海纜船定位系統(tǒng)設(shè)計

毛建輝，尉志源

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

0 引 言

隨著信息互聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)以及海上風(fēng)電場建設(shè)、島嶼互聯(lián)建設(shè)的快速發(fā)展，作為海上光纜、電纜以及光電復(fù)合纜埋設(shè)及維修的專業(yè)工程船舶，海纜船具有廣闊的發(fā)展前景。

根據(jù)海纜船的作業(yè)特點，主要有運輸海纜、按預(yù)定路由埋設(shè)海纜、維修海纜等多種工況。當(dāng)海纜船進行敷設(shè)或埋設(shè)作業(yè)時，就需要沿預(yù)設(shè)路由進行[1]，此時要求船舶配置自動航跡跟蹤系統(tǒng)（DT），以使埋設(shè)線路精確、耗費海纜少、作業(yè)周期短。由于海纜埋設(shè)是個連續(xù)作業(yè)的過程，一條纜線的埋設(shè)往往需要幾天、十幾天，甚至幾十天，在這過程中風(fēng)浪流等海況條件變化復(fù)雜。為保證作業(yè)安全，要求船舶具有較強的定向埋設(shè)能力。

當(dāng)海纜船進行維修接續(xù)作業(yè)時，由于需要在海上進行制作要求極其嚴格的海纜接頭作業(yè)，而一次接頭作業(yè)往往需要一天或數(shù)天時間才能完成，在這過程中，為了防止纜線在水中纏繞或被拉扯，要求船舶保持在原位不動，并保持一定的首向角。因此，為保證海纜接續(xù)作業(yè)的順利進行，要求船舶具有較強的定點定位能力。

近年來，隨著船舶定位技術(shù)的不斷發(fā)展，為了適應(yīng)海纜作業(yè)的需要，新建海纜船已經(jīng)越來越多地采用了定位技術(shù)，定位能力已經(jīng)成為海纜船作業(yè)能力的重要體現(xiàn)。目前海纜船定位系統(tǒng)主要有動力定位和錨泊定和兩種形式。錨泊定位系統(tǒng)具有設(shè)備簡單，可靠性高，經(jīng)濟性好的特點，而動力定位系統(tǒng)則具有操縱靈活方便，作業(yè)效率高的特點，兩者在海纜船上都有廣泛應(yīng)用。

1 概 述

本文以某5 000t 海纜船為例，簡要介紹該船的定位系統(tǒng)設(shè)計。該船為1 艘非自航、方駁型海纜船，主要用于海上風(fēng)電場的海纜埋設(shè)、島嶼間互聯(lián)供電以及海纜維修接續(xù)等。船長約100 m，船寬約32 m，吃水約4.8 m。為充分保證海纜作業(yè)的安全，該船不僅配備了DP-1 動力定位系統(tǒng)，而且配備了8 點錨泊定位系統(tǒng)（見圖1）。

圖 1 錨泊定位和動力定位系統(tǒng)布置Fig. 1 Mooring positioning and dynamic positioning system layout

海纜船主要作業(yè)工況包括布纜工況和維修接續(xù)工況。在布纜作業(yè)時，船舶除受到風(fēng)、浪、流等外界環(huán)境力的作用[2]，也會受到埋設(shè)犁等附加拖曳力的影響。根據(jù)本船配備的水噴式埋設(shè)犁特性，在布纜作業(yè)工況下需考慮約150 kN 的平均拖曳力。由于該船需在島嶼間進行布纜作業(yè)，而島嶼間的水流速度一般較大。根據(jù)實際作業(yè)需要，考慮作業(yè)時的環(huán)境條件為：平均風(fēng)速13.8 m/s，有義波高1.5 m，流速3.0 kn（最大流速4 kn 時選擇有利首向角）。

2 環(huán)境力計算

根據(jù)對外界環(huán)境力的計算[3]，本船在平均風(fēng)速13.8 m/s，有義波高1.5 m，流速3.0 kn 時，船體所受的作用力如圖2～圖4 所示。

