綜合考慮復雜工況的深水浮式生產平臺壓載調節優化方法及應用

何驍勇　陳勇軍　白雪平　賈創

摘 要 基于平臺初始姿態和目標姿態、參與優化的艙室和初始壓載狀態、灌滿度限制條件及優化目標等，提出一種浮式生產平臺壓載調節優化求解算法，給出了求解步驟。以一座半潛式生產平臺為例進行案例分析，并與Solver優化器的結果進行對比和校核。結果表明：筆者提出的壓載調節優化算法不僅可以得到可行的調載方案，而且通過優化可以得到與Solver？襅優化器相當的優化結果，且迭代次數少于Solver 優化器。

關鍵詞 壓載調節 優化算法 調載量 浮式生產平臺

中圖分類號 TP274? ?文獻標志碼 B? ?文章編號 1000-3932（2023）05-0720-07

隨著我國海洋油氣資源開采逐步從近淺海區域走向遠深海區域，浮式生產平臺的應用場景也越來越廣泛。與固定式平臺不同，浮式平臺在服役期間會經歷多次重量和重心變化，如上部組塊重量增減或移動、艙室檢查檢修、艙室破損、立管回接及裝卸油等，導致平臺運動姿態（吃水和轉角）也會經常發生變化。為了保持平臺在設計吃水范圍內并維持正浮姿態或達到預設姿態，需要對平臺進行壓載調節，其中壓載系統是維持平臺姿態在設計范圍之內的關鍵系統。

2021年6月，我國南海投運的1 500 m水深的“深海一號”能源站是一座十萬噸級深水半潛式生產儲油平臺［1］。該浮式生產平臺配置了一套完整的一體化海洋監測系統和預警管理系統，具備對海洋環境、平臺吃水和運動、系泊張力、壓載艙室等進行實時監測和預警管理的能力，從而保障平臺人員和財產安全，提高平臺運維管理效率［2］。另外，該浮式生產平臺上還裝備了一套裝載管理系統，可實時監控平臺重量重心變化情況，在必要時對平臺壓載進行分配計算和調節［3］。

對于壓載調節，國內外學者在優化調配、仿真模擬等方面做了大量研究。孫承猛和劉寅東采用懲罰函數法探討了優化方法在浮船塢浮態實時調節中的應用［4］；喬紅宇和肖民以Minis仿真系統和InTouch組態軟件為平臺，開發了船舶壓載水系統的仿真和監控軟件［5］；孟珣等以多功能全回轉起重船為研究對象，采用多目標遺傳算法建立了以調載量最小和傾角最小為優化目標的計算模型和案例分析［6］；夏華波等對遺傳算法進行了改進，提出種群全部交叉和分布式動態懲罰函數法，對駁船配載中的調載水量分布進行了優化［7］。潘偉等針對起重船作業時需根據情況調節壓載以滿足起吊大件回轉作業的要求，提出了一種起重船壓載水調節數學模型，實現了作業過程中吊臂勻速回轉及壓載水調節量最小的目標［8］。KURNIAWAN A和MA G W在綜合考慮駁船非剛性的情況下，采用多目標遺傳算法研究了導管架平臺下水過程的壓載優化調節［9］；LIU Q等以全回轉浮吊船為對象，采用基于粒子群模糊優化和領域知識的混合算法，研究了壓載動態分配［10］。但是這些成果多偏向于優化理論研究，不適用于實際的深水浮式生產平臺，難以滿足復雜工況下的壓載調節要求。

筆者以復雜工況下的浮式生產平臺實際工程應用和生產運維需求為出發點，提出了綜合考慮復雜工況的浮式生產平臺壓載調節優化算法。基于浮式生產平臺靜水力特性、艙室艙容屬性、平臺姿態、各艙室裝載情況及約束條件等，根據力學平衡原理，通過迭代計算尋求切實可行的壓載水優化調節方案。

1 壓載調節算法

浮式生產平臺在正常作業時，重量重心由于各種原因會經常發生變化。壓載系統設計一般應具備足夠的壓載調節能力，使平臺在服役期間滿足規范以及作業對吃水、傾斜和穩性的要求。

對于平臺日常作業，只要重量重心的改變在設計的安全范圍內，一般不需要進行壓載調節。但是如果平臺在作業過程中發生重大狀態變化或出現異常情況，導致重量重心或平臺姿態超出預警范圍，就需要通過壓載調節將平臺恢復到正常狀態。

對浮式生產平臺進行壓載調節，首先需要明確平臺的初始姿態和壓載艙室的初始裝載狀態，以及確定平臺通過壓載調節需要達到的目標姿態和限制條件。其次，建立壓載調節問題的數學模型。在數學模型中，通常選擇各艙室需要調節的壓載水量為優化變量，平臺的目標姿態為優化的目標函數，艙室裝載的限制條件為約束條件。最后，建立求解算法對數學模型進行求解，計算得到滿足目標姿態的優化方案。壓載調節總體流程如圖1所示。

