深水半潜式起重铺管船动力定位能力分析

张法富

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

深水半潜式起重铺管船是深水油气田开发的顶级工程装备，能够在恶劣的深水环境条件下进行J-lay海管铺设、大型结构物的吊装等多种海洋工程作业，能够大幅提升中国海洋石油工程的深水作业能力。目前深水海洋工程船舶大多配置动力定位(DP)系统。动力定位系统设计技术一直为国外所垄断。动力定位技术涉及电气、控制、轮机以及水动力等多个学科，直接关系到船舶系统的可靠性与工程造价。

船舶动力定位能力分析是半潜式起重铺管船总体设计中关键的一环。一般来说，船舶主尺度设计决定了设计环境条件下船舶受到的环境力。基于此环境力对船舶使用推进器进行配置并对推进器布置位置进行优化，主机功率及电气系统设计需满足动力定位要求。如果推进器台数和功率没有达到最优状态，则电气系统设计和主机选型都会造成极大的浪费，从而增加工程投资。

为此，本文从准确估算船舶环境力、推进器配置与优化及控位能力计算三个方面，开展深水半潜式起重铺管船动力定位能力分析。

1 环境载荷计算

1.1 坐标系

为了便于描述船舶运动，引入右手坐标系O-XYZ，原点位于船中与基线的交点，X轴平行于船体基线指向船首，Z轴竖直向上，如图1所示[1]。

图1 坐标系及载荷方向定义Fig.1 Coordinate system and load direction

风浪流的方向指的是其传播方向，风浪流方向角α是指风浪流传播方向与X轴方向的夹角。由此可知，随浪方向为0°，迎浪方向为180°。

1.2 船舶主尺度

深水半潜式起重铺管船主尺度如表1所示。

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

1.3 作业环境条件

海洋环境条件在工程设计分析中可分为静态环境条件和动态环境条件，其中静态参数包括水深、气温、水温和湿度等，动态参数包括风(季风和热带气旋)、波浪和海流。另外，海洋环境条件还包括内波、海生物等因素。作业环境条件的选取要综合考虑船舶在设计环境条件的有效作业率、安全性和经济性。基于作业海域的常见海况，选定作业环境条件如表2所示。

表2 作业环境条件Table 2 Operation metocean conditions

1.4 风载荷计算

海面上的风速和风向都是随机变化的，这给测定作用在船舶上的风力及风力矩带来困难。本文在计算过程中，对风载荷做常值处理，只计算其中定常风力部分，忽略低频风力。

风载荷主要通过风洞试验、模块法、美国石油学会(API)方法[3]、国际海事承包商协会(IMCA)方法[1]等途径获取。船舶概念设计及基本设计阶段，在没有风洞模型试验数据的情况下，一般采用荷兰Marin公司开发的WINDOS软件或规范经验公式计算风载荷。由于规范经验公式得出的风载荷偏于保守，采用WINDOS软件计算结合同类船型风洞试验系数进行修正的方法得到作业工况的风力系数，如图2所示。WINDOS计算模型如图3所示。

(a) 起重作业工况

(b) 铺管作业工况图2 作业工况风载荷无因次系数Fig.2 Wind load coefficients in operation conditions

图3 WINDOS计算模型Fig.3 WINDOS calculation model

1.5 流载荷计算

流力在系泊分析中常作为定常力，假设流速不随水深变化，为均匀流。由于起重工况与铺管工况吃水相同，故计算采用同一流力系数；计算采用的方法与风载荷计算相同。流载荷系数如图4所示。

图4 作业工况流载荷无因次系数Fig.4 Current load coefficients in operation conditions

1.6 二阶波浪漂移力计算

目前求解二阶漂移力的方法主要有三种，包括基于物体表面积分的近场积分理论、基于动量和能量守恒的远场理论[4]以及法国船级社(BV)发展出来的中场积分法。二阶波浪力理论复杂，多采用软件建模方法进行计算。进行动力定位能力计算时，通常只考虑二阶波浪力中的定常部分。本文采用远场公式，利用挪威船级社(DNV)的SESAM/HydroD软件进行计算。水动力计算模型如图5所示。

图5 水动力计算模型Fig.5 Hydrodynamic model

2 推进器配置及故障模式

2.1 推进器配置

推进器有全回转式、吊舱式、槽道式等多种形式。针对半潜式起重铺管作业需求及下浮体结构特点，同时考虑少备件、推进器均匀受力等原则，目标船宜采用同一型号的全回转推进器。考虑环境载荷和推进器的推力-功率曲线，配置12台4500kW的全回转推进器能够满足动力定位需求。推进器位置如图6所示，推力及功率参数如表3所示。