圖 2 風(fēng)速13.8 m/s 時的風(fēng)載荷Fig. 2 Wind load at rate of 13.8 m/s

圖 3 有義波高1.5 m 時的波浪載荷Fig. 3 Wave load at wave height of 1.5 m

圖 4 流速3 kn 時的流載荷Fig. 4 Curruent load at rate of 3 kn

由圖2 可知，在風(fēng)載荷、波浪載荷、流載荷中，流載荷是最大的，其次為風(fēng)載荷，波浪載荷最小。表1列出了最大的外界環(huán)境力。

表 1 外界環(huán)境力Tab. 1 External environmental forces

從表1 可知，由于船長方向的受流面積比較大，而船寬方向的受流面積較小，因此縱向流載荷遠小于橫向流載荷。

在我國沿海島嶼附近，如舟山地區(qū)，流載荷（即水流力）主要是由潮汐引起，沿島嶼岸線流動。當(dāng)在島嶼間進行海纜作業(yè)時，根據(jù)表1 所示，縱向流載荷遠小于橫向流載荷，如果船體縱向盡可能平行于島嶼岸線方向，就可以減少水流力對船體的影響，也就是埋設(shè)作業(yè)方向與水流方向垂直，即采用橫向作業(yè)方式，如圖5 所示。這也是有別于遠洋海纜船的一個特點，是近岸島嶼間作業(yè)特有的方式，可降低定位系統(tǒng)配置。

圖 5 海纜埋設(shè)作業(yè)方向示例Fig. 5 Example of laying direction of submarine cable

當(dāng)月球和太陽的引力相互增強時會對地球上的潮汐產(chǎn)生最大的作用力，這就導(dǎo)致了大潮汐，此時島嶼間的流速很大。而當(dāng)月球和太陽彼此處于直角位置時，就會產(chǎn)生小潮汐。每月農(nóng)歷初七、初八和廿二、廿三附近幾天，一般潮夕比較小，水流速度比較慢，非常適合進行海纜施工作業(yè)，是海纜作業(yè)最佳窗口期。此時海纜船可僅考慮埋設(shè)犁的拖曳力以及風(fēng)力和波浪力的影響。

在水流速度很小的最佳作業(yè)窗口期內(nèi)，為提高海纜埋設(shè)速度，本船專門設(shè)置了2 套牽引絞車系統(tǒng)（1 用1 備）。通過1 臺牽引絞車，以及1 艘輔助船在近旁輔助定位，就可以不使用定位系統(tǒng)，直接進行海纜埋設(shè)作業(yè)，可以大大加快埋設(shè)速度，節(jié)約能源消耗，這也是本船的一個亮點。

牽引絞車拉力由下式確定：

其中：F埋設(shè)犁拖曳力=150 kN，為埋設(shè)犁的拖曳力；F風(fēng)力=148 kN，為最大橫向風(fēng)力，由圖2 得到；F波浪力=22 kN，為最大橫向波浪力，由圖3 得到；K=1.3～1.4，為考慮土質(zhì)變化引起的埋設(shè)犁拖曳力的動態(tài)變化，以及風(fēng)力、波浪力等外界環(huán)境條件動態(tài)變化的拉力裕度。

因此，F(xiàn)絞車拉力=（F埋設(shè)犁拖曳力+F風(fēng)力+F波浪二階漂移力）×k=（150+148+22）×1.4=450 kN。

根據(jù)上述計算，本船設(shè)2 臺500 kN 的牽引絞車（1 用1 備），用于布纜時移船作業(yè)。

3 錨泊系統(tǒng)設(shè)計

3.1 錨泊定位系統(tǒng)配置

由于海纜埋設(shè)和接續(xù)是個連續(xù)作業(yè)的過程，往往需要幾天、十幾天，在這過程中風(fēng)浪流等海況條件變化復(fù)雜。為保證作業(yè)安全、可靠，本船設(shè)置8 點錨泊定位系統(tǒng)（位置見圖6），由8 臺500 kN 電驅(qū)變頻驅(qū)動的定位絞車、8 根1 500 m 的錨鏈和8 個大抓力錨組成，主要用于船舶定位和翻錨移船作業(yè)。

圖 6 8 點錨泊定位示意Fig. 6 8-point mooring positioning diagram

在主船體內(nèi)設(shè)置4 個錨絞車艙，每個絞車艙布置2 臺定位錨絞車，其中首部2 臺錨絞車兼作航行錨絞車用。每臺錨絞車由變頻電機驅(qū)動，并具有動態(tài)剎車和恒張力功能。在中央控制室內(nèi)設(shè)置有錨泊定位集中控制臺，可實現(xiàn)錨泊定位系統(tǒng)的監(jiān)控以及恒張力定點定位和移船等功能的自動控制。

3.2 錨泊定位能力計算

采用基于DNV 船級社的水動力分析軟件HydroD、頻域動態(tài)分析軟件Mimosa 和時域耦合分析軟件DeepC 研究在8 點錨泊定位系統(tǒng)作用下的定位能力和移船能力[4–6]。當(dāng)海況條件為平均風(fēng)速13.8 m/s，有義波高1.5 m，作業(yè)水深100 m，采用8 點錨泊定位設(shè)備進行移船布纜作業(yè)時，不同流速下的定位能力如圖7所示。在此工況下，除考慮外部環(huán)境力外，還需考慮埋設(shè)機150 kN 拖曳力的影響。而采用8 點錨泊定位設(shè)備進行定點維修海纜時，不同流速下的定位能力如圖8所示。在該工況下，流、浪、流等海況條件不變，但無埋設(shè)機拖曳力的影響，同時不考慮船體的移動。

