萬馬力級深水三用工作船動力定位性能研究

謝 家 純

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

0 引 言

船舶動力定位（DP）技術(shù)是指船舶在水中不借助于錨泊系統(tǒng)的作用，而通過控制推進器的推力大小及方向來克服風、浪和流的影響，致使船舶保持在某個固定的位置及船首艏向，或跟蹤預定的航跡和目標，以滿足特定工作任務(wù)需要的一種可自動化操作的綜合性技術(shù)。其概念的形成，可以追溯到上世紀50年代末的美國“莫霍深鉆計劃”，將船舶動力定位在約4500m水深的大洋，對大洋底部進行鉆井（取樣）。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，船舶動力定位技術(shù)已經(jīng)有了很多改進并日臻成熟，“綠色、環(huán)保和節(jié)能”也已被引入到當前船舶動力定位技術(shù)的發(fā)展中。目前，以Kongsberg、Converteam、Navis、Nautronix等為代表的國際知名品牌的船舶動力定位產(chǎn)品，已被廣泛應用于多種海上作業(yè)，如海洋勘探、海上油氣開發(fā)、軍事相關(guān)用途等。

1 研究背景及目的

受陸上石油勘探開采難度的日益增加，以及陸地油氣資源總量日益減少的影響，開發(fā)海洋油氣資源已成為各國石油戰(zhàn)略的重要舉措之一?？梢哉J為海洋油氣資源必將成為 21世紀人類重要的能源后備庫。聯(lián)合國海洋法公約的生效（1994年），各國劃出200海里專屬經(jīng)濟區(qū)，必將使深海區(qū)域的油氣資源的勘探開發(fā)成為各國競相優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略，必將加速海洋工程裝備向深海進軍的步伐。

深海油氣資源的勘探開發(fā)，需要有先進的海洋工程技術(shù)和裝備作為支撐。在此背景下，國家工信部、財政部于2009年12月7日聯(lián)合批準確立了“萬馬力級深水三用工作船（以下簡稱工作船）自主研發(fā)”等6個高技術(shù)船舶的科研項目。工作船自主研發(fā)的目的在于，適應我國深海油氣勘探開發(fā)工程的發(fā)展需求，研制具有當代國際先進技術(shù)水平的優(yōu)秀船型，為深水海洋油氣工程開發(fā)提供新型深水三用工作船，縮短與國際水平的差距，發(fā)展和提升我國深水海洋油氣勘探開發(fā)工程的綜合能力。當前，船舶動力定位技術(shù)正作為其中一項重要的海洋工程關(guān)鍵技術(shù)，為工作船在深水海域的作業(yè)，尤其是定位作業(yè)提供了可能，極大地方便了定位操作并能避免錨泊系統(tǒng)對海床作業(yè)面的破壞影響。

本文根據(jù)工作船的功能和特點，對其DP作業(yè)環(huán)境條件進行研究界定，結(jié)合該船的動力裝置和電站的配置，著重分析和研究在不同作業(yè)工況下的動力定位能力，進而論證該船具有在我國深水海域進行動力定位作業(yè)的能力。

2 基本概況及其動力定位

工作船是一型為深海石油和天然氣勘探開采平臺、工程建筑設(shè)施等提供多種作業(yè)和服務(wù)的多功能深水作業(yè)三用工作船（參見圖1），主要提供拋起錨、拖航、供應和值班守護等服務(wù)，并對水下工程設(shè)備安裝作業(yè)提供支持和服務(wù)等。該船航行于無限航區(qū)，滿足3000m以上水深作業(yè)要求，抗風能力達到12級。

圖1 工作船效果圖

工作船的主要參數(shù)如表1所示。

表1 工作船主要參數(shù) m

工作船在為海上鉆井平臺供應物資作業(yè)時首先需要定位，而該船的定位不能借助于平臺來系泊，且考慮到深水錨泊定位操作的不便性：需要其他拖船和起拋錨船協(xié)同作業(yè)、定位緩慢、對天氣變化的反應緩慢、對海床作業(yè)面的破壞、與平臺或其他船只錨泊纜繩交叉纏繞等因素，故選擇應用已經(jīng)相對成熟的動力定位技術(shù)?？紤]向平臺供應物資時的安全性，該船動力定位系統(tǒng)需要進行冗余設(shè)計。在權(quán)衡冗余度和經(jīng)濟性要求后，確定動力定位裝備等級[1]為DP2。

3 動力推進器及其供配電

該船主推進采用“雙主柴油機+雙推進電動機”的柴電混合推進形式，并配備雙固定導管可調(diào)螺距槳（CPP）的主推進系統(tǒng)，配以雙流線型懸掛式襟翼舵。主齒輪箱為二進一出軸齒輪箱，每臺主機（8000kW）通過主齒輪箱驅(qū)動一只固定導管 CPP螺旋槳；每臺推進電動機（3000kW），也可通過主齒輪箱驅(qū)動這只固定導管CPP螺旋槳；當然主機和推進電動機也可通過主齒輪箱聯(lián)合驅(qū)動固定導管CPP螺旋槳，實施船舶推進。

