DP動力定位系統在海上風電施工中的應用

賴 垚，張吉海，陳 波，蔡舒鵬

（1.中國鐵建港航局集團有限公司，廣東珠海 519000；2.廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006）

0 引言

近年來，隨著國家及政府對新能源的大力支持，電力開發投資商紛紛把目光都聚集到了海上風電領域的開發[1]，搶裝潮后，如何降低度電成本，開發大型風機新型技術[2]，提高海上基礎施工與風機安裝的效率是國內外重點關注的問題[3]。目前，海上風電基礎施工和風機安裝需滿足風浪流的嚴苛作業條件[4]，導致對現場施工技術方案和施工設備先進性提出了較大挑戰[5]，因此，國內海上風電施工設備已開始利用DP（Dynamic Positioning System，動力定位系統）動力定位技術，快速的進點定位可極大縮短施工時間[6]。目前“鐵建風電01”、“華祥龍”等風電安裝平臺已采用DP2動力定位系統，“創力”起重船已采用DP3動力定位系統，國內最新建造的海上風電施工設備均至少采用了DP1動力定位系統，而國外風電安裝平臺早已全面采用DP動力定位技術來輔助風機安裝作業。隨著人們對海洋清潔能源和資源的日益重視及投資，動力定位系統（DPS）成為當前船舶及海工平臺的所應用的熱門定位技術[7]。

1 DP動力定位結構及原理

DP動力定位通常由4部分組成：控制系統、推進器系統、動力系統和測量系統。DP動力定位系統是在船舶或海工平臺不使用或不具備錨泊系統的情況下，利用船舶DPS傳感器反饋到CPU的數據，來計算出船舶的運動方式、狀態及位置的變化趨勢，再通過計算機控制分配器對推進器進行功率分配并由螺旋槳產生推力，以控制船舶在水平面上的三自由度運動（縱蕩、橫蕩、艏搖）[8]，使其保持既定的位置和艏向，或者按預定運動軌跡運行的閉環控制系統[9]。DP動力定位系統可用于抵消海洋水文對船舶的擾動和波浪力矩，降低船舶在3個自由度方面的擺動力度，以達到船舶動力定位的效果。動力定位系統的原理如圖1所示。

圖1 動力定位系統原理

下面分別對DPS的4個組成部分進行簡要描述。

1.1 控制系統

DPS作為整個DP中央控制系統（Integrated Control System，ICS）最重要的組成部分之一[10]，主要用于計算推進器、螺旋槳形成的合力，以此來保持其位置和艏向固定的目的。DP控制系統的主要原理為：通過船上各類傳感器測量的數據，經擴展型卡爾曼濾波器后得到計算值，該值與期望值進行對比分析，再由處理模塊計算后發出推進分配指令，分配指令可以改變船舶各推進器的運轉功率、運轉方向，達到集中控制、整體調控的目的。其中，在使用動力定位技術前，需要DP員設置好施工時的艏向和位置，再轉由DP控制器發出控制執行指令，并根據傳感器實時監控船舶位置和艏向，對推進器分配進行適當的調整，以防偏差的出現。其主要的工作原理如圖2所示。

圖2 DP控制系統工作原理

DP動力系統主要控制方式有定點控制、航跡控制、循線控制、跟蹤控制，下面對這4種控制方式分別進行闡述。

定點控制：即在進行對作業精度要求較高且需要船舶本身保持較為穩定狀態的作業工況下時，需要通過傳感器獲取船體的縱向、橫向、搖舷的數據，由集中控制單元計算后，通過分配單元調整推進器功率大小，使作業船舶的位置和艏向保持在施工區域附件，并不造成過大的偏差。海上風電中由于風機安裝施工精確度較高，通常利用的就是DP定位的定點控制功能。

航跡控制：船舶在復雜航線上航行時，往往需要沿著一條預定軌跡前進，此時可利用動力定位來不斷調整各推進器的自由度，來保證船舶的航線按系統輸入的指令航行。

循線控制：循線控制相對航跡控制的不同點在于：循線控制在輸入循線航線時，不能在循線過程中按自行的操作隨意改變循線路線、船舶的艏向和方向。循線模式在海上風電的電纜及管道維修使用較多。

跟蹤控制：跟蹤控制一般用于遙控運動體工作母船，主要能時刻跟蹤作業潛器的運動方位。

1.2 推進系統

推進器包括槳、舵、艏側推和船艉推進器。推進器是在電動機或柴油機的帶動下使槳快速旋轉，利用作用力與反作用力產生推進力，通過對船舶各種艏側推、艉推等推進器的協調控制，可以將船舶在橫傾和縱傾上保持船位的穩定。DP1系統有一套控制系統，屬于無冗余設計，而DP2、DP3含有不止一套DP控制系統，屬于有冗余設計，即當某一個系統或控進器發生故障時，有冗余設計的船舶可仍在其他系統的控制下保證船舶在橫、縱方向船位的穩定。DP推力系統如圖3所示。

