陳 帥,王靖凱,劉國(guó)增,鄒曉東,徐 建,逯鵬濤

(中海油深圳海洋工程技術(shù)服務(wù)有限公司,廣東 深圳518054)

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,國(guó)家對(duì)能源的需求持續(xù)增加,海上油氣資源的開發(fā)進(jìn)程由淺海向深海推進(jìn),因此動(dòng)力定位船舶逐漸成為海洋開發(fā)及海上設(shè)備設(shè)施工程作業(yè)的主要作業(yè)載體,其動(dòng)力定位功能可為海上精準(zhǔn)施工提供穩(wěn)定的平臺(tái)。

動(dòng)力定位系統(tǒng)通過中央處理器給各推進(jìn)器分配推力指令,以抵抗外界環(huán)境擾動(dòng)對(duì)船舶位置及艏向的影響,從而達(dá)到定位目的?，F(xiàn)階段大部分主流定位系統(tǒng)軟件中,推進(jìn)器設(shè)置均有多種模式可供操作者按需選擇。當(dāng)外界環(huán)境因素較小時(shí),環(huán)境擾動(dòng)變化率會(huì)相應(yīng)增大(如推進(jìn)器選擇自由模式將導(dǎo)致全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器方位變化頻繁),同時(shí)由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的反應(yīng)比電子信號(hào)滯后,從而產(chǎn)生船舶定位偏差。

針對(duì)以上問題,本文將對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器成組進(jìn)行偏置設(shè)置,使其推力相互抵消,且方位角保持在相對(duì)固定的范圍內(nèi),從而直接減小因機(jī)械結(jié)構(gòu)反應(yīng)滯后導(dǎo)致的船位偏差,并減小推進(jìn)器機(jī)械部位因頻繁變換角度造成的過度磨損。

1 動(dòng)力定位船舶簡(jiǎn)介

動(dòng)力定位(Dynamic Positioning,DP)工程船的基本工作原理是:利用船舶的各類傳感器、羅經(jīng)和位置參考單元并通過卡爾曼濾波器收集船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、位置變化、環(huán)境風(fēng)力大小和方向,通過DP控制器(DP Controller,DPC)構(gòu)建船舶數(shù)學(xué)模型,控制系統(tǒng)發(fā)出一系列的推力指令控制推進(jìn)器,形成一個(gè)時(shí)變的推力系統(tǒng),以抵消外在的時(shí)變的環(huán)境載荷,從而使船舶保持在目標(biāo)船位和艏向[1](見圖1)。

圖1 動(dòng)力定位系統(tǒng)工作原理圖

船舶有6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),即3個(gè)平移運(yùn)動(dòng)和3個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),這其中包括:縱蕩、橫蕩、垂蕩、轉(zhuǎn)艏、俯仰和滾轉(zhuǎn)。動(dòng)力定位系統(tǒng)負(fù)責(zé)船舶縱蕩、橫蕩和轉(zhuǎn)艏3個(gè)自由度的自動(dòng)控制[2]。

2 推進(jìn)器偏置理念

動(dòng)力定位系統(tǒng)通過中央處理器向推力分配單元發(fā)布3個(gè)自由度(縱向、橫向和轉(zhuǎn)艏)指令,再經(jīng)推力分配單元進(jìn)行算法優(yōu)化后,將推力和角度指令分配給各個(gè)推進(jìn)器[3]。推力分配單元處在動(dòng)力定位系統(tǒng)的最末端,對(duì)船舶定位的精確性、靈活性起著至關(guān)重要的作用[4]。推進(jìn)器的偏置組合設(shè)置即是將全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器按組分配,并使組合后推力合力與環(huán)境因素影響合力效果為零。當(dāng)船舶處于環(huán)境力較小而推進(jìn)器推力方向頻繁變化的定位作業(yè)時(shí),采用常規(guī)的推進(jìn)器分配方案會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)器的方位角頻繁變化,而且由于推進(jìn)器本身的機(jī)械特性,方位角轉(zhuǎn)動(dòng)速度有限,方位變化跟不上中央處理器指令的變化而導(dǎo)致動(dòng)力定位系統(tǒng)的方位角預(yù)測(cè)頻繁報(bào)警。同時(shí)也可能出現(xiàn)方位角滯后而影響船舶的定位精度,頻繁的推進(jìn)器方位變化也會(huì)增加其轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的磨損。

