深水半潜式钻井平台DP3动力定位系统设计和应用

摘要：针对某深水半潜式钻井平台项目，对DP3动力定位系统的设计和应用进行了介绍，并对平台的动力定位系统分析。

关键词：深水半潜式；DP3动力定位；系统设计；应用

中图分类号： S611 文献标识码： A

引言：

由中海油海洋石油工程股份有限公司全额投资，江苏熔盛重工建造的“海洋石油201”，它是世界上第一艘同时具备3000米级深水铺管能力、4000吨级重型起重能力和DP3级全电力推进的动力定位，并具备自航能力的深水工程作业船，能在除北极外的全球无限航区作业，集成创新了多项世界顶级装备技术，船舶的详细设计建造在国内自主完成，其总体技术水平和综合作业能力在世界同类工程船舶中处于领先地位，代表了国际海洋工程装备制造的最高水平。

一、DP3动力定位系统

动力定位系统是根据位置参照系统测得的平台位置信息和DP传感器系统测得环境信息，经滤波后得到平台位置和舶向的估算值，并建立相应的数学模型，根据数学模型计算出平台的实际位置和舶向以及平台的运动速度，将数据导入DP控制器并与设定值进行比较生成控制指令，控制指令通过控制系统分配到对应的推进器，通过改变推进器的运转方向、转速或叶片的转矩，使平台保持在设定的位置上或沿设定的轨迹运动。动力定位系统的组成动力定位系统包括3 个分系统：动力系统、推力器系统和动力定位控制系统。动力系统动力系统一般来说是给整个动力定位系统提供电力的。动力定位控制系统执行的功能可总结如下：

（1） 给出推力器的控制指令。

（2） 测量船舶的船位、艏向等船舶状态。

（3） 测量风向、风力等环境条件。

（4） 接收各种操纵指令的人工输入。

（5） 动力定位系统的故障检测及报警。

（6） 动力定位系统工作状态的显示。

动力定位系统是一个庞大而复杂的集成性闭环的控制系统，主要由测量系统、控制系统、动力系统和推力系统四大子系统组成，其功能是不借助锚泊系统的作用，而通过测量系统不断检测出船舶/平台的实际位置与目标位置的偏差，再根据风、浪、流等外界扰动力的影响计算出使船舶恢复到目标位置所需推力的大小，并对各推力器进行推力分配，使各推力器产生相应的推力，从而使船/平台尽可能地保持在海平面上要求的位置上。动力定位能力，是指在给定的环境条件下一座动力定位平台保持位置的能力。

二、半潜式钻井平台的定位方式

半潜式平台的定位方式主要有两种：锚泊定位、动力定位。锚泊定位是利用锚抓住海底来抵抗外界环境对钻井平台的影响，它具有不需要动力，不需要额外加装定位设备，结构简单可靠等优点。在水深较浅的情况下能够满足钻井作业要求。但是随着水深的增加，特别在水深大于1000米时，锚泊系统无论从经济还是安全的角度考虑已经不能满足作业的要求。布锚作业随着水深的增加而更加困难，锚的抓地力随水深增加而减小，锚链的长度、强度和重量随水深增加而急剧增加，锚泊系统的造价和安装费用猛增，在有复杂海底电缆和管线的海域，布锚作业难度增大。

如果采用动力定位的话上面的这些问题就不存在了，动力定位的优点是：对水深不敏感，理论上可在任意水深下工作并且不增加成本；可以在锚泊操作困难的海域进行定位作业，例如有复杂的海底管线和电缆的海域，极深的海域，海底土质不适合抛锚的海域等；动力定位平台机动性能好，投入、撤离快速，定位精度高，利用自身动力定位而不需要外部设备。其缺点是：必须设计足够的推力装置来抵抗该外界环境的干扰，或者在原有动力系统的基础上加装辅助推进器和调节机构，并且需要大容量的电站系统来提供动力保证，因而增加了造价；同时日常的运行也需要消耗大量的燃料，使用成本高；在极端天气、浅水区和强潮汐下可能不能定位；位置控制依赖操作人员和设备，无论是操作员的疏忽还是设备故障都可能使平台失去定位；设备多且相对复杂，需要更多的人员来维护；推进器对潜水员和水下机器人构成威胁；在失去控制的情况下将会损坏与之相连的海底重要设备，造成严重后果。动力定位系统也可以与平台上的锚泊系统配合，在浅水或中浅水深的海域钻井作业时，使用锚泊来补充动力定位，从而实现能源消耗最少，这样既能减少作业成本又能有利于环境，因此被广泛的采用在深水的钻井船上。

三、动力定位系统的功能

(一)定点控制。船舶控制的指令为大地坐标系上的一点。水面船舶的定点控制包括纵荡、横荡和舷摇三个自由度的定位控制，控制器通过计算发出指令控制推力器，使船舶在各自由度上保持在设定点附近。主要用于海上钻井、勘探、采油和测量等作业。

