何進(jìn)輝 張海彬 朱仁傳 楊葆和

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 高新船舶與海洋開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 上海200240；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

與半潛式鉆井平臺(tái)相比，鉆井船具備更好的航行能力和裝載能力，因此在深遠(yuǎn)海進(jìn)行油氣資源開(kāi)發(fā)具有更優(yōu)越的條件。為保持船體基本位于井口正上方，鉆井船進(jìn)行勘探作業(yè)時(shí)需要在水面上進(jìn)行定位。常見(jiàn)的定位方式包括錨泊定位和動(dòng)力定位兩種形式。隨著水深的增加，超過(guò)1500 m之后錨泊定位方式所要求的錨鏈長(zhǎng)度和復(fù)雜程度使錨泊定位方式不再具有經(jīng)濟(jì)性，所以在超過(guò)1500 m水深后的船舶定位方式通常采用動(dòng)力定位方式。

根據(jù)國(guó)際海事承包商協(xié)會(huì)（IMCA）定義，動(dòng)力定位是指采用調(diào)整推進(jìn)器的方式，抵抗環(huán)境力達(dá)到自動(dòng)控制船舶的位置和首向［1］。因此，推進(jìn)器的配置方案直接影響船舶動(dòng)力定位能力。國(guó)際上通常采用動(dòng)力定位等級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)一艘船舶動(dòng)力定位能力的強(qiáng)弱（如DP1、DP2、DP3），其中DP3具有最高的能力等級(jí)。較先進(jìn)的鉆井船通常都采用最高等級(jí)的DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)，以保證鉆井作業(yè)的定位能力。因此，在設(shè)計(jì)階段通過(guò)評(píng)估船舶的動(dòng)力定位能力，為推進(jìn)器系統(tǒng)的配置及優(yōu)化方案提供驗(yàn)證，有利于進(jìn)一步提高船舶動(dòng)力定位能力。

本文針對(duì)一艘DP3動(dòng)力定位等級(jí)的深海鉆井船，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其風(fēng)、浪、流等環(huán)境力，結(jié)合推進(jìn)器配置方案以及DP3失效模式要求，采用靜態(tài)分析方法估算該深海鉆井船的動(dòng)力定位能力，為該船的動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供優(yōu)化依據(jù)。

1 動(dòng)力定位能力等級(jí)

在遠(yuǎn)離岸基的海域開(kāi)發(fā)油氣資源是一種高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，稍有不慎就可能危及人身安全和造成財(cái)產(chǎn)重大損失，并且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。鉆井船在作業(yè)時(shí)需要具備可靠的定位能力，因?yàn)橐坏┿@井船發(fā)生失位事故，便可能造成連接船體和海底井口的隔水管斷裂甚至漏油等嚴(yán)重后果。因此，世界上較先進(jìn)的鉆井船動(dòng)力定位系統(tǒng)都具有較高的冗余度， 以保證船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的部分系統(tǒng)即使出現(xiàn)故障，仍能保持一定程度的動(dòng)力定位能力，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

除國(guó)際海事承包商協(xié)會(huì)外，國(guó)際海事組織（IMO）根據(jù)動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)備的冗余度將其劃分為三個(gè)等級(jí)［2］，各主要船級(jí)社也對(duì)動(dòng)力定位船舶的動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)，以評(píng)價(jià)其冗余度，并授予不同的動(dòng)力定位等級(jí)標(biāo)記。以IMO為例，其對(duì)于不同動(dòng)力定位等級(jí)要求的歸納總結(jié)參見(jiàn)表1［3］。

表1 主要海事組織動(dòng)力定位等級(jí)劃分及要求

2 環(huán)境載荷計(jì)算

動(dòng)力定位船舶在海洋環(huán)境中受到風(fēng)、浪、流的共同作用，產(chǎn)生偏離原來(lái)位置的偏移，動(dòng)力定位系統(tǒng)要求推進(jìn)器發(fā)出推力抵消風(fēng)、浪、流的載荷作用力，使船舶的偏移和首向限制在一定的范圍內(nèi)。因此，在動(dòng)力定位能力計(jì)算中，風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的計(jì)算是動(dòng)力定位能力分析的基礎(chǔ)。

