí)時(shí)推力控制與推力分配，得到時(shí)域響應(yīng)計(jì)算結(jié)果。

3.2 控制理論

本文采用PID(proportional， integral， derivative)控制理論對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域控制模擬。PID控制理論是控制領(lǐng)域的經(jīng)典理論，自20世紀(jì)60年代第一次應(yīng)用于動(dòng)力定位系統(tǒng)以來(lái)不斷發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用于船舶與海洋平臺(tái)的定位控制。PID理論的主要控制方程如式(1)～式(3)[6]：

(1)

ε(t)=x0-x(t)

(2)

(3)

式中：x(t)為濾波位置；x0(t)為目標(biāo)位置；ε(t)為位置誤差；FT0為推進(jìn)器作用力；KD為微分增益系數(shù)；KP為比例增益系數(shù)；Kl為積分增益系數(shù)。

3.3 KALMAN濾波

時(shí)域波浪可分為波頻部分與低頻部分，波頻部分無(wú)法對(duì)其進(jìn)行控制，其信號(hào)對(duì)于推力分配沒(méi)有意義，因此需要進(jìn)行濾波，本文選擇較為成熟的KALMAN濾波[7]。首先對(duì)平臺(tái)進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)，然后得到預(yù)測(cè)誤差，再將測(cè)得的平臺(tái)狀態(tài)信息進(jìn)行濾波，最后得到一個(gè)平臺(tái)狀態(tài)的最佳估計(jì)值，同時(shí)給出濾波誤差。

3.4 推力分配方法

本文將推力分配視為最優(yōu)化問(wèn)題，每個(gè)推進(jìn)器需要求解如下參數(shù)：x、y為推進(jìn)器坐標(biāo);Wi為推力分配系數(shù);Fmax為最大推力;Fx、Fy為x、y方向最大需求推力;M為需求力矩;θi、θj為推進(jìn)器與x、y方向夾角。目標(biāo)函數(shù)為[8]

(4)

其中，

α=arctanFx/Fy

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中： 0.1是為保證數(shù)值計(jì)算穩(wěn)定所選系數(shù)。其限制條件： 最大推力；推進(jìn)器方向改變角速度；推力角度限制。對(duì)于最優(yōu)化問(wèn)題，有多種方法可解，本文選用常見(jiàn)的拉格朗日乘數(shù)法。

3.5 運(yùn)動(dòng)方程

運(yùn)動(dòng)方程求解采用MARINTEK公司開發(fā)的SIMO模塊進(jìn)行求解，其好處是可與多種水動(dòng)力模塊以及RIFLEX等有限元模塊建立接口，便于今后在考慮動(dòng)力定位情況下進(jìn)行立管-平臺(tái)耦合分析與海上吊裝、作業(yè)分析。時(shí)域狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)方程如下[9]：

(10)

M=m+A(ω)

(11)

(12)

方程右邊依次為風(fēng)拖曳力、一階波浪力、二階波浪力、流載荷、動(dòng)力定位推動(dòng)力。動(dòng)力定位推動(dòng)力根據(jù)參考位置與現(xiàn)位置經(jīng)PID算法得出，并輸出給推力分配方法，得到各推進(jìn)器分配力。

3.6 環(huán)境載荷模擬

本文在計(jì)算中考慮了風(fēng)浪流載荷的影響。對(duì)于風(fēng)載荷，本文選擇API規(guī)范[10]，對(duì)船舶受風(fēng)面積、形狀系數(shù)和高度系數(shù)進(jìn)行分析，確認(rèn)了0、 45°、 90°三個(gè)方向的定常風(fēng)載荷，對(duì)其他風(fēng)向進(jìn)行加權(quán)和對(duì)稱變化。

對(duì)于流力，同樣以定常力進(jìn)行分析，由于不存在錨鏈和立管系統(tǒng)，僅考慮表面流對(duì)船體的作用即可。同樣，采用API規(guī)范進(jìn)行估算。

對(duì)于波浪力，給予隨機(jī)種子，根據(jù)波浪譜得到隨機(jī)波浪時(shí)歷曲線。船舶運(yùn)用三維勢(shì)流理論，利用面元網(wǎng)格模型求解得到船舶幅頻響應(yīng)算子(RAO)、附加質(zhì)量、阻尼、慢漂力、二階差頻力，得到結(jié)果輸出至?xí)r域運(yùn)動(dòng)方程求解軟件中，并根據(jù)波浪時(shí)歷曲線進(jìn)行波浪力的時(shí)域計(jì)算。再按3.5節(jié)所述進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方程求解。

3.7 推進(jìn)器推力

推進(jìn)器推力與推進(jìn)器功率的關(guān)系根據(jù)API RP 2SK規(guī)范相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)表格以及推進(jìn)器的類型進(jìn)行分析。

4 結(jié)果

4.1 靜力分析

首先，利用SIMA軟件求解無(wú)波浪載荷下的穿梭油輪平衡位置，本文根據(jù)巴西海域主流風(fēng)浪流條件確定初始定位位置為(0， 0， 0)，艏向角度為45°。得到平衡位置與期望值完全相同，推進(jìn)器推力如表2所示。