針對(duì)這個(gè)問題,康士伯格(Kongsberg)集團(tuán)提出了偏置理念,即對(duì)配置全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的動(dòng)力定位船舶的推進(jìn)器進(jìn)行分組設(shè)置,允許推進(jìn)器之間推力相互抵消。這種方法雖然會(huì)消耗推進(jìn)器的功率,但可以提高推進(jìn)器對(duì)于處理器給出指令的反應(yīng)速度,避免推進(jìn)器頻繁轉(zhuǎn)向而降低定位精度及加速推進(jìn)器磨損等問題,在實(shí)際工程中有重要應(yīng)用價(jià)值。動(dòng)力定位船舶的推進(jìn)器通常是最主要的電力消費(fèi)者,應(yīng)根據(jù)外界環(huán)境因素和項(xiàng)目對(duì)于定位的要求,合理、靈活設(shè)置推進(jìn)器的偏置組合,從而滿足推進(jìn)器推力分配對(duì)船舶作業(yè)定位精度的要求。

3 推進(jìn)器偏置設(shè)置

在使用偏置功能時(shí),推力、轉(zhuǎn)向因數(shù)和角度因數(shù)的設(shè)置需要人工干預(yù)。在無偏置時(shí),各推進(jìn)器按照動(dòng)力定位控制系統(tǒng)推力優(yōu)化算法優(yōu)化后的方位和推力指令運(yùn)行,原則上是最省功率消耗的模式。但是在特定情形下,需要對(duì)推進(jìn)器組進(jìn)行偏置設(shè)置并以此達(dá)到提高定位精度或減少機(jī)動(dòng)部位磨損的目的。偏置各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 推進(jìn)器偏置設(shè)置

推進(jìn)器偏置各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置方法如下:

(1)對(duì)推力的設(shè)置。首先選擇偏置的推進(jìn)器組,設(shè)置推力的大小。環(huán)境力較大時(shí),推力值不宜設(shè)置過大,設(shè)置一個(gè)較小的對(duì)推力就能實(shí)現(xiàn)對(duì)推,避免對(duì)推消耗過多功率;反之,環(huán)境力較小時(shí),推力值可以設(shè)置大一些,從而提高位置及艏向的穩(wěn)定性。

(2)轉(zhuǎn)向因數(shù)的設(shè)置。轉(zhuǎn)向因數(shù)設(shè)置的大小是指操作員需要推進(jìn)器組脫離偏置模式的時(shí)刻。脫離時(shí)間需要考慮船舶本身可分配的電力儲(chǔ)備冗余,如果自身電力充足,該值可以設(shè)置大一些。如果操作員不擔(dān)心任意一臺(tái)推進(jìn)器大負(fù)荷工作會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力定位控制系統(tǒng)或是電站管理系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)減載功能,同時(shí)也不擔(dān)心環(huán)境力矩會(huì)超出推進(jìn)器組中任一推進(jìn)器的最大推力力矩,則轉(zhuǎn)向因數(shù)大小并不重要。但是在實(shí)際作業(yè)中,為應(yīng)對(duì)環(huán)境力突變或激增,該值不應(yīng)設(shè)置過大。通常,當(dāng)推進(jìn)器組中任一推進(jìn)器推力超過其最大推力50%時(shí),另一推進(jìn)器應(yīng)脫離偏置以共同抵抗環(huán)境力的影響;當(dāng)各推進(jìn)器推力反饋小于50%時(shí),推進(jìn)器組重新回到偏置對(duì)推模式。

(3)角度因數(shù)的設(shè)置。角度因數(shù)指的是推力可用情況下角度與推力的優(yōu)先權(quán)重,它不是一個(gè)量化值?？梢园呀嵌壤斫鉃閷?duì)推的角度,推力理解為控制系統(tǒng)優(yōu)化的推力方向。該值設(shè)置的越大,推進(jìn)器組中的推進(jìn)器推力方向更傾向于對(duì)推的角度(橫軸方向)。在相同外力作用下,為獲得相同的縱軸推力,則必然要增加推進(jìn)器負(fù)載,以犧牲功耗來增加船舶的阻尼力,從而保證位置及艏向的穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用中,如果外力較大且方向較穩(wěn)定,不建議設(shè)置過大的角度因數(shù)。反之,在外界環(huán)境力較小或是方向多變時(shí),可以設(shè)置較大的角度因數(shù),限制推進(jìn)器方位旋回的范圍,從而減少機(jī)動(dòng)部位磨損。

