動(dòng)力定位浮托安裝船待命就位工況時(shí)域模擬

許 南， 秦立成， 王 磊

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461；2. 上海交通大學(xué) 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心(船海協(xié)創(chuàng)中心)， 上海 200240)

·實(shí)驗(yàn)技術(shù)·

動(dòng)力定位浮托安裝船待命就位工況時(shí)域模擬

許 南1， 秦立成1， 王 磊2

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461；2. 上海交通大學(xué) 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心(船海協(xié)創(chuàng)中心)， 上海 200240)

開發(fā)了動(dòng)力定位浮托安裝法時(shí)域模擬工具，對(duì)某浮托安裝船在動(dòng)力定位方法下的待命就位過程進(jìn)行了時(shí)域模擬研究。通過構(gòu)建時(shí)域模擬模型，對(duì)該浮托安裝船在各種海洋環(huán)境下的待命就位工況進(jìn)行分析，得到該浮托安裝船的位置偏移與消耗功率的時(shí)歷與統(tǒng)計(jì)值。時(shí)域數(shù)值模擬的結(jié)果表明，該動(dòng)力定位浮托安裝船能夠在180°和0°環(huán)境載荷作用下實(shí)現(xiàn)較為理想的待命就位，且在180°環(huán)境載荷作用下待命就位時(shí)，能避免駁船的推進(jìn)器倒車，取得更好的定位精度和較小的功率消耗，是最佳的待命就位方向。該時(shí)域模擬的結(jié)果與分析，為實(shí)際的海上實(shí)船安裝提供必要的理論與實(shí)踐指導(dǎo)。

動(dòng)力定位浮托安裝； 待命就位； 時(shí)域模擬； 模型試驗(yàn)

0 引 言

海洋浮式結(jié)構(gòu)物經(jīng)常需要定位于某一精度范圍內(nèi)進(jìn)行鉆井、鋪管、輸油和安裝等各種作業(yè)，定位系統(tǒng)是保證其海上正常生產(chǎn)工作的重要設(shè)備[1]。動(dòng)力定位系統(tǒng)以其定位精度高、不受水深限制和高冗余度等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，它主要包括位置測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推力系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)是動(dòng)力定位系統(tǒng)的核心部分[2-4]。裝備有動(dòng)力定位系統(tǒng)的海洋工程船舶能夠精確定位于某一目標(biāo)位置，或按預(yù)先設(shè)定的軌跡精確移動(dòng)，完成各種工作。

浮托安裝法是一種利用駁船將組塊浮托運(yùn)輸?shù)侥繕?biāo)導(dǎo)管架處，然后通過調(diào)節(jié)駁船吃水實(shí)現(xiàn)浮托對(duì)接，最后退船完成安裝的海上安裝方法。浮托法由于避免了繁瑣的分塊吊裝和對(duì)大型起重設(shè)備的需求，成為安裝大型海上設(shè)備組塊的主流方法。動(dòng)力定位浮托安裝法依靠駁船的自航能力、較強(qiáng)的壓載能力和精準(zhǔn)的對(duì)接能力，大大縮短了常規(guī)浮托安裝所需要的時(shí)間成本，近年來得到了廣泛的研究與應(yīng)用[5]。動(dòng)力定位浮托安裝法的一般流程包括裝船、運(yùn)輸、待命就位、進(jìn)船、安裝和退船。其中，待命就位是浮托安裝船在進(jìn)船安裝前的重要準(zhǔn)備階段，用以觀測(cè)動(dòng)力定位系統(tǒng)的定位精度和功率消耗，決定進(jìn)船安裝的最佳時(shí)機(jī)[6]。

本文重點(diǎn)研究了動(dòng)力定位浮托安裝法中的待命就位階段，通過分析研究時(shí)域模擬結(jié)果，為實(shí)際的動(dòng)力定位浮托安裝操作提供參考。

1 動(dòng)力定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

1.1 坐標(biāo)系定義

如圖1所示，動(dòng)力定位系統(tǒng)通常采用三組坐標(biāo)系分析海洋結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)[7]。