(二)航迹控制。船舶在一些复杂作业或航行过程中，往往需要沿着一条预定轨迹前进。典型的应用如海洋考察的区域目标搜索。操作员在操作站上给定轨迹及速度指令，动力定位系统将控制船舶沿预定的轨迹前进，直到终点，在此过程中允许控制系统根据航行过程中的海洋环境的变化自行调整舶向。

(三)循迹控制。循迹控制的功能与航迹控制的功能类似，其主要差别在于在寻迹控制时，动力定位系统控制船舶沿预定的路线前进时，必须保持船舶的舷向与预定轨迹的航迹方向一致，不允许自行调整船舶的舷向。典型的应用如海底石油管线的铺设和检修。

(四)跟踪控制。主要用于自动跟踪目标，让受控船只与目标保持固定的空间位置关系。一般用于母船跟踪ROV，能时刻跟踪作业潜水器的运动。

四、深水半潜式钻井平台动力定位系统的设计

（一）主发电机系统

半潜式钻井平台配置8台中压主柴油发电机组，5530 kw/台，每2台主发电机布置于一个机舱，机舱之问采用A60防火分隔，以保证一个主发电机问失火情况下不会影响平台白动保持船位和舶向的功能。每台主柴油发电机配置独立的燃油输送泵和燃油柴油舱，用于发电机的燃油供给，其相应的管路布置在独立的舱室内并进行A60级防火分隔。4台主机海水冷却水泵分别布置在平台的4个角落，分别对应4个主发电机问为4套主机冷却器进行海水供给，其管线完全独立布置，不穿越同一舱室，失去任何一台不会影响发电机系统的正常工作。另外，每个主发电机问分别配备了独立的淡水冷却系统，为布置于该主发电机舱的两台主发电机进行淡水冷却，该了系统相应的管线完全布置在各自的机械处所，并与其他处所采用A60级防火绝缘材料进行防火分隔。

根据平台动力定位分析报告，平台中失去任意两台对角布置的推进器的情况下，在恶劣海况下仍满足定位要求。其实际含义即任意一个机舱在失火或其他原因失效时，不会影响到平台的定位功能，因此主发电机的布置按照每个机舱的两台发电机分别对应对角的两台推进器进行设计，其具体分配和对应关系见2. 3部分内容。即主发电机系统(包括主发电机冷却水系统、燃油系统、空气系统等了系统)的设计方案无论是在系统冗余还是设备冗余上都满足DP3动力定位设计的要求。

（二）动力定位控制系统

在“海洋石油981”深水半潜式钻井平台DP3设计中，要求定位系统能确保平台在23. 15 m/ s的风速下正常作业，在56. 07 m/ s(18级以上超强台风)的风速下生存，能抵御200年一遇的台风。根据表2中DP3动力定位系统的布置和设置要求，“海洋石油981”深水半潜式钻井平台设计了具有DP3冗余度的主DP控制系统和无冗余的备用DP控制系统，并设置一套单手柄操作系统。主DP控制系统收集所有的传感器信息并进行处理作为推进器控制命令输出的依据，与主DP控制系统相关的辅助系统应布置在中控室或邻近的电气设备问，并且每一个控制台和控制站配置独立的不问断电源用于应急操作。备用DP系统使用单独的传感器系统和不问断电源进行工作，其相关系统布置在备用DP控制问或集控室，并与主控制DP问或中空问采用A60绝缘材料进行防火分隔。主DP系统控制器和备用DP系统控制器通过网络连接可以相互进行表决和命令。单手柄操作系统与推进器、风速风向仪、浪流测量仪、电罗经以及卫星定位系统均有接口连接。当主DP系统和备用DP系统出现故障时，操作者可以通过手动操作系统来完成平台的定位工作。DP控制网络电缆按照DP3动力定位要求采用分层敷设的方案，主DP控制系统主干电缆布置于中问甲板层，备用DP控制系统的主干电缆布置于Tank-Top层，因此不会产生交义敷设和穿越同一区域的现象，满足DP3分隔要求。

五、结束语

由于动力定位控制系统采用计算机控制技术和数字模拟技术，造价成本也比传统的锚泊定位系统昂贵。动力定位系统已经广泛应用于海洋作业船、海洋科考船、深海半潜式钻井平台以及为钻井平台服务的穿梭油轮、储油加工等船舶。有效地控制空船重量和保证甲板可变载荷、提高平台的作业性能和运动性能将是DP3动力定位系统设计研究的重点工作，要不断的提高。

参考文献：

[1]盛利. 深水半潜式钻井平台动力定位系统的研究[D].华南理工大学,2012.

[2]张峰. 深水半潜式钻井平台锚泊辅助动力定位系统失效模式影响研究[D].上海交通大学,2013.