環(huán)境載荷計(jì)算以及動(dòng)力定位能力分析中坐標(biāo)系采用慣用的右手正交坐標(biāo)系統(tǒng)（如圖1所示）：Z軸

圖1 坐標(biāo)系定義

盡管各主要船級(jí)社對(duì)動(dòng)力定位等級(jí)的規(guī)定略有不同，但對(duì)應(yīng)同一等級(jí)的動(dòng)力定位系統(tǒng)冗余度要求基本與IMO的要求一致，即：第一等級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)可自動(dòng)保持船位，卻并不具備系統(tǒng)設(shè)備冗余度；第二等級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)在單個(gè)設(shè)備故障的情況下仍可保持船位的能力；第三等級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)在單個(gè)艙室（包括艙內(nèi)的設(shè)備、系統(tǒng)、線路）失火或浸水的情況下仍可保持船位。動(dòng)力定位船舶的動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本參照上述要求進(jìn)行。向上為正；Y軸左舷為正，右舷為負(fù)；X軸船首為正，船尾為負(fù)；坐標(biāo)原點(diǎn)取在水線面上的船舯位置。

2.1 風(fēng)載荷計(jì)算

風(fēng)載荷在動(dòng)力定位能力計(jì)算中占據(jù)重要作用，在風(fēng)速比較大的環(huán)境條件下，風(fēng)載荷約占全部載荷的40%以上。獲得風(fēng)載荷的最精確方法是進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，但風(fēng)洞試驗(yàn)需要花費(fèi)較高的時(shí)間和成本，因此往往只是在設(shè)計(jì)的最后階段用于驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)初級(jí)階段進(jìn)行風(fēng)載荷計(jì)算時(shí)，不同組織也有不同的計(jì)算方法，如IMO、ABS和DNV等采用模塊法［4-5］；國(guó)際海事承包商協(xié)會(huì)（IMCA）制定動(dòng)力定位分析指南［6］，提供風(fēng)載荷計(jì)算的簡(jiǎn)易方法。當(dāng)風(fēng)沿X軸或Y軸作用于船體時(shí)，風(fēng)載荷可通過(guò)式（1）計(jì)算得到：

式中：Fwdx、Fwdy和Fwdz分別為船體受到的縱向力（N）、橫向力（N）和繞Z軸的力矩（N·m）；Cwd為風(fēng)載荷系數(shù)（0.615對(duì)應(yīng)于力的單位N）；Cs為形狀系數(shù)；Ch為高度系數(shù)；AT為水線以上船舶的橫向投影面積（m2）；AL為水線以上船舶縱向投影面積（m2）；Xwdc為橫向力作用點(diǎn)距離旋轉(zhuǎn)中心的力臂（m）。

對(duì)于其他方向的風(fēng)載荷，如0°～90°風(fēng)向的風(fēng)載荷，可由插值方式來(lái)獲?。?/p>

式中：為風(fēng)向（°）； 為對(duì)應(yīng)任意風(fēng)向的風(fēng)力，為總的合力（N）； 為0°風(fēng)向時(shí)構(gòu)件受到的縱向力（N）； 為90°風(fēng)向時(shí)構(gòu)件所受橫向力（N）。

2.2 波浪載荷計(jì)算

動(dòng)力定位系統(tǒng)控制的是船體在海平面上的漂移運(yùn)動(dòng)，其僅僅對(duì)水平面方向上的漂移運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，而對(duì)因波浪引起的船體一階波頻運(yùn)動(dòng)（如橫搖、縱搖和垂蕩等固有周期與波浪周期處于同一數(shù)量級(jí)且為往復(fù)式的運(yùn)動(dòng)）則不予控制。

目前，在波浪載荷問(wèn)題處理上，我們大多數(shù)采用線性理論。但船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)是非線性的，線性化運(yùn)動(dòng)理論只是這一非線性問(wèn)題振動(dòng)展開(kāi)后的一階近似，并不能解釋波浪漂移力的產(chǎn)生。如果精確到二階次，所得到的解則可以解釋漂移力這一非線性現(xiàn)象。在動(dòng)力定位計(jì)算中通常只需要考慮波浪載荷的二階平均波浪漂移力，計(jì)算二階波浪漂移力可以采用勢(shì)流理論中的近場(chǎng)積分法和遠(yuǎn)場(chǎng)積分法兩種方法。這兩種方法在水動(dòng)力領(lǐng)域均較為成熟，限于篇幅，此處對(duì)這兩種方法的原理不作闡述。