由圖7 和圖8 可知：

圖 7 移船布纜作業(yè)工況錨泊定位系統(tǒng)的定位能力Fig. 7 Positioning capacity of anchoring positioning system under cable laying condition

圖 8 定點修纜作業(yè)工況錨泊定位系統(tǒng)的定位能力Fig. 8 Positioning capacity of anchoring positioning system under cable repairing condition

1）在移船布纜作業(yè)工況下，在2 kn 流速條件下錨泊定位系統(tǒng)可實現(xiàn)260°范圍的定位；在3 kn 流速條件下錨泊定位系統(tǒng)能實現(xiàn)100°范圍的定位（在此情況下，可以利用牽引絞車系統(tǒng)輔助，以提高其作業(yè)能力）。

2）在定點維修作業(yè)工況下，在3.5 kn 流速條件下錨泊定位系統(tǒng)能實現(xiàn)360°全浪向定位；在4 kn 流速條件下錨泊定位系統(tǒng)能實現(xiàn)200°范圍的定位，在5 kn流速條件下錨泊定位系統(tǒng)能實現(xiàn)100°范圍的定位。

由于在移船布纜作業(yè)工況下，需要考慮在8 點中必定有2 點需要輪換移動以實現(xiàn)船舶的移位，因此錨泊定位系統(tǒng)在定點作業(yè)工況的定位能力比移船布纜工況的能力強，加上錨泊定位在移船布纜工況的效率比較低，通常錨泊定位比較適合定點定位作業(yè)。

4 動力定位系統(tǒng)設(shè)計

4.1 動力定位能力計算

船舶動力定位系統(tǒng)要求推力器發(fā)出的推力能夠抵消風(fēng)浪流等外載荷的影響，使船體的位移和首向限制在一定的范圍內(nèi)。本文按IMCA（國際海事承包商協(xié)會，動力定位船舶操作和指南的實際制訂者）的建議，計算時將風(fēng)、浪、流置于同向，通過動力定位分析軟件，求解最優(yōu)推力分配，得到0°～360°范圍內(nèi)的抗風(fēng)能力曲線[7–10]。為了全面了解船舶動力定位系統(tǒng)能力，本文分別計算了3 kn，4 kn 流速下在布纜、接續(xù)工況下的動力定位能力。其中動力定位的推進器采用4 臺1800 kW 全回轉(zhuǎn)舵槳裝置（見圖9），每臺最大推力約275 kN。

1）布纜工況下的計算結(jié)果如圖10 和圖11 所示。

由圖可知，在布纜工況下，當(dāng)流速4 kn、有義波高1.5 m、平均風(fēng)速13.8 m/s 時，動力定位系統(tǒng)能實現(xiàn)290°的定位（在50°～120°范圍內(nèi)可通過牽引絞車系統(tǒng)提高船舶定位能力），當(dāng)風(fēng)浪條件不變，流速減小為3 kn 時，動力定位系統(tǒng)可實現(xiàn)全方位定位。這充分說明，流速對動力定位能力的影響比較大，這也是船東往往選擇在低流速下進行海纜作業(yè)的主要原因。

圖 9 動力定位計算的坐標系統(tǒng)和推進器布置圖Fig. 9 Coordinate system and propeller layout for dynamic positioning calculation

圖 10 布纜工況的抗風(fēng)能力（流速3 kn）Fig. 10 Wind resistance capacity under cable laying condition (rate of 3 kn)

圖 11 布纜工況的抗風(fēng)能力（流速4 kn）Fig. 11 Wind resistance capacity under cable laying condition (rate of 4 kn)

2）接續(xù)工況下的計算結(jié)果如圖12 和圖13 所示。

由圖可知，在海纜接續(xù)工況下，在流速3 kn 甚至4 kn、有義波高1.5 m、平均風(fēng)速13.8 m/s 時，動力定位系統(tǒng)均可實現(xiàn)全方位定位。

在布纜和接續(xù)作業(yè)工況下，本船的動力定位能力能夠滿足海纜作業(yè)的需要。而且，在布纜工況下動力定位系統(tǒng)與錨泊定位移船相比，具有作業(yè)效率高的優(yōu)點，因此在布纜工況，海纜船往往使用動力定位系統(tǒng)的情況比較多。

