综合考虑复杂工况的深水浮式生产平台压载调节优化方法及应用

何骁勇　陈勇军　白雪平　贾创

摘 要 基于平台初始姿态和目标姿态、参与优化的舱室和初始压载状态、灌满度限制条件及优化目标等，提出一种浮式生产平台压载调节优化求解算法，给出了求解步骤。以一座半潜式生产平台为例进行案例分析，并与Solver优化器的结果进行对比和校核。结果表明：笔者提出的压载调节优化算法不仅可以得到可行的调载方案，而且通过优化可以得到与Solver？襅优化器相当的优化结果，且迭代次数少于Solver 优化器。

关键词 压载调节 优化算法 调载量 浮式生产平台

中图分类号 TP274   文献标志码 B   文章编号 1000-3932（2023）05-0720-07

随着我国海洋油气资源开采逐步从近浅海区域走向远深海区域，浮式生产平台的应用场景也越来越广泛。与固定式平台不同，浮式平台在服役期间会经历多次重量和重心变化，如上部组块重量增减或移动、舱室检查检修、舱室破损、立管回接及装卸油等，导致平台运动姿态（吃水和转角）也会经常发生变化。为了保持平台在设计吃水范围内并维持正浮姿态或达到预设姿态，需要对平台进行压载调节，其中压载系统是维持平台姿态在设计范围之内的关键系统。

2021年6月，我国南海投运的1 500 m水深的“深海一号”能源站是一座十万吨级深水半潜式生产储油平台［1］。该浮式生产平台配置了一套完整的一体化海洋监测系统和预警管理系统，具备对海洋环境、平台吃水和运动、系泊张力、压载舱室等进行实时监测和预警管理的能力，从而保障平台人员和财产安全，提高平台运维管理效率［2］。另外，该浮式生产平台上还装备了一套装载管理系统，可实时监控平台重量重心变化情况，在必要时对平台压载进行分配计算和调节［3］。

对于压载调节，国内外学者在优化调配、仿真模拟等方面做了大量研究。孙承猛和刘寅东采用惩罚函数法探讨了优化方法在浮船坞浮态实时调节中的应用［4］；乔红宇和肖民以Minis仿真系统和InTouch组态软件为平台，开发了船舶压载水系统的仿真和监控软件［5］；孟珣等以多功能全回转起重船为研究对象，采用多目标遗传算法建立了以调载量最小和倾角最小为优化目标的计算模型和案例分析［6］；夏华波等对遗传算法进行了改进，提出种群全部交叉和分布式动态惩罚函数法，对驳船配载中的调载水量分布进行了优化［7］。潘伟等针对起重船作业时需根据情况调节压载以满足起吊大件回转作业的要求，提出了一种起重船压载水调节数学模型，实现了作业过程中吊臂匀速回转及压载水调节量最小的目标［8］。KURNIAWAN A和MA G W在综合考虑驳船非刚性的情况下，采用多目标遗传算法研究了导管架平台下水过程的压载优化调节［9］；LIU Q等以全回转浮吊船为对象，采用基于粒子群模糊优化和领域知识的混合算法，研究了压载动态分配［10］。但是这些成果多偏向于优化理论研究，不适用于实际的深水浮式生产平台，难以满足复杂工况下的压载调节要求。

笔者以复杂工况下的浮式生产平台实际工程应用和生产运维需求为出发点，提出了综合考虑复杂工况的浮式生产平台压载调节优化算法。基于浮式生产平台静水力特性、舱室舱容属性、平台姿态、各舱室装载情况及约束条件等，根据力学平衡原理，通过迭代计算寻求切实可行的压载水优化调节方案。

1 压载调节算法

浮式生产平台在正常作业时，重量重心由于各种原因会经常发生变化。压载系统设计一般应具备足够的压载调节能力，使平台在服役期间满足规范以及作业对吃水、倾斜和稳性的要求。

