深水半潜式钻井平台动力定位系统研究与设计

【摘 要】文章通过传感器采集钻井平台周围风浪海流等环境外载荷，把采集数据送入信息处理及控制系统，信息处理及控制系统对采集数据进行分析处理，获取外力合力的大小，并给执行系统发送指令。执行系统中的电机按照指令中的转速和方向带动螺旋桨转动，产生推力，抵消平台环境外载荷的推力，使平台静止。若钻井平台发生了移位，GPS卫星定位系统发现移位并把位移数据传给信息处理及控制系统，信息处理及控制系统根据坐标计算出移位距离及方向，给执行系统发送指令，执行系统中的电机带动螺旋桨产生推力使平台回到原位。

【关键词】半潜式钻井平台；推力系统；信息处理；动力定位

1 动力定位系统的发展及应用

关于深水半潜式钻井动力定位的研究，国际上已经相当的成熟，我国还正处于初步发展阶段，我国重点发展海洋战略，该研究对于海洋研究以及资源开发有很大的影响，是国家重点发展的行业。动力定位系统目前主要应用于海洋石油平台的定位、管道或线缆铺设及维修、海底钻探和取芯、海上吊装安装、海洋调查科考、海上消防及救助、挖泥船作业，游轮以及其他需要海上定位作业的多用途船等。

2 动力定位的工作原理及实现

动力定位系统可以分成平台未发生移动和平台已经发生移动两种情况来考虑：

1）平台未发生移动但考虑到风载荷、水流载荷和波浪漂移力，利用风速风向传感器和压力传感器获取作用在平台上的外力的大小及方向，使之变成电信号传输给处理系统。由处理系统向执行系统（电机和螺旋桨组成）发出执行命令，电机带动螺旋桨按照执行命令按照一定的方向及转速转动，抵消加在平台上的外力，使平台保持不移动状态。

2）考虑若平台发生了移动，利用GPS卫星定位系统，计算平台的偏移量，把偏移量传送给处理系统，由处理系统向执行系统（电机和螺旋桨组成）发出执行命令，电机带动螺旋桨按照执行命令按照一定的方向及转速转动，使平台回到原来的坐标。

3 半潜钻井平台环境外载荷采集

深水半潜式钻井平台受到的外载荷主要有：风载荷、洋流载荷和海浪载荷。对于每一种载荷，都可以通过相关传感器，测得相应的力的大小，根据受力面积计算出数据，建立起模型，计算其在平台海洋状况下所需要承受到的风浪外部扰动作用力。把相关数据送给中央处理器，使之给执行系统发送相关指令，客服外力在平台上的作用。

3.1 风载荷对平台受力数据采集

风载荷对平台受力数据可以通过风向风速传感器获得。风向风速传感器要实现最准确的反应出风力的大小，首先，要保证准确的指向风吹的方向。使用风向标和角度传感器就可以满足这一需求。其次，要准确的测出风力的大小，利用三环风轮和转速传感器就可以实现。2CW35风向风速传感器可以满足上述要求，准确采集瞬时风速和风向。图2为2CW35风向风速传感器的结构图。通过风向标、三杯风速仪、角度传感器和转速传感器分别测得瞬时风向和风力。这种机械式风向风速传感器造价低、易维护，目前在测量风向风速中仍在广泛应用。

3.2 海浪洋流载荷对平台受力数据采集

海浪洋流载荷对平台受力数据可以通过压力传感器获得。利用压力传感器采集外力作用在平台上的力的大小，为了解决受力方向问题，在平台的四周水面以下平均布置16个这样的压力传感器，每个传感器的角度为22.5度，这样当不同方向的海浪洋流对平台受力都能使用不同的压力传感器检测到，这样当平台受到任何方向的力的作用都可以传送到中央处理器，中央处理器根据受力情况给执行系统发送运行指令。安装时可选用ANYLOAD水压力传感器，该传感器灵敏度高，接线方便，便于使用和安装。

4 中央处理及控制系统

中央处理及控制系统主要完成对各种传感器传输过来的数据进行分析，判断出整个平台受力的大小和方向，并向执行系统中的电机发送运转指令。

中央处理系统采用的是DP-3操纵系统，DP-3操纵系统是国际海事组织和各大船级社对具有DP-3附加标志的动力定位系统的规范要求设计并搭建了DP一级动力定位操纵系统。操纵计算机组作为动力定位系统的计算中心，实时性要求很高，采用基于优先级抢占的多任务调度实时操作系统Vxworks，每台机器须在每一个操纵节拍内接收来自所有传感器的数据，对数据进行信号处理、滤波估计以获得最优的操纵输入，该系统可以结合外界环境的影响以及操作人员的操作指令计算出当前抵抗外界作用在平台上的力而需要的相反力和力矩，通过推力分配系统将相反力与力矩分配给各个推进器，推进器接收到指令后，按照指令做出相应方向的转动。

5 执行系统

执行系统是动力定位系统其中的一个重要组成部分，用于产生使海洋平台保持静止的力和力矩，抗衡作用于平台上的干扰力和干扰力矩。当执行系统接收到中央处理系统发送的指令后，由多个电机带动多个方位推进器按照指令中的方向和转速运转。方位推进器是一个可以改变螺旋桨轴在水平面内方位的推进器。一般是带有导管的导管螺桨。螺旋桨就是可调螺距的。

6 GPS卫星定位系统

在平台发生移动的时候，GPS能精确的测量出发生移动的方位以及距离，将收集到的数据传送至中央处理器。中央处理器向执行系统发出相应的指令，使平台准确的回到原来的位置。钻井平台最经常使用的导航系统是美国的Navstar GPS系统，它覆盖（下转第164页）（上接第212页）面积能够到达全球。精确度高，平台产生微小的位移，GPS系统都能够发现，并能把最新的接收端坐标传送给接收端。中央处理器可以根据不同的坐标值计算出偏移量，向执行系统发出相应的指令，使平台准确的回到原来的位置。

【参考文献】

[1]孙丽萍.深水半潜式钻井平台DP3动力定位能力分析[D].北京：中国测试技术，2012.

[2]窦培林.深水半潜式钻井平台DP3动力定位系统应用[D].山东：山东交通大学，2015.