圖 12 接續(xù)工況的抗風(fēng)能力（流速4 kn）Fig. 12 Wind resistance capacity under cable repairing condition (rate of 4 kn)

圖 13 接續(xù)工況的抗風(fēng)能力（流速3 kn）Fig. 13 Wind resistance capacity under cable repairing condition (rate of 3 kn)

4.2 動力及推進系統(tǒng)選型比較

為滿足海纜船多種作業(yè)工況的需要，其推進系統(tǒng)主要有2 種形式，一是電力驅(qū)動[11]，二是常規(guī)柴油機驅(qū)動。

電力驅(qū)動是指推進器由電動機驅(qū)動，其他作業(yè)設(shè)備也多用電動機驅(qū)動，而整船則采用多臺柴油發(fā)電機組組成的綜合電站形式。這樣就可以根據(jù)各工況不同的推進功率以及其他用電負荷的需要，合理調(diào)配用電負荷，保證柴油發(fā)電機組在各種工況下均有較高的負荷率。此外，電機調(diào)速對螺旋槳負載響應(yīng)更直接，所以其動力定位的響應(yīng)速度比柴油機直接驅(qū)動更快。但該系統(tǒng)設(shè)備配置比較復(fù)雜，與常規(guī)推進相比增加了發(fā)電機、電動機、變壓器、變頻器及大功率輸配電設(shè)備，這些設(shè)備的成本會高于柴油機直接驅(qū)動的常規(guī)推進形式。此外，由于電力推進經(jīng)歷了機械能-電能-機械能的轉(zhuǎn)換，因此傳動效率低于常規(guī)柴油機驅(qū)動的推進形式。

表 2 兩種驅(qū)動方式比較Tab. 2 Comparison of two power driving modes

對于自航海纜船來說，如果采用電力驅(qū)動的動力方案，則船舶推進、動力定位、作業(yè)系統(tǒng)等都可以采用電力驅(qū)動，這樣就可以減小總裝機功率，提高柴油機利用率，降低能耗。此外機艙還可以根據(jù)總體布局需要進行靈活布置，有利于優(yōu)化海纜作業(yè)流程，提高作業(yè)效率。因此，自航海纜船普遍采用電力驅(qū)動的形式，機艙設(shè)置在首部，其內(nèi)布置的柴油發(fā)電機組作為船舶中心電站，通過變頻器驅(qū)動艏艉端的推進器。海纜作業(yè)設(shè)備則布置在尾部寬敞的主甲板上，有利于開展海纜埋設(shè)和維修接續(xù)作業(yè)。

對于非自航駁船型海纜船來說，還可以采用由柴油機直接驅(qū)動懸掛式全回轉(zhuǎn)舵槳作為動力定位推進器方案，如圖14 所示。該方案僅需在主甲板上安裝4 個標準20ft 集裝箱，其內(nèi)部集成了柴油機、轉(zhuǎn)舵液壓單元、高彈聯(lián)軸器、剛性傳動短軸、中間軸承、整套推進裝置的控制系統(tǒng)、必要的動力輔助附件等設(shè)備，僅推進器本體（集成離合器）和萬向軸為散供件。該系統(tǒng)主要特點是造價比電力驅(qū)動方案便宜，同時還具有系統(tǒng)高度集成化，設(shè)備簡單、可靠，布置緊湊，不影響海纜設(shè)備布置等優(yōu)點。整個方案還可分階段實施，主船體和動力定位系統(tǒng)分階段安裝，既適用于新船的建造，也適用于舊船增設(shè)動力定位系統(tǒng)改造。

圖 14 懸掛式舵槳方案Fig. 14 Scheme of suspended rudder propeller

該方案柴油機采用1 800 kW 的四沖程中速柴油機，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，這是國內(nèi)中速機首次采用模塊化安裝和系統(tǒng)集成，為今后類似船舶的加改裝提供了新的技術(shù)方案。全回轉(zhuǎn)舵槳為固定螺距帶導(dǎo)流罩形式，舵槳推進與柴油機之間通過彈性聯(lián)軸節(jié)連接。該方案可通過柴油機調(diào)速改變輸出功率，以及通過轉(zhuǎn)動全回轉(zhuǎn)舵槳使推進器發(fā)出的推力滿足動力定位的要求。其缺點是動力定位響應(yīng)時間受柴油機特性限制，響應(yīng)速度比電力驅(qū)動稍慢，但經(jīng)實船驗證，可以滿足實際海纜作業(yè)的動力定位需要。