圖3 DP動力定位推力系統

1.3 動力系統

動力系統主要由電機、分配和控制系統組成，為保證船位的穩定負責給推進系統提供能量，而電機主要包含的就是柴油機、燃氣輪機。

動力定位系統通常還配備一個不間斷電源來預防電力故障導致的斷電現場，避免定位系統受到船舶電網波動造成斷電的現象，其不間斷電源可以為動力定位系統中的計算機、控制臺、報警器和測量系統持續供電。

對于配置有DP2、DP3的施工船舶，按《海上移動平臺入級規范》要求還具有功率管理系統和冗余。即當運行的發電機功率不能滿足控制系統提供的電機負載時，系統將阻止大功率設備的啟動，通過控制系統啟動備用的發電機以獲取足夠大的發電功率。

1.4 測量系統

DP動力定位系統中測量系統主要包括位置參照系統和外系統。位置參照系統是通過不同原理的傳感器來獲取不同數據的參照系統，通常DP定位系統不止配置2套，DP1是2套，DP2、DP3是3套位置參照系統。常見的位置參照系統主要有GPS、DGPS參照系統等。外部傳感器系統一般包括垂直面參照系統、陀螺羅經系統（艏向）和風速風向儀系統。傳感器取得的數據通過CPU錄入到DP系統后，經過電腦計算，發出控制指令，使定位精度更高。各個級別定位系統的外系統配置數量如表1所示，DP動力定位的作用力與運動如圖4所示。

圖4 作用力與運動

表1 動力定位等級設備配置情況

2 動力定位等級

為了規范動力定位的船舶安全，國際海事組織IMO以及DNV等船級對DP系統和DP船的設計給出了建議，其中IMO對動力定位船舶和系統進行了專業定義，分為CLASS1、CLASS2、CLASS3三個級別，此外還對個級別系統配置要求作出了明確規定。不同等級下的DP系統配置要求如下。

（1）DP1系統

全球第1代DP系統的研發始于1960年，當時配置DP系統的船舶雖裝備有主推和側推系統，但傳感器功能單一且無冗余設計和反饋技術。無法做到精度控制與反饋，并且主要用在海洋鉆井平臺上，并未在海上風電安裝使用。

裝配DP1動力定位系統的船舶具備兩種系統，一是動力定位和保持艏向的自動控制系統；二是能夠保持艏向的獨立手動操作系統，其能在規定的環境條件下，使船舶的位置和艏向保持在限定范圍之內[11]。因此，DP-1能在自動控制系統發生故障時，采用手動控制的方式避免船舶位置發生較大偏離，從而對風機基礎造成損傷。

（2）DP2系統

第2代DP系統的運用在1970年，裝備在“SDEC0445”船[12]。此時，該船已采用了多種傳感器、推進器，且開始使用了濾波控制技術，極大地提高了定位精度和功能反饋。在DP系統也設置了冗余功能。

DP2動力定位系統在DP1動力定位系統的基礎上再添加了一套自動定位和艏向保持的動力定位系統，即具備2套動力定位系統，且保留了手動操作設備。當1套或2套動力定位系統發生故障時，仍然可以利用獨立的手動控制的功能來進行操作，保證船位和艏向的穩定。

（3）DP3系統

第3代DP系統研發于1980年，該系統是極具現代化的定位系統，在海洋鉆井平臺和海上風機安裝平臺上廣泛應用。其系統已采用微機技術和多總線的控制系統。

DP3動力定位船舶在原有DP2動力定位船舶配置的基礎上又增加了一套自動定位和艏向保持的設備，即共計3套動力定位系統，仍然保留了手動操作系統。使得即使在出現任一故障（包括由于失火或進水造成一個艙室的完全損失）后，仍能在規定的環境條件下和作業范圍內自動保持平臺的位置和艏向。其中兩個自動控制系統標準相當于DP2控制系統，第三個自動控制系統采用獨立控制，不受其他兩個控制系統的干擾，可作為備用系統。

針對DP動力系統的3個等級，設備配置情況如表1所示。

在我國前期自升式風電安裝平臺中，普遍采用DP-1動力定位系統。在施工工況下，采用逆流逆風的風機安裝方式，在靠近風機時，即使動力定位系統發生故障，平臺能遠離機位的，能避免對風機機位造成損傷。為避免自升式風電安裝平臺與已完成的樁基發生碰撞，通常選擇性拋一個或者兩個錨，以作為動力定位系統失效后的安全措施。因此，目前以風機安裝為主的風電安裝平臺（如“鐵建風電01”、“德建號”和“華祥龍”）普遍采用DP2動力定位系統。

3 DP動力定位實船配置分析

動力定位能力表示船舶在給定的環境條件下的定位能力。根據廠家操作手冊或國家入級規范，通常會按以下情況進行描述：推進器使用正常、最小單個故障、最嚴重單個故障。同時各船級社會根據動力定位能力授予定位系統附加符號，如ABS的SKP符號、DNV的環境規則數ERN等。