4 推進(jìn)器偏置實(shí)際應(yīng)用

某工程船的主要參數(shù)如下:

船長(zhǎng)125.0 m,船寬25.0 m,吃水6.7 m;電力源為6臺(tái)2 880 kW柴油發(fā)電機(jī),艉部2臺(tái)4 500 kW全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器,艏部2臺(tái)2 000 kW伸縮全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器,艏部2臺(tái)2 000 kW管隧推進(jìn)器,動(dòng)力定位作業(yè)時(shí)2組配電板各有1臺(tái)發(fā)電機(jī)在線。

環(huán)境參數(shù)如下:海流來向247°,流速1.2 kn,風(fēng)向262°,風(fēng)速12 kn;艏向240°。

實(shí)際測(cè)試時(shí),左右艉主推設(shè)置為偏置,對(duì)推力為1 kN,轉(zhuǎn)向因數(shù)為50%。分別將角度因數(shù)設(shè)置為20%、30%、40%、50%、60%、70%來比較艉推進(jìn)器方位角變化及轉(zhuǎn)速變化,見表2。

表2 推進(jìn)器方位角及轉(zhuǎn)速表

由表2可以看出,外界環(huán)境不變時(shí),角度因數(shù)值越大,推進(jìn)器方位角越接近橫軸對(duì)推方向,同時(shí)提高轉(zhuǎn)速以提供同等縱軸方向推力。

同樣的,船首稍斜頂風(fēng)流保持船位,駁船近靠本船下風(fēng)流舷進(jìn)行貨物穿梭作業(yè)時(shí),為減小本船靠近駁船一側(cè)的主推進(jìn)器排出流對(duì)駁船的影響,將角度因數(shù)設(shè)置為較小值,艉主推進(jìn)器橫向排出流明顯減小并朝向船尾稍偏下風(fēng)流側(cè),推進(jìn)器方位更趨向縱軸抵抗來自船首的受力。

當(dāng)船舶到達(dá)工區(qū)進(jìn)行動(dòng)力定位檢查時(shí),有一項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容為備用發(fā)電機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)。如果需要在船舶位置不變的情況下進(jìn)行測(cè)試,可以逐步提高對(duì)推力的大小,并且增大角度因數(shù),從而增加發(fā)電機(jī)負(fù)荷,達(dá)到備用發(fā)電機(jī)啟動(dòng)限制和設(shè)置延時(shí)以后,完成自動(dòng)啟動(dòng),在保持船位的同時(shí)完成測(cè)試。

綜上所述,使用偏置設(shè)置可以使方位推進(jìn)器回旋顯著減少,并有效解決功率和方位改變的非線性變化。以下就是比較典型的應(yīng)用場(chǎng)景:

(1)當(dāng)角度和推力設(shè)定值改變時(shí)減少全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)的反應(yīng)時(shí)間,從而提高推進(jìn)器對(duì)指令的反應(yīng)能力,間接提高船舶定位精度。

(2)如果一組的推進(jìn)器不能零位,另外同組的推進(jìn)器可設(shè)置同樣的反推力來抵消不能歸零所帶來的影響。

(3)在天氣好的時(shí)候,推進(jìn)器會(huì)來回旋轉(zhuǎn),最后出現(xiàn)推進(jìn)器方位預(yù)測(cè)報(bào)警。

(4)當(dāng)發(fā)電機(jī)需要高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候,可提高對(duì)推力,從而提高發(fā)電機(jī)的負(fù)荷。

(5)增加船舶的阻尼力,從而提高船舶位置及船首向的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,通過對(duì)推進(jìn)器偏置設(shè)置原理及參數(shù)設(shè)置的深入解析,以及某動(dòng)力定位船舶設(shè)置實(shí)例數(shù)據(jù)顯示,推進(jìn)器偏置功能是在推力分配優(yōu)化算法功能之中的特殊模式,滿足了不同作業(yè)工況的不同推力需求并結(jié)合了對(duì)推進(jìn)器機(jī)動(dòng)部位磨損的考量。通過實(shí)際使用過程中關(guān)于偏置設(shè)置的一些經(jīng)驗(yàn)和做法,特別是在環(huán)境力較小、頻繁小范圍移位定位作業(yè)時(shí),合理設(shè)置推進(jìn)器有利于提高船舶定位精度,減少設(shè)備損耗。