2.2 推进器故障模式

半潜式起重铺管船DP系统起重作业时为DP3，要求在任意舱室发生损坏情况下，在要求的作业海洋环境下仍能保持定位和艏向[5]。目标船最危险损失工况为一个机舱或者配电间损失，此时3台推进器损失。推进器故障模式为如下4种模式。

图6 推进器布置位置Fig.6 Sketch of thruster location

表3 推进器推力及功率Table 3 Thruster capacities

故障模式1：T1，T3和T12推进器故障。

故障模式2：T2，T10和T11推进器故障。

故障模式3：T6，T8和T9推进器故障。

故障模式4：T4，T5和T7推进器故障。

铺管作业时，DP系统为DP2，所有活动工作部件要求有冗余，不应因为单点故障而导致动力定位失效[5]，对应故障模式为单台推进器失效。

3 控位能力分析

动力定位能力曲线是动力定位能力的评价标准，通常情况下包括抗风能力曲线和推进器推力使用百分比曲线，其定义分别为：(1)风向0°～360°变化，DP船所能抵抗的最大风速极坐标曲线；(2)风向0°～360°变化，DP船抵抗要求的海洋环境，推进器推力使用百分比极坐标曲线。

本文分析深水起重铺管船在ERN(Environmental Regularity Numbers)[6]环境条件、起重和铺管作业环境条件下的动力定位能力。ERN计算时，采用最大风速极坐标曲线来评估船舶动力定位能力；在环境条件固定的起重及铺管工况，采用推进器推力使用百分比极坐标曲线来评估船舶动力定位能力。

表4 计算工况Table 4 Calculation conditions

3.1 计算假定

(1) 进行控位能力计算时，风浪流按同向考虑。

(2) 进行环境载荷计算时，未考虑动态部分分量，计算时风力和平均波浪漂移力考虑一定的动态冗余。

(3) ERN计算时，推进器推力极值按照DNV规范中公式[6]确定，4500kW全回转推进器推力最大值限定在695kN。

(4) ERN计算时，取铺管作业时风流系数，铺管作业力不计入。

(5) 铺管作业时，不考虑推进器损失与海管充水两种模式的叠加。

3.2 计算工况

计算工况的依据是2.3节中推进器故障损失模式及规范中关于ERN[6]计算工况的定义。具体计算工况如表4所示。

3.3 推力分配逻辑及计算软件

多推进器推力分配是一个非线性约束优化问题，也是船舶动力定位能力评估中的核心问题，一般应用优化算法将其简化为包括目标函数、等式约束和不等式约束的数学模型，然后利用优化算法进行求解[7]。

本文运用海洋石油工程股份有限公司自主研发的“动力定位能力解决方案”软件[8]进行J-lay铺管作业控位能力评估。

表5 ERN计算结果汇总Table 5 Summary of ERN calculation results

3.4 计算结果

(1) ERN计算结果为(99,99,99,98)。ERN计算在环境力危险角度汇总如表5所示，各工况最大抗风能力图如图7所示(篇幅原因，此处仅列出Case1工况曲线)。

(2) 起重及铺管作业工况，船舶动力定位能力汇总如表6所示。各工况推进器推力使用百分比如图8所示(篇幅原因，此处仅理出Case5,Case9,Case10和Case14四个工况的控位能力曲线)。

图7 动力定位能力图(最大抗风能力)Fig.7 DP capability plot (maximum wind speed envelope)

表6 作业工况动力定位能力汇总表Table 6 Summary of DP capability in operation conditions

(a) Case5

(b) Case9

(c) Case10

(d) Case14

4 结 语

针对半潜式起重铺管船动力定位能力进行了计算分析，结果表明：(1)DNV ERN参数前三个达到99%，最后一个参数为98%，表明船舶动力定位能力良好，可在全球范围内作业，满足设计要求；(2)推进器配置合理，能够满足在作业环境条件下船舶360°全方位定位要求。

后期需根据模型试验结果，对环境力进行修正，进一步优化推进器配置，降低整个项目的工程造价。

[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] 刘应中,缪国平.船舶在波浪上的运动[M].上海：上海交通大学出版社,1987：202-225.

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

[5] 中国船级社.钢质海船入级规范[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] 张法富,刘波,刘鸿雁,等.动力定位系统推力分配算法研究[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] 张法富,刘波,杨辉.动力定位船控位能力计算软件平台构建研究[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.