該船在船首部設(shè)2臺管狀側(cè)向推進器。每臺側(cè)向推進器功率為1000kW，側(cè)向推力為160kN，由電動機驅(qū)動可調(diào)螺距4葉槳。在船首另外設(shè)有一臺艏升降式（或折疊式）全回轉(zhuǎn)舵槳裝置，功率為1200kW，全回轉(zhuǎn)推力為 210kN。在艉部設(shè)一臺電動機驅(qū)動可調(diào)螺距 4葉槳管狀側(cè)向推進器，側(cè)向推進器功率為1000kW，側(cè)向推力為160kN。同時還設(shè)有一臺艉升降式（或折疊式）全回轉(zhuǎn)舵槳裝置，功率為1200kW，全回轉(zhuǎn)推力為210kN。

在船尾左、右導管螺旋槳的后方各設(shè)置一只流線型懸掛式襟翼舵，每只舵面積16.2m2，總面積約5.0%LT（L——船體長度，T——載重線吃水），轉(zhuǎn)舵角±45°，襟翼角±55°，各配電動液壓轉(zhuǎn)翼式舵機一臺，每臺舵機最大扭矩為560kN·m。

為提高該船動力推進器的冗余度，即相對提高動力定位能力，有關(guān)推進器的供配電采用多段（匯流排）方案冗余設(shè)計。其供配電方案設(shè)計，參見圖2。主電站由軸帶發(fā)電機（3800kW×2臺）和輔發(fā)電機（2600kW×3臺+1000kW×1臺）組成。在動力定位作業(yè)時，如4臺輔發(fā)電機和2臺軸帶發(fā)電機全部運行時，配電板必須劃分為獨立的4段。

圖2 工作船動力推進器供配電單線圖

4 動力定位作業(yè)環(huán)境

一般來說，深水遠海相對近海或淺海對工程船的作業(yè)要求在各方面都更高，其中當然也包括對船舶進行動力定位作業(yè)的要求。工作船從其自主研發(fā)的目的看，當前還是以服務(wù)我國領(lǐng)海海域內(nèi)深水油氣資源勘探開發(fā)為前提，所以需要對我國深水油氣資源勘探開發(fā)海域進行調(diào)查研究，擬重點針對我國南海海域，尤其是其深水海域的環(huán)境特點來分析、研究并確定對該船進行動力定位作業(yè)要求最高的相應環(huán)境條件。

南海是西北太平洋最大的一個半封閉邊緣海，其范圍大約為北緯 0°～23°，東經(jīng) 99°～121°，面積約為350萬平方公里，平均水深1800m，最大水深5420m。南海地處亞熱帶和熱帶區(qū)域，屬于典型的亞洲季風區(qū)。南海海域氣候具有“冬半年、夏半年”的特征，春秋過渡季節(jié)很短。南海海面風力在冬季風（東北季風）時期最強，在夏季風（西南季風）時期較冬季風時期弱。根據(jù)有關(guān)資料[2]，將南海分成北區(qū)（18°N以北）、中區(qū)（18°-10°N）、南區(qū)（10°N以南）和北部灣區(qū)總計4個海區(qū)，來分析各區(qū)的東北季風和西南季風的特征，參見表2和表3。此外，南海北區(qū)的南部到中區(qū)海域為較深水域，水深大都在3000m以上。

表2 南海各區(qū)東北季風特征

表3 南海各區(qū)西南季風特征

南海海浪的分布和變化主要取決于海區(qū)季風風場的分布和變化，東北季風時期盛行東北浪，西南季風時期盛行南、西南浪。南海海浪在兩種季風交替時期，浪向多變并且浪向不明顯。由于南海東北季風的風速較西南季風的風速大，所以就波高的絕對值而言，南海冬季的波高一般較夏季大。根據(jù)有關(guān)南海北區(qū)的資料，根據(jù)應用多年的資料算出的浪高算術(shù)平均值與用實測風速資料從蒲氏風級表中獲得的浪高值相近的結(jié)論[2]，在沒有確切資料對南海其他各區(qū)的波浪高度進行相關(guān)計算的情況下，也可根據(jù)風速從蒲氏風級表中得到相應的可供參考的浪高值。

南海環(huán)流場受季風、地形、太陽輻射以及降雨等多種因素的影響復雜多變。冬季南?？偟沫h(huán)流結(jié)構(gòu)呈氣旋型，并可生成兩個次海盆尺度的氣旋型環(huán)流。夏季南?？偟沫h(huán)流結(jié)構(gòu)呈反氣旋型，大部分海區(qū)以東北向漂流為主。不論冬季、夏季，南海環(huán)流西部邊界強化趨勢均十分明顯。由于南海海流存在上述復雜性，目前對南海海流特征尚無比較統(tǒng)一的認識。盡管如此，從中科院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境動力學重點實驗室和中海石油研究中心深水工程重點實驗室聯(lián)合進行的、對南海深水區(qū)風、浪、流多年一遇重現(xiàn)期極值的推算結(jié)果[3]可以看到：南海在500m以上水深的各海區(qū)的流速，以最長百年一遇的重現(xiàn)期來看，都在0.74m/s以下，并且隨著水深的增加，流速皆相應降低。