圖1 坐標(biāo)系的定義

(1) 大地坐標(biāo)系(XGYGZG)。該坐標(biāo)系主要定義船舶相對(duì)于原點(diǎn)的位置，包括水平偏移和艏向角。

(2) 動(dòng)坐標(biāo)系(XYZ)。該坐標(biāo)系固定于船上并且隨船一起運(yùn)動(dòng)，坐標(biāo)原點(diǎn)在船舶的重心處。動(dòng)坐標(biāo)系多用于表達(dá)船舶的運(yùn)動(dòng)和受力。

(3) 參考平行坐標(biāo)系(XVYVZV)。該坐標(biāo)系通常跟隨船舶行駛軌跡進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)，不隨船舶搖蕩。在動(dòng)力定位分析中，該坐標(biāo)系固定于定位的目標(biāo)點(diǎn)。

上述坐標(biāo)系中，船舶在大地坐標(biāo)系中的位置和歐拉角(η∈R6)與動(dòng)坐標(biāo)系中船舶的速度(ν∈R6)有如下關(guān)系：

(1)

式中：J(η)∈R6×6為轉(zhuǎn)換矩陣[8]。

由于動(dòng)力定位系統(tǒng)主要控制海洋結(jié)構(gòu)物的水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，則速度關(guān)系式可簡(jiǎn)化為3自由度，即為：

(2)

(3)

1.2 非線性低頻運(yùn)動(dòng)

動(dòng)力定位系統(tǒng)的研究中，通常將船舶的運(yùn)動(dòng)分為非線性的低頻運(yùn)動(dòng)和線性的波頻運(yùn)動(dòng)[9-10]。動(dòng)力定位主要考慮船舶的低頻運(yùn)動(dòng)模型，其運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：

(4)

式中：M∈R6×6為船舶質(zhì)量矩陣，包括附加質(zhì)量部分；CRB(ν)∈R6×6和CA(ν)∈R6×6分別為由船舶剛體質(zhì)量和附加質(zhì)量引起的科氏力作用矩陣；D(νr)∈R6為阻尼力矩陣，其大小與船舶和海流的相對(duì)速度νr相關(guān)；G(η)∈R6為廣義回復(fù)力，由浮力和重力產(chǎn)生；τenv∈R6為風(fēng)力和二階波浪力，流力已包含在相對(duì)速度νr中；τmoor∈R6為錨泊系統(tǒng)的回復(fù)力，若系統(tǒng)無錨鏈作用，則該項(xiàng)為0；τc∈R6為動(dòng)力定位系統(tǒng)的推力部分，包括推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推力和力矩。

1.3 線性波頻運(yùn)動(dòng)

線性波頻運(yùn)動(dòng)方程如下式所示[11-12]：

(5)

(6)

1.4 波浪載荷

在平臺(tái)的低頻運(yùn)動(dòng)模型中，風(fēng)力和流力采用定常力，由模型試驗(yàn)測(cè)得，唯一隨時(shí)間變化的是二階波浪力。二階波浪力包括平均漂移力、低頻(差頻)力和高頻(和頻)力，其大小與入射波的平方成正比。假定入射的不規(guī)則波用諧波的疊加來表示，則二階波浪力(忽略高頻部分)可以通過二次傳遞函數(shù)(QTF)表示：

(7)

式中：ωi是波浪頻率；ζi是波幅；εi是隨機(jī)相位角。二次傳遞函數(shù)Pij和Qij的計(jì)算非常耗時(shí)，一般通過商業(yè)軟件來計(jì)算，本文的QTF由水動(dòng)力計(jì)算軟件HydroStar計(jì)算得到。

1.5 控制系統(tǒng)與推力分配

時(shí)域模擬程序的控制系統(tǒng)模型采用經(jīng)典的PID控制。在水平方向上3個(gè)自由度的PID控制方法如下式所示[13]：

(8)

PID控制中的3個(gè)系數(shù)類比于彈簧-阻尼模型具有明顯的物理意義。實(shí)際上，采用PID控制策略的動(dòng)力定位系統(tǒng)即為海洋結(jié)構(gòu)物在水平面內(nèi)提供了回復(fù)剛度和一部分運(yùn)動(dòng)阻尼。積分系數(shù)用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，通常情況下取為零。