柴油機集裝箱模塊對外接口主要包括動力管系接口、供電接口、控制接口等。動力管系中的燃油管系與主船體的燃油輸送管系共用，通過燃油輸送泵將輕柴油由燃油儲存艙駁至集裝箱內(nèi)的日用柜，以保證箱體內(nèi)柴油機的燃油供應(yīng)，日用柜的容量應(yīng)滿足柴油機滿負荷運行4 h 的要求。柴油機機帶燃油泵，從日用柜吸入燃油并回油至日用柜。動力管系中的冷卻管系與主船體的海水冷卻管系共用。設(shè)5 臺海水冷卻泵（4 用1 備），提供冷卻海水至箱體內(nèi)柴油機和其他輔助設(shè)備。動力管系中的壓縮空氣管系，由主船體的壓縮空氣系統(tǒng)提供氣源，集裝箱內(nèi)自帶起動空氣瓶，其容量滿足柴油機3 次起動所需。集裝箱內(nèi)的電源系統(tǒng)，由主船體的電網(wǎng)提供電源接口，供應(yīng)集裝箱內(nèi)柴油機及輔助設(shè)備的控制及動力設(shè)備用電。集裝箱內(nèi)的通訊系統(tǒng)，與主船體的動力定位控制系統(tǒng)及監(jiān)測報警系統(tǒng)進行通訊，傳遞控制信號、運行參數(shù)、報警信號等。

由于柴油機直接驅(qū)動懸掛式全回轉(zhuǎn)舵槳方案，具有設(shè)備簡單可靠，建造周期短、造價低的優(yōu)點，因此對于近海作業(yè)的非自航駁船型的海纜船是非常適合的。

4.3 動力定位的控制系統(tǒng)

本船采用動力定位DP-1 控制系統(tǒng)，主要由控制器單元、1 套DP 操縱站、以及便攜式Joystick 操縱面板等組成。通過控制器單元，動力定位系統(tǒng)能夠控制全船4 臺柴油機及4 套全回轉(zhuǎn)舵槳，接受并核實環(huán)境傳感器的信號、船位信號、運動參考系統(tǒng)信號、推進器速度控制反饋信號，對所需功率進行實時計算，以確保動力定位系統(tǒng)能夠可靠運行[12]。該系統(tǒng)具有自動艏向模式、自動定位模式、自動航跡模式、目標跟隨模式等多種作業(yè)模式，可以完全滿足海纜作業(yè)所需的按預(yù)設(shè)路由埋設(shè)、維修海纜的需要。

5 結(jié) 語

目前該海纜船2018 年10 月投產(chǎn)后，在世界首條舟山500 kV 交聯(lián)聚乙烯海纜敷設(shè)工程中作為主施工船首次投入使用。實船證明，本船的定位系統(tǒng)能夠很好的滿足海纜作業(yè)需要。

通過對某海纜船定位系統(tǒng)設(shè)計的介紹，可以得出如下結(jié)論：

1）應(yīng)根據(jù)實際作業(yè)需求、造價預(yù)算、工程周期，選擇合理可行的定位系統(tǒng)形式。

2）不同的定位形式適應(yīng)不同的作業(yè)需要，如牽引絞車系統(tǒng)適合海況條件良好時的海纜埋設(shè)作業(yè)，動力定位系統(tǒng)適合一般海況條件下的海纜埋設(shè)作業(yè)，錨泊定位系統(tǒng)適合海纜維修接續(xù)作業(yè)以及惡劣海況條件下的待機自存。

3）本船采用的柴油機直接驅(qū)動懸掛式全回轉(zhuǎn)舵槳的動力定位方案，為海洋工程作業(yè)船增加動力定位系統(tǒng)的改造提供了新的解決方案。

此外，在實際使用過程中仍有幾點意見和建議供參考。

1）本船采用柴油機驅(qū)動的懸掛式全回轉(zhuǎn)舵槳作為動力定位推進器方案，需要重點研究動力定位的控制策略，如何通過柴油機調(diào)速改變輸出功率，以及通過轉(zhuǎn)動全回轉(zhuǎn)舵槳使推進器發(fā)出的推力滿足動力定位的要求，使柴油機功率利用更合理。

2）本船動力定位等級雖然初始設(shè)計為DP-1 級，但由于4 套柴油機和推進器完全相互獨立，因此可根據(jù)需要進一步升級為DP-2 動力定位系統(tǒng)。

3）本船動力定位系統(tǒng)、錨泊定位系統(tǒng)以及牽引絞車系統(tǒng)都是相對獨立的系統(tǒng)，能否將不同系統(tǒng)結(jié)合在一起，以進一步提高定位系統(tǒng)的能力和可靠性，值得下一步深入開展研究。