表2 靜力分析推進(jìn)器受力 (單位： kN)

從表中可以看出，此時(shí)貢獻(xiàn)推力的主要為推進(jìn)器1號(hào)，主要用于抵抗定常環(huán)境力(風(fēng)力+流力)。推力負(fù)載約為20%。

4.2 完整外輸工況

對(duì)于風(fēng)浪流同向的完整外輸工況，所得重心處運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值如表3所示。

表3 完整外輸工況運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值

船體重心軌跡如圖3所示，位移最大值為4.3 m，小于水深的3%(45 m)，且艏向角基本維持在45°方向上，工況3滿足規(guī)范要求。船舶重心軌跡一直在東北向，偏移至(1.1， 1.8)后逐漸向原點(diǎn)靠攏，基本穩(wěn)定在(1.1， 0)附近的位置。

圖3 完整外輸工況穿梭油輪重心軌跡曲線

推進(jìn)器推力如表4所示。

表4 完整外輸工況推進(jìn)器推力統(tǒng)計(jì)值

主推進(jìn)器最大值為35.8%，但其平均值僅為1.2%，說(shuō)明在主推進(jìn)器將船體推進(jìn)到理想位置后，主推進(jìn)器便不再需要較大推力。2～4號(hào)推進(jìn)器中，2號(hào)推進(jìn)器發(fā)揮主要作用，平均推力為28.8%，最大推力為83.9%。可以看出在3個(gè)管隧式推進(jìn)器中，主要是2號(hào)推進(jìn)器發(fā)揮的作用，3號(hào)、4號(hào)基本處于待機(jī)狀態(tài)，適時(shí)介入。5號(hào)、6號(hào)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器平均負(fù)荷為29.7%、 14.6%，最大負(fù)荷為82.1%、 39.7%。這兩個(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器主要用于船舶轉(zhuǎn)向，功率不高，推力負(fù)荷較大。在實(shí)際海況中，可根據(jù)控制方式和緊急程度決定推力的負(fù)載情況，降低推力負(fù)載，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)向時(shí)間。這樣可保證安全性，同時(shí)降低能耗。

4.3 破損工況

對(duì)于風(fēng)浪流同向單推進(jìn)器破損情況，本文考慮了所有推進(jìn)器單個(gè)失效的情況。限于篇幅，本文主要給出1號(hào)推進(jìn)器(主推進(jìn)器)在1 000 s失效的結(jié)果。圖4為各推進(jìn)器的時(shí)間歷程曲線，限于篇幅取5 000 s，其中1號(hào)推進(jìn)器在1 000 s失效。之后可看出，其他幾個(gè)推進(jìn)器升高代替了主推進(jìn)器作用。從推力百分比可以看出，自1號(hào)推進(jìn)器破壞后，5號(hào)、6號(hào)兩個(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器發(fā)揮了更大的作用，部分時(shí)間達(dá)到了全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 破損工況推進(jìn)器推力百分比

表5為該工況下穿梭油輪位移情況，從表中可以看出，1號(hào)推進(jìn)器破損對(duì)整個(gè)船舶的定位能力影響不大，船舶依然可以完成定位，符合規(guī)范要求。

表5 破損工況運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值

4.4 百年一遇環(huán)境工況

本節(jié)分析了巴西海域風(fēng)浪流同向時(shí)百年一遇環(huán)境條件下穿梭油輪定位能力，如表6所示。結(jié)果表明百年一遇海況條件下，本文目標(biāo)船舶偏移最大值已超過(guò)水深的12%，艏向角偏移也達(dá)到了53°。因此，該船舶并不具備百年一遇環(huán)境條件下的定位能力，考慮到這一因素。在外輸過(guò)程中，若遇到極端惡劣環(huán)境和臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)，應(yīng)提前暫停外輸工作，進(jìn)行避臺(tái)。

表6 百年一遇環(huán)境條件運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用PID算法、KALMAN濾波與最優(yōu)化理論進(jìn)行動(dòng)力定位控制系統(tǒng)時(shí)域模擬，對(duì)一艘蘇伊士型動(dòng)力定位穿梭油輪在巴西海域外輸過(guò)程中的完整工況、破損工況、解脫工況以及百年一遇環(huán)境條件進(jìn)行了時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析與推進(jìn)器推力分析，根據(jù)API規(guī)范進(jìn)行了校核。所得結(jié)論如下：

(1) 該船舶在Hs≤4.5 m時(shí)，位移最大值小于水深3%，動(dòng)力定位能力可滿足相應(yīng)外輸工作。

(2) 在單一推進(jìn)器破損情況下(包括主推進(jìn)器)，該船舶可繼續(xù)完成外輸作業(yè)和定位，直至安全解脫。在此種工況下，部分推進(jìn)器功率達(dá)到上限。

(3) 在解脫工況下，該船舶可安全進(jìn)行外輸解脫，滿足相應(yīng)定位要求。

(4) 在百年一遇環(huán)境條件下，該船舶無(wú)法進(jìn)行相應(yīng)定位，因此應(yīng)根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，合理避臺(tái)，避免在極端環(huán)境條件下進(jìn)行外輸。