推力分配策略將控制系統(tǒng)輸出的推力分配到各個(gè)推進(jìn)器上，通過求解如下最優(yōu)化問題的最小值的解來獲得推力分配的結(jié)果：

(9)

式中：Ti是第i個(gè)推力器的推力；n是推力器的數(shù)目；C是權(quán)重系數(shù)；αi是推力器的方向；xi和yi是推力器相對(duì)于船舶重心的位置?？梢酝ㄟ^設(shè)置禁止角,即對(duì)αi的取值范圍加以限制，減小推力器之間的水動(dòng)力干擾。一旦求得各個(gè)推力器的推力，對(duì)應(yīng)的功率可以通過下式計(jì)算：

(10)

式中：D為螺旋槳直徑；KT為推力系數(shù)；KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，KT、KQ可根據(jù)軸向進(jìn)速在螺旋槳敞水性能曲線上查取。

2 數(shù)值模擬實(shí)例

2.1 駁船模型

本文的研究對(duì)象為裝備有動(dòng)力定位系統(tǒng)的某駁船，該駁船將用于惠州25-8油田中心平臺(tái)上部模塊的運(yùn)輸和浮托安裝作業(yè)。該駁船在待命就位下的主要參數(shù)如下：總長(zhǎng)LOA= 221.6 m,型寬B= 42 m,型深D= 13.3 m,吃水T= 9 m,船重M= 66 981 t,重心縱向位置(從船尾)XG= 104.53 m,重心橫向位置 (左舷正)YG= 0 m,重心垂向位置(從船底)ZG= 16.18 m,橫搖慣性半徑Rxx= 21.84 m,縱搖慣性半徑Ryy= 56.31 m,首搖慣性半徑Rzz= 56.10 m。

駁船的總布置圖及型線圖如圖2所示。

2.2 動(dòng)力定位系統(tǒng)的推進(jìn)器

該駁船共裝備有三類共7套推進(jìn)器，分別為1套艏部槽道推進(jìn)器，2套尾部槽道推進(jìn)器，2套全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器以及2套主推進(jìn)器。各推進(jìn)器在水平面上的位置分布如圖3所示。各推進(jìn)器的主要性能與相對(duì)駁船重心的水平位置如表1所示。隨船坐標(biāo)系及各全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器與舵的初始零位和轉(zhuǎn)角正方向在圖3中也進(jìn)行了說明。環(huán)境力和推力器所產(chǎn)生的推力的坐標(biāo)系與隨船坐標(biāo)系相同，艏搖力矩的正向遵循右手準(zhǔn)則。

表1 實(shí)船上的推進(jìn)器各主要性能與相對(duì)重心處的水平位置

2.3 海洋環(huán)境載荷

時(shí)域模擬中采取風(fēng)、浪、流同向聯(lián)合作用作為計(jì)算的環(huán)境條件，波浪選用ISSC譜，風(fēng)速和流速均采用定常值。同時(shí)考慮到推進(jìn)系統(tǒng)的配置，駁船將無法在45°和90°環(huán)境載荷下實(shí)現(xiàn)待命就位，因此將環(huán)境載荷的方向取為0°和180°。具體的環(huán)境載荷參數(shù)如下：有義波高Hs= 1.5 m,譜峰周期Tp=16.18 s,波浪譜 ISSC,流速vc= 1 m/s,風(fēng)速vw= 15 m/s。

2.4 時(shí)域模擬與分析

通過在 Matlab/Simulink 環(huán)境下自主編寫的動(dòng)力定位時(shí)域模擬程序，對(duì)該駁船的待命就位狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬。時(shí)域模擬共持續(xù)13 800 s，去掉前1 800 s的數(shù)據(jù)以排除瞬態(tài)影響，數(shù)值結(jié)果和分析如下。

漂移半徑是衡量動(dòng)力定位系統(tǒng)定位精度的重要指標(biāo)，它反映了動(dòng)力定位船舶的實(shí)際位置與目標(biāo)位置之間的距離，其定義為：