動力定位的采用標準分為無線航區和國內航區。無限航區通用的是在北海環境條件下；國內航區主要是考察環境狀況的分布。風、浪、流和推進器提供的推力論證均應經過風洞試驗，波浪水池模型試驗和非線性模擬試驗。

動力定位運行模式有自動、手動、自動跟蹤和遙控推力模式。自動模式：自動定位和航向控制；手動模式：個別控制每個推力器的速度、方位、起動/停止；自動跟蹤模式：具有參考點可編程的運動等；遙控推力控制模式：用萬向操縱桿手動定位控制和可選自動航向控制。

以“鐵建風電01”為例，該船具備DP2動力定位能力，便于作業時平臺就位，艉部設置了3個1 800 kW的全回轉舵槳裝置和艏部設置了3個約900 kW的全回轉舵槳裝置，6臺1 600 kW的主發電機[13]。在各主要典型工況下，主發電機組的負荷率基本控制在50%～85%，能在復雜多變的作業工況下，更加靈活地進行功率分配，使柴油發電達到合適的負載率，并具有適宜的功率儲備，燃油耗能低，節能環保，展現良好的運營經濟性。

同時，該船完整模式（推進器正常工作）下，樁腿未下放和樁腿下放時對應13.8 m/s風速可定位要求的范圍角為0°～360°[14]。

4 DP海上風電領域應用

目前，船舶及風電安裝平臺常規的定位方式有兩種：錨泊定位和動力定位。國內的風電安裝設備，至少采用了錨泊定位系統，新建裝備為提高施工效率和安裝精度會配置DP1或DP2的動力定位系統。錨泊系統和動力系統各有優缺點：錨泊定位系統可靠性強，安裝價格便宜，但只裝備錨泊系統的船舶在使用時需要錨艇配合作業，收放纜的時間較長。在我國部分海上風電海域，由于風電場址和養殖業混合發展，錨泊系統的使用會對養殖業造成破壞，同時DP動力定位技術越發成熟，逐漸使用在海洋工程、科考工程的施工及維保項目，成為其必不可少的重要設備。

在海上風電領域，船舶施工首先進點定位，定位完成后，進行吊裝作業，起重船吊裝鋼管樁進入穩樁平臺時，確保鋼管樁垂直度不大于3‰，單根鋼管樁質量在1 300～2 600 t，根據不同海域質量各不同，因此起重船對風浪流的影響要降到最低，而風電安裝平臺對進點定位的要求更高，施工時，風電安裝平臺距離施工樁位約10 m，整個海上風電風機安裝的時間通常在48 h，如采用錨泊定位方式進點，將無法保證施工的安全性，同時需要眾多大功率錨艇配合作業，進點定位時間至少24 h，而對比DP定位，以“鐵建風電01”為例，進點定位時間則在3～8 h，根據海洋水文條件略有不同，由此可見，DP的運用會極大地提高現場的施工效率，提高施工安全性。

目前新能源海上風電快速發展，越來越多的風電安裝平臺配備了定位系統，而海上試驗證明了DP系統的工作原理具有如下優勢：（1）提高了基礎沉樁及風機安裝的精度，增強了船舶的綜合性能；（2）噪聲抑制能力的增強降低了推進器的功耗與磨損；（3）對更新率或高或低的位置傳感器如DGPS具有穩健的處理能力。

通過運用以下功能還可獲得其他優勢：（1）速度測量，速度測量可用作船位測量的補充手段，起到加強航速控制的作用，船舶高速航行時，速度測量還可加快船位測量的校正，速度測量功能與位置參考系統相結合，有利于應對船舶航行時位置測量數據丟失的情況；（2）ROT測量，ROT傳感器的ROT測量數據可用于增強船舶艏向的控制。當在高速航行狀態下需要非常精確的艏向控制，或船體形狀使艏向不易控制時，該測量數據十分有用。

因此，DP定位在海上風電的應用不僅十分廣泛，且發展潛力較大，在提高施工生產效率和安全性方面具有較大優勢。

5 結束語

由于國家對新能源產業的大力扶持，各省市對海洋工程綠色能源的大力開發，海工裝備的需求也越來越大，平價時代海上風電將呈現規模化、集群化、產業化、深遠海化的特點。隨著海上風電平價時代的到來，降低度電成本、提高施工效能是重要環節，而動力定位是提高施工效能的重要設備，隨著動力定位技術越來越成熟，在海工裝備施工方面運用越來越廣泛，其必將成為海洋工程施工裝備的重要組成設施。本文對DP動力定位系統做了簡介，配有DP定位系統的海工設備操作手冊及國家海上移動平臺入級規范中，對DP動力定位的技術要求、設備配置及操作說明有詳細的記錄，同時本文關于DP動力定位系統在海上風電施工中的運用能夠讓大家對DP定位系統有總體了解，并對大家后續的技術研究有所幫助。