通過上述分析研究，將工作船進行動力定位作業(yè)的環(huán)境條件設(shè)定為：蒲福氏7級風、6級巨浪海況、1/3有義波高4.0m、2級海流，此為對該型船有最高要求的南海深水區(qū)域的實際海況條件。

5 動力定位能力

根據(jù)工作船動力定位作業(yè)的環(huán)境條件，結(jié)合其自身配備的動力裝置（推進器），分以下14個工況進行動力定位能力的相關(guān)研究，其中前10個工況基于正常使用要求，后4個工況是模擬可能出現(xiàn)的最大單點故障（WCFDI[4]）情況，具體參見表4。表4中的“開啟”代表正常在線運行，“關(guān)閉”代表正常使用時要求停機或故障帶來的非在線狀態(tài)。

表4 工作船動力定位作業(yè)工況

續(xù)表4

通過計算，所列14個工況的動力定位能力[5]如圖3～16所示。

圖3 工況1動力定位能力

圖4 工況2動力定位能力

圖5 工況3動力定位能力

圖6 工況4動力定位能力

圖7 工況5動力定位能力

圖8 工況6動力定位能力

圖9 工況7動力定位能力

圖10 工況8動力定位能力

圖11 工況9動力定位能力

圖12 工況10動力定位能力

圖13 工況11動力定位能力

圖14 工況12動力定位能力

圖15 工況13動力定位能力

圖16 工況14動力定位能力

對照南海深水作業(yè)環(huán)境條件（對應最高要求），從動力定位能力圖中可以看出，該船在各工況下的動力定位作業(yè)能力，見表5。

此處定義風向角：以船體中心為基點，從船首方向吹來的風向角為0°，順時針遞增。

表5 工作船動力定位能力

如同上文所述，14項動力定位作業(yè)工況中的1～10是基于使用要求，相應定位能力分析結(jié)果供使用參考。工況11～14，則反映工作船在極端環(huán)境作業(yè)條件下、動力系統(tǒng)發(fā)生各種（最大）單點故障后，該船所具備的定位作業(yè)能力。其中工況11和12在0～360°風向角范圍內(nèi)還具備足夠的定位作業(yè)能力（相對深水定位作業(yè)極端條件），而工況13和14，特別是工況13則在一定風向角范圍內(nèi)明顯出現(xiàn)定位能力不夠。對比工況13和14不難看出，前者出現(xiàn)明顯的定位能力不夠主要是因為失去了“艏部升降式全回轉(zhuǎn)舵槳裝置”。為此，在工作船的動力系統(tǒng)設(shè)計中，需要特別考慮為艏部升降式全回轉(zhuǎn)舵槳裝置增加一路動力電源供給，即從主配電板的另一段（對稱段）匯流排提供一路動力電源作為備用，供主供電匯流排發(fā)生故障情況下切換使用，以保障該船在深水極端條件下，即使發(fā)生各種（最大）單點故障，仍具備作業(yè)要求的動力定位能力。通過新近完成的水池模型試驗也表明，在工況 13中增加艏部升降式全回轉(zhuǎn)舵槳裝置的作用，確實保證了在90°最大環(huán)境載荷下，該船具備穩(wěn)定的定位能力。

6 結(jié) 語

本文基于工作船自主研發(fā)要求，進行有關(guān)船舶動力定位性能的專題研究，并對該船在我國深水海域（南海）動力定位作業(yè)環(huán)境條件進行分析研究和界定。根據(jù)該船及其配備的動力裝置，計算并分析研究在多種工況下的定位作業(yè)能力。研究結(jié)果表明，該船滿足在我國深水海域進行動力定位作業(yè)要求，具備相應能力。

回顧工作船自主研發(fā)中有關(guān)動力定位的研究過程，發(fā)現(xiàn)還有一些問題可做進一步的研究與探討：一是動力定位的時域模擬。二是分析研究各推進器之間及推進器與船體之間水動力的相互干擾。三是研究動力定位系統(tǒng)與錨泊系統(tǒng)的聯(lián)合定位。

致 謝

本文屬于工信部和財政部聯(lián)合立項的6個高技術(shù)船舶科研項目之一，萬馬力級深水三用工作船的專題研究之一，在成文過程中得到過項目組的大力支持，在此致謝。

[1] 繆燕華.動力定位工程船設(shè)計技術(shù)研究[J].上海造船，2010 (1): 46-50, 59.

[2] 南海北部的風、浪、流[Z].地質(zhì)部南海地質(zhì)調(diào)查指揮部綜合研究大隊.廣州: 1981.

[3] 葛黎麗，屈 衍，張志旭，等.南海深水區(qū)風、浪、流多年一遇重現(xiàn)期極值的推算[J].中國海上油氣，2009，21(3):207-210.

[4] The International Marine Contractors Association.A Guide to DP Electrical Power and Control Systems [M].IMCA M 206.2010.

[5] 吳斐文.關(guān)于動力定位國際組織和標準綜述[J].上海造船，2010 (2): 69-71.