2.3 流載荷計(jì)算

在動(dòng)力定位能力分析中，流速通常不高于6 kn，屬于低流速范圍，對(duì)船體的載荷主要部分是摩擦阻力和粘壓阻力。較精確獲得流載荷的方法有水池拖曳模型試驗(yàn)和CFD計(jì)算方法等，但對(duì)于設(shè)計(jì)初級(jí)階段，國(guó)際海事承包商協(xié)會(huì)（IMCA）也提供了較方便的計(jì)算方法。針對(duì)不同船型，IMCA在0° ～180°流向范圍內(nèi)給出無(wú)量綱流載荷系數(shù) 、和 ，不同流向的載荷為：

式中：αc為來(lái)流方向（°）；T為吃水（m）；B為船寬（m）；LPP為垂線間長(zhǎng)（m）；vc為流速（m/s）；ρ為海水密度（kg/m3）； 、 和 分別為縱向力（N）、橫向力（N）和首搖力矩（N·m）。

3 動(dòng)力定位能力評(píng)估方法

滿足動(dòng)力定位能力保持船位的條件是動(dòng)力定位系統(tǒng)推進(jìn)器發(fā)出的推力與船體受到的風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷可以抵消，見(jiàn)式（4）。

式中：Ti和θi為第i個(gè)推進(jìn)器的推力大小（N）和推力方向（°）；Tx、Ty、Mz為風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的合作用力（N，N，N·m）。

現(xiàn)代鉆井船的動(dòng)力定位系統(tǒng)中通常有不少于6個(gè)推進(jìn)器，在式（4）中有不少于12個(gè)變量，故式中有無(wú)窮個(gè)組合解。如何從這些無(wú)窮個(gè)解中找到最合適的推進(jìn)器推力大小和方向分配方案，則是一個(gè)復(fù)雜的非線性約束優(yōu)化問(wèn)題。

為達(dá)到節(jié)能的目的，通常在優(yōu)化過(guò)程中采用總功率（總推力）最小作為優(yōu)化目標(biāo)，推進(jìn)器本身的性能和環(huán)境載荷作為約束邊界，形成優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型（見(jiàn)式5）。

式中：Ti為推力大小，其值應(yīng)該＞0，但是不能超過(guò)其可用最大推力值Tmax-i（N）；θi為推力方向（°）；θLi為可工作的最小推力角度（°）；θUi為可工作的最小推力角度（°）；x和y為推力器相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)位置（m）。

若推力器之間距離較小，推力器之間會(huì)產(chǎn)生干擾，需考慮設(shè)置禁止角，則增加不等式約束：

式中：θLi_ for為禁止角范圍的起始角（°）；θUi_ for為禁止角范圍的終止角（°）。

本文采用序列二次規(guī)劃法求解這類非線性約束優(yōu)化問(wèn)題，具有迭代穩(wěn)定、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于深水鉆井船這種具有眾多變量的動(dòng)力定位推力優(yōu)化分配。

4 實(shí)例分析

4.1 基本參數(shù)

基于以上動(dòng)力定位能力分析方法，本文對(duì)一艘DP3動(dòng)力定位等級(jí)的深海鉆井船進(jìn)行了動(dòng)力定位能力分析。該船總長(zhǎng)約224.9 m、型寬38 m、型深18.2 m、吃水12.0 m、排水量約為70000 t。該船配備7個(gè)推進(jìn)器，其中尾部3個(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，首部3個(gè)可伸縮全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和1個(gè)首側(cè)推。推進(jìn)器配置如下頁(yè)表2所示。

目標(biāo)鉆井船配備了3個(gè)獨(dú)立的配電板，其與推進(jìn)器的連接形式如下頁(yè)圖2所示；結(jié)合該連接形式和DP3動(dòng)力定位等級(jí)要求，動(dòng)力定位能力計(jì)算失效模式如下頁(yè)表3所示。

4.2 D P 3級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

對(duì)于DP3級(jí)鉆井船的動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，要求艙室分割滿足在任意一個(gè)艙室失火或浸水后仍然能夠保持定位能力，艙室分割需滿足A60防火要求和水線以下滿足水密要求。為將單個(gè)艙室失火或浸水的影響減少至最低，理論上機(jī)艙分割數(shù)量越多，越能將風(fēng)險(xiǎn)分散。此外，為保證不同機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)組能夠獨(dú)立正常地運(yùn)行，需為每個(gè)機(jī)艙配備獨(dú)立的輔助系統(tǒng)，包括燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風(fēng)排氣系統(tǒng)、配電間等，輔助系統(tǒng)之間的防火分割與水密分割要求與機(jī)艙等同。

