基于深海钻井平台动态定位系统的研究

王 欢

（南通航运职业技术学院轮机工程系，江苏南通 226010）

随着人类对海洋的探究，海上石油开采的范围已经从最初的十几米水深，发展到现如今千米以下的海底。经过多年的发展，海上石油设施的定位基本形成两种形式——固定式和可移动式。固定式设施主要是通过导管架固定在海床上的各种平台。一般先建造导管架，然后把导管架运输到油田，固定在海床上，最后再把在岸上建造好的平台运到油田，固定在导管架上；可移动式设施如：钻探船（Drill Ship）、半潜式石油平台（Semisubmersible Platform）、张力式石油平台（TLP）等［1］。可移动式的平台在岸上建造，然后拖航或自航到海上油田，完成任务后可以方便地移动位置。

目前，随着石油开采由浅海向深海的转移，海洋工程船舶的系泊方式由简单的锚链系泊转变为深海单点系泊和动态定位系统（DP）。石油平台的海上安装领域得到了发展，那就是DP动态定位安装。DP安装作业轻松、快捷，具有驳船加拖轮组合无可比拟的优越性。在钻井平台的安装中，其魅力得到了完美的展示。

1 动态定位系统简介

动态定位（Dynamic Positioning）是指船舶在海上，不需抛锚或系泊，利用计算机采集来的环境参数（风、流、浪），根据位置参照系统提供的位置，自动进行计算，控制各推进器的推力大小和方向，使船舶保持艏向和船位。［2］

动态定位系统由船位检测器、显示仪、电子计算机控制机构和推进器等部件组成。［4］采用动态定位的海上浮动装置，在海上钻探作业时不需要抛锚，这不仅减少了复杂的抛锚工序，而且工作的水深亦不受锚系长度的限制，甚至可以在水深大于1000m以上的深度进行工作。一个好的动态定位系统应在船舶经受风浪和流负荷下能保持船舶或钻井平台的位置和航向，并使推进装置的油耗和损耗最小。对于排水量超万吨的船舶，要达到这样高的定位精度，就是依靠各种高精度、高速度的传感器和数据采集器以及处理系统，和反应快、效率高、操纵灵活的推进设备。目前最先进的动态定位系统可以在中等海况下（Moderate sea conditions），取得1英尺的动态定位精度。也就是说船舶处于稳定的动态定位情况下，其船位前后左右的移动范围控制在1英尺以内。

2 某深海钻井平台动态定位系统的应用

2．1 DP系统的组成及辅助系统

常用的动态定位系统的附加标志为DP－1、DP－2、DP－3三种，其中DP－1的级别最低，DP－3的级别最高［3］。世界首艘圆筒型钻井平台承建单位中远船务（南通）股份有限公司，动态定位系统的附加标志为DP－3，是动态定位系统中要求最为严格的。DP－3系统是指一舱失火或进水情况下，自动保持船位和艏向。［5］DP－3系统要求最高，它的主DP系统和备用DP系统需要A60分隔，即各自系统的电缆、设备需要物理隔开并达到防火等级A60级别。两套系统均可以正常控制动态系统，通常使用主DP系统，应急情况下使用备用DP系统。

此深海钻井平台的DP－3系统主要检测和控制系统是由康斯伯格（Kongsberg）提供，辅助动力及推进系统是由西门子（Siemens）提供，其主要组成和辅助系统有3部分。

2．1．1 动力系统和推进系统

此深海钻井平台的动力来源于发电机，发电机的功率为5500KW，电压为11KV。高压配电盘与发电机之间的电缆用12／20KV高压电缆（3根1×240mm2）连接；由高压配电盘到高压变压器（11KV／2．2KV），之间用12／20KV 高压电缆（4根3×185mm2）连接；最后经过高压变频器到推进器马达，推进器马达功率为3800KW。全船4个机舱，其中机舱1和机舱4是防火等级达到A60标准的舱室，它们与机舱2和机舱3互为应急，各自发电机互为应急发电机。4个机舱共有8台发电机，它们与8台推进器一一对应。