(11)

式中：x,y分別為駁船在大地坐標(biāo)系下相對(duì)于定位位置的坐標(biāo)。

待命就位狀態(tài)下，180°和0°環(huán)境載荷作用下駁船的位置統(tǒng)計(jì)信息如表2所示。漂移半徑的時(shí)歷曲線如圖4和圖5所示。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，駁船在180°和0°的環(huán)境載荷作用下，均可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位，平均漂移半徑分別為0.533 3 m和0.573 4 m，最大漂移半徑均不超過1 m。雖然在180°和0°環(huán)境載荷作用下，駁船的艏搖運(yùn)動(dòng)和橫蕩運(yùn)動(dòng)都非常理想，但從數(shù)值上看，駁船在180°環(huán)境載荷下的艏搖和橫蕩運(yùn)動(dòng)要比在0°環(huán)境載荷下的運(yùn)動(dòng)小得多。這些差異將會(huì)影響動(dòng)力定位系統(tǒng)推進(jìn)器的功率消耗，待命就位狀態(tài)下，駁船各推進(jìn)器的功率消耗情況如表3所示。

表2 待命就位時(shí)域模擬的位置統(tǒng)計(jì)

綜合表2和表3可知，由于在180°環(huán)境載荷作用下時(shí)，駁船的艏搖和橫蕩運(yùn)動(dòng)幾乎為零，因此負(fù)責(zé)提供側(cè)向力和艏搖力矩的1、2和5號(hào)推進(jìn)器幾乎不工作，功率趨近于0；而在0°環(huán)境載荷下，1、2和5號(hào)推進(jìn)器仍會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的推力和轉(zhuǎn)矩以平衡駁船的艏搖和橫蕩運(yùn)動(dòng)?？傮w而言，駁船實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位所需的推力主要由兩個(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和兩個(gè)主推提供，駁船動(dòng)力定位系統(tǒng)在0°環(huán)境載荷下的功率消耗要稍大于180°環(huán)境載荷下的功率消耗。

圖4 180°環(huán)境載荷下時(shí)域模擬的偏移半徑

圖5 0°環(huán)境載荷下時(shí)域模擬的偏移半徑

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用自主編寫的動(dòng)力定位時(shí)域模擬程序，對(duì)某動(dòng)力定位浮托安裝船在180°和0°環(huán)境載荷作用下的待命就位工況進(jìn)行了時(shí)域模擬研究。結(jié)果表明，該動(dòng)力定位浮托安裝船能夠在180°和0°環(huán)境載荷作用下實(shí)現(xiàn)待命就位，主要推力由兩個(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和兩個(gè)主推提供，且在180°環(huán)境載荷作用下待命就位時(shí)，能避免駁船的推進(jìn)器倒車，取得更好的定位精度和較小的功率消耗，是最佳的待命就位方向。

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·名人名言·

大學(xué)的榮譽(yù),不在它的校舍與人數(shù);而在于它一代一代人的質(zhì)量。

——柯南特

Time Domain Simulation in Standby Stage of Float-overs Installation Executed by Dynamic Positioning System

XUNan1,QINLicheng1,WANGLei2

(1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China; 2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration(CISSE), Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Dynamic positioning assisted float-over installation can largely reduce the price of installation depending on the self-propelled barge and its strong load capacity, thus is widely used in industry. Standby is an important preparing period before the float-over installation begins. Based on the measured position and power consumption during this period, it can be decided whether the installation begins or not. In this paper, a time domain simulation program is developed to investigate the standby period of the float-over installation. The simulation results indicate that the float-over barge can be dynamicly positioned under 180°and 0° environmental loads, and thus give a reference to the practical operation.

dynamic positioning assisted ,float-over installation; standby; time domain simulation; model test

2016-05-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51179103)

許 南(1962-)，男，北京人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任海洋石油工程股份有限公司項(xiàng)目管理中心副總經(jīng)理，主要從事海洋工程科研管理及項(xiàng)目管理工作。

Tel.:022-59899008; E-mail:xunan@mail.cooec.com.cn

P 751

A

1006-7167(2017)03-0004-05