鑒于大多數(shù)DP3級(jí)鉆井船的船寬不超過(guò)42 m，考慮一定的防撞邊艙寬度和舷邊縱向通道寬度后，將機(jī)艙分布劃分為3個(gè)機(jī)艙是較現(xiàn)實(shí)且經(jīng)濟(jì)的做法，也是目前主流DP3級(jí)鉆井船一致采用的機(jī)艙設(shè)計(jì)。當(dāng)其中一個(gè)機(jī)艙失火或浸水后，1/3的動(dòng)力儲(chǔ)備受到影響，但剩余2/3的動(dòng)力儲(chǔ)備基本可以保證船舶的動(dòng)力定位和采取鉆井作業(yè)應(yīng)急措施的動(dòng)力需求。

表2 目標(biāo)鉆井船推進(jìn)器配置

圖2 推進(jìn)器布置及連接示意圖

表3 D P 3等級(jí)動(dòng)力定位能力計(jì)算失效模式

推進(jìn)器系統(tǒng)是動(dòng)力定位系統(tǒng)中的執(zhí)行設(shè)備，推進(jìn)器數(shù)量在理論上是越多功率越大，推進(jìn)器系統(tǒng)動(dòng)力定位的冗余能力越高。本船設(shè)置相互獨(dú)立的3個(gè)機(jī)艙和3個(gè)配電板間，考慮單個(gè)機(jī)艙或配電板間失火或浸水，損失1/3的動(dòng)力儲(chǔ)備，尾部推進(jìn)器也應(yīng)考慮按1/3的推進(jìn)器能力損失考慮。因此，本船尾部設(shè)置3個(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，分別與3各機(jī)艙和配電板間一一對(duì)應(yīng)。

目前市面上應(yīng)用較為成熟的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器最大功率為5500 kW，據(jù)說(shuō)目前已有個(gè)別設(shè)備商可以生產(chǎn)最大功率6500 kW的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，但尚未查閱到相關(guān)的工程應(yīng)用報(bào)道。因此，本船推進(jìn)器選用最大功率5500 kW的成熟全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器作為尾部推進(jìn)器，同時(shí)可兼顧較高的航速要求。首部采用可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，可兼顧航行工況下船體阻力的減小和動(dòng)力定位工況的靈活性。鑒于相同功率的可伸縮推進(jìn)器安裝空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，因此首部選用3個(gè)3200 kW的可伸縮推進(jìn)器，同時(shí)為匹配前后推進(jìn)器的總功率，首部另加1個(gè)2500 kW的隧道推進(jìn)器。

動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置圖如圖3所示。

圖3 D P 3級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置圖

4.3 計(jì)算結(jié)果

基于以上風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷計(jì)算方法和動(dòng)力定位能力評(píng)估方法，結(jié)合目標(biāo)鉆井船的DP3等級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)配置，對(duì)其進(jìn)行了抗風(fēng)能力計(jì)算，以評(píng)估目標(biāo)船的動(dòng)力定位能力，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 目標(biāo)鉆井船D P 3級(jí)動(dòng)力定位抗風(fēng)能力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 論

通過(guò)以上計(jì)算和分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）完整模式1-1下，目標(biāo)鉆井船具有良好的定位能力，正面抗風(fēng)能力可達(dá)約85 kn，在風(fēng)向和船體夾角40°范圍內(nèi)可達(dá)到50 kn抗風(fēng)能力。

（2）在2級(jí)失效模式2-1～2-4中，模式2-1（首側(cè)推T1失效）對(duì)動(dòng)力定位能力影響最小，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器定位能力優(yōu)于首側(cè)推。

（3）模式2-2（首部全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器T2失效）對(duì)動(dòng)力定位能力影響最大。這是因?yàn)槭撞?個(gè)推進(jìn)器總功率相對(duì)尾部推進(jìn)器總功率小，其中1個(gè)首部推進(jìn)器失效后，首部推進(jìn)器定位能力較弱，限制了船舶整體定位能力。

（4）在3級(jí)失效模式下，模式3-1（推進(jìn)器T1、T4和T6失效）對(duì)定位能力影響最大。這是因?yàn)樵撃Ｊ较?，失效推進(jìn)器數(shù)量最多，且首部2個(gè)推進(jìn)器失效，對(duì)船舶整體定位能力限制較大。

（5）綜合以上分析，在DP3級(jí)動(dòng)力定位鉆井船設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量采用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，且單個(gè)配電板對(duì)應(yīng)供電的推進(jìn)器數(shù)量盡可能不超過(guò)2個(gè)，可在DP3失效模式下獲得較好的動(dòng)力定位冗余性。