1.1 壓載調節數學模型

壓載調節的目標是通過調節壓載水在艙室間的分布，將平臺從初始姿態調整到目標姿態。

假設，浮式生產平臺初始姿態的排水量為

平臺壓載水調節的優化變量為各壓載艙室的壓載水灌滿度的變化，艙室的灌滿度是指壓載水所占體積與艙室總體積的百分比。假設艙室個數為n，艙室編號為i，各艙室對應的初始和目標灌

由于壓載艙室的灌滿度受到各種條件的約束，既不能完全排盡也不能完全灌滿，因此各艙室的壓載水調節有如下約束條件：

綜上，采用筆者提出的壓載調節優化算法不僅可以得到可行的調載方案，而且通過優化可以得到與Solver？襅優化器相當的優化結果，且迭代次數少于Solver？襅優化器。

3 結束語

我國正逐步采用深水浮式生產平臺開發深遠海地區的海洋油氣資源，壓載調節是維持浮式生產平臺安全運維的重要措施之一。相關的壓載調節優化算法多側重于理論研究，可操作性欠佳。筆者提出了一種基于重量和力學平衡原理的浮式生產平臺壓載調節優化算法，該算法將平臺的調載量分為調節重量平衡、橫向力矩平衡和縱向力矩平衡，并在滿足裝載約束條件下進行迭代求解，同時算法還可根據實際需要，設置降低總調載量、提高穩性等不同的優化目標，從而求解出更加適合現場實際應用的最優解，指導浮式生產平臺現場壓載調節作業。

參 考 文 獻

［1］? ?朱海山，李達，魏澈，等.南海陵水17-2深水氣田開發工程方案研究［J］.中國海上油氣，2018，30（4）：170-177；214.

［2］? ?武永鋒，何驍勇，陳陽，等.深水半潛式生產儲油平臺智能運維系統設計與應用［J］.海洋工程裝備與技術，2022，9（4）：65-71.

［3］? ?武永鋒，何驍勇，陳勇軍.浮式平臺一體化海洋監測系統方案集成［J］.船舶與海洋工程，2023，39（1）：71-75.

［4］? ?孫承猛，劉寅東.浮船塢實時配載模型及算法［J］.大連理工大學學報，2006，46（6）：857-861.

［5］? ?喬紅宇，肖民.船舶壓載水系統仿真及穩性調節［J］.江蘇科技大學學報（自然科學版），2006，20（4）：16-19.

［6］? ?孟珣，唐品，李德江，等.全回轉起重船壓載調撥方案優化決策分析［J］.海岸工程，2021，40（2）：96-106.

［7］? ?夏華波，紀卓尚，張明霞.改進遺傳算法在駁船配載中的應用［J］.中國艦船研究，2010，5（6）：51-55.

［8］? ?潘偉，謝新連，包甜甜，等.全回轉起重船作業壓載水調節優化研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2019，40（1）：189-195.

［9］? ?KURNIAWAN A，MA G W.Optimization of ballast pl-an in launch jacket load-out［J］.Structural and Multidisciplinary Optimization，2009，38（3）：267-288.

［10］? ?LIU Q，LU Z，LIU Z.Ballast Water Dynamic Allocation Optimization for Revolving Floating Cranes Based on a Hybrid Algorithm of Fuzzy-Particle Swarm Optimization with Domain Knowledge［J］.Journal of Marine Science and Engineering，2022，10（10）：1454.

（收稿日期：2023-03-01，修回日期：2023-08-02）

Optimization Method and Application of the Ballast Regulation for

Deep-water Floating Production Platform through

Considering Complex Operating Conditions

HE Xiao-yong1， CHEN Yong-jun2， BAI Xue-ping1， JIA Chuang1

（1. CNOOC Research Institute Co.， Ltd.； 2. Beijing DMAR Marine Technology Inc.）

Abstract? ?Considering the platforms initial posture and target posture， the cabins participating in the optimization and their initial ballast state， tank filling restriction and optimization objectives， an optimization algorithm for ballast regulation of the floating production platform was proposed and the solution steps were given， including having a case which taking a semi-submersible production platform as an example investigated.? Comparing and verifying the results with Solver show that， the ballast regulation optimization algorithm proposed here can obtain a feasible load regulation scheme and get comparable optimization results with Solver through the optimization， and the number of iterations is less than Solver.

Key words? ? ballast regulation， optimization algorithm， regulation capacity， floating production platform

作者簡介：何驍勇（1982-），高級工程師，從事海洋工程及船舶相關的儀表自動化、數字化和智能化技術研究與方案設計工作，hexy2@cnooc.com.cn。

引用本文：何驍勇，陳勇軍，白雪平，等.綜合考慮復雜工況的深水浮式生產平臺壓載調節優化方法及應用［J］.化工自動化及儀表，2023，50（5）：720-726.