在通常情况下，8台推进器中的每一台都需要全负荷运行，在经历大的风浪时，与风浪相反方向的推进器产生反作用力来抵消风浪的作用力，以达到力的平衡，从而实现动态定位。

2．1．2 检测系统

检测系统是由IALA信标系统、GPS系统、INMARSART卫星系统，风速检测系统、电罗经、MRU运动参考单元、HIPAP高精度定位仪以及吃水系统等组成。

IALA信标系统，IALA信标天线可以达到亚米级的精度，它的信标接收机可以跟踪非常弱的信号，这样在距离基站比较远的地方和天气条件不好时都能得到改正值。

GPS是全球定位系统，它是通过接受卫星信号，进行定位或者导航的终端，在钻井平台确定了自己开始钻井的位置后，GPS将位置信号传输到控制系统以达到定位。

INMARSART卫星系统，Fleet77的主要特点是时刻在线，拥有MPDS业务64kbps ISDN、3．1KHz语音、Speech、Mini－M 语音、传真、全球语音报警 由于收发机和天线重量轻和结构精致，使其方便安装。通过手柄或PC可快速配置，单信道，船用通信 HUB精致、方便、低廉和可靠的全球覆盖，从南纬78度到北纬78度。某深海钻井平台用的是Fleet 77，Fleet 77能满足最新的全球海上遇险和安全系统（GMDSS）要求。

风速检测系统，是由GILL公司提供，采用了最新的超声波技术，没有任何的移动部件，具有非常高的精度。

电罗经，又叫陀螺罗经，是船舶重要的航海设备之一。它不受地磁和船体磁场的影响，定向准确。

MRU（Moving reference unit）运动参考单元，MRU运动参考单元是由康斯伯格（kongsberg）公司自己提供的，它是通过发射R、P、Y三束激光射线来定位船舶的平衡。R为船首方向的水平射线；P为船侧方向的射线；Y是与船舶中轴线垂直的垂直射线。当船舶倾斜时，他能检测出细微的变化，从而发出信号到中央处理器调制出合适的信号送到推进系统来调整船舶的平衡。因此安装精度很高，与船舶中轴线的垂直线不能有±0．5的误差。一般都安装在船舶的重心位置，且没有震动的地方。

HIPAP高精度定位仪，高精度声学定位系统也是由康斯伯格（kongsberg）公司自己提供，此深海钻井平台使用的是两套最高级别的HIPAP500系统，它可以工作在1－4000m范围内的水深。它是一个包含241个传感器的球状传感器，由于执行信号要求的准确性，球状传感器的覆盖范围达到一个半球。由于覆盖的面积广，所以能很好地接受各面来的信息，并能快速传送到执行机构。

吃水系统，某深海钻井平台的吃水传感器有2只，分别安装在船的首部和尾部。由于船的形状是圆筒型，所以以0°和180°度分别定义为船首和船尾。首尾吃水传感器采集的信号传输到执行单元，经过对比得到的差比信号再传输到DP控制系统，从而发出信号来驱动推进器完成指令，以达到动态平衡。

2．1．3 操控系统

DP系统的操控位于中央控制室，即驾驶台。操控人员根据实际情况可以选择自动操作和手动操作两种模式，一般情况下，DP系统的操作以自动操作为主，通过为其服务的子系统采集各种信号并输送到中心控制计数机处理，实现钻井平台的动态定位。

2．2 DP系统的功能

此DP－3系统是服务于推进系统的。其控制精度要求推进器在任何一种转速下的螺旋桨螺距误差不大于2%；在零螺距和零速度的情况下其误差应控制在最大量程的1%之下。转速从零速到最大速度或者螺距角从零度到最大角度的变化时间，小螺旋桨应控制在10s之内；大的应控制在10到15s之内，典型的供给船主螺旋桨应不大于20s，而穿梭油轮则不大于35s。此深海钻井平台所用的属于较大的螺旋桨，所以应控制在10－15s之内。达到如此精度，普通设备是无法办到的。它是由高精度的检测机构和分析机构组成，再输出到推进器系统来保持钻井平台在任何风浪下不发生偏移。

3 结 语

动态定位系统的研究已经经历了很长的时间，理论研究或实验室试验的阶段成果较多。DP系统在深海钻井平台上的成功实用，必将促使其在技术上快速完善和提高，随着神经网络等高科技的应用，以及成本的不断降低，DP在海洋工程船舶上的应用将得到快速的推广，DP对航海科技的进步和航海安全水平的提高，必将产生深远的影响。

1 李朝晖，王欢．基于海洋工程铺管船铺管器建造工艺的研究［J］．南通航运职业技术学院学报，2010（1）

2 马先山．商船加装动态定位系统的研究与设计［J］．航海技术，2008（3）

3 申 屠，启伟，蔡连财．海上石油平台的整体安装与动态定位系统［J］．航海技术，2010（3）

4 王定亚，丁莉萍．海洋钻井平台技术现状与发展趋势［J］．石油机械，2010，38（4）：69～72

5 杨立军，肖龙飞，杨建民．半潜式平台水动力性能研究［J］．中国海洋平台，2009，24（1）：1～9