对于平台日常作业，只要重量重心的改变在设计的安全范围内，一般不需要进行压载调节。但是如果平台在作业过程中发生重大状态变化或出现异常情况，导致重量重心或平台姿态超出预警范围，就需要通过压载调节将平台恢复到正常状态。

对浮式生产平台进行压载调节，首先需要明确平台的初始姿态和压载舱室的初始装载状态，以及确定平台通过压载调节需要达到的目标姿态和限制条件。其次，建立压载调节问题的数学模型。在数学模型中，通常选择各舱室需要调节的压载水量为优化变量，平台的目标姿态为优化的目标函数，舱室装载的限制条件为约束条件。最后，建立求解算法对数学模型进行求解，计算得到满足目标姿态的优化方案。压载调节总体流程如图1所示。

1.1 压载调节数学模型

压载调节的目标是通过调节压载水在舱室间的分布，将平台从初始姿态调整到目标姿态。

假设，浮式生产平台初始姿态的排水量为

平台压载水调节的优化变量为各压载舱室的压载水灌满度的变化，舱室的灌满度是指压载水所占体积与舱室总体积的百分比。假设舱室个数为n，舱室编号为i，各舱室对应的初始和目标灌

由于压载舱室的灌满度受到各种条件的约束，既不能完全排尽也不能完全灌满，因此各舱室的压载水调节有如下约束条件：

综上，采用笔者提出的压载调节优化算法不仅可以得到可行的调载方案，而且通过优化可以得到与Solver？襅优化器相当的优化结果，且迭代次数少于Solver？襅优化器。

3 结束语

我国正逐步采用深水浮式生产平台开发深远海地区的海洋油气资源，压载调节是维持浮式生产平台安全运维的重要措施之一。相关的压载调节优化算法多侧重于理论研究，可操作性欠佳。笔者提出了一种基于重量和力学平衡原理的浮式生产平台压载调节优化算法，该算法将平台的调载量分为调节重量平衡、横向力矩平衡和纵向力矩平衡，并在满足装载约束条件下进行迭代求解，同時算法还可根据实际需要，设置降低总调载量、提高稳性等不同的优化目标，从而求解出更加适合现场实际应用的最优解，指导浮式生产平台现场压载调节作业。

参 考 文 献

［1］   朱海山，李达，魏澈，等.南海陵水17-2深水气田开发工程方案研究［J］.中国海上油气，2018，30（4）：170-177；214.

［2］   武永锋，何骁勇，陈阳，等.深水半潜式生产储油平台智能运维系统设计与应用［J］.海洋工程装备与技术，2022，9（4）：65-71.

［3］   武永锋，何骁勇，陈勇军.浮式平台一体化海洋监测系统方案集成［J］.船舶与海洋工程，2023，39（1）：71-75.

［4］   孙承猛，刘寅东.浮船坞实时配载模型及算法［J］.大连理工大学学报，2006，46（6）：857-861.

［5］   乔红宇，肖民.船舶压载水系统仿真及稳性调节［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），2006，20（4）：16-19.

［6］   孟珣，唐品，李德江，等.全回转起重船压载调拨方案优化决策分析［J］.海岸工程，2021，40（2）：96-106.

［7］   夏华波，纪卓尚，张明霞.改进遗传算法在驳船配载中的应用［J］.中国舰船研究，2010，5（6）：51-55.

［8］   潘伟，谢新连，包甜甜，等.全回转起重船作业压载水调节优化研究［J］.哈尔滨工程大学学报，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：何骁勇（1982-），高级工程师，从事海洋工程及船舶相关的仪表自动化、数字化和智能化技术研究与方案设计工作，hexy2@cnooc.com.cn。

引用本文：何骁勇，陈勇军，白雪平，等.综合考虑复杂工况的深水浮式生产平台压载调节优化方法及应用［J］.化工自动化及仪表，2023，50（5）：720-726.