深水半潜式钻井平台一阶运动对动力定位控制精度的影响

闫 芳，王 磊，李勇跃

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

深水半潜式钻井平台一阶运动对动力定位控制精度的影响

闫 芳，王 磊，李勇跃

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

旨在研究装有动力定位系统的深水半潜式钻井平台中通常被设计过程忽略的海洋结构物一阶运动对动力定位控制精度的影响情况。首先分别计算得到半潜平台的一阶运动响应和动力定位平台的运动响应，叠加得到考虑一阶运动时的动力定位运动统计值。最后，通过对比考虑和不考虑一阶运动两种情况下平台的动力定位控制精度，验证一阶运动对动力定位控制精度的影响，为工程设计提供参考，建议平台设计和分析过程中应考虑由一阶运动造成的精度冗余。

动力定位;控制精度;一阶运动;深水半潜平台

动力定位系统可以实现定点控位、水下目标跟踪与自动循迹航行等［1-4］。由于深海工程作业的复杂性，为了保证作业的安全和稳定，工程项目对动力定位的精度要求较高。因此，动力定位控制精度的研究在工程中是十分重要的问题。

装有动力定位系统的船舶或海洋平台(以下称作浮体)在海上的运动受到风、浪、流和推力器等共同作用，导致浮体的运动形式分为高频(波频)和低频运动。由于由一阶波浪力引起高频运动仅仅表现为周期性的震荡而不会导致平均位置的改变，在动力定位中为了避免不必要的能量消耗以及推力器的磨损，系统从测得的综合位置信息中滤去高频成分，除去噪声，仅分离出低频信号来加以控制［5-7］。因此，实际作业中高频往复的一阶运动的存在使得动力定位存在瞬时的定位误差。同时，数值计算中一般考虑到低频运动为大幅的水平慢漂运动，一阶运动被看做是在低频运动的基础上做的微幅振动，即一阶运动的平均位置为低频的运动位置，也通常将其做忽略处理［8］。

以某深水半潜式钻井平台为例，对其进行动力定位时域模拟以及一阶运动计算。比较不考虑一阶运动和考虑一阶运动两种情况下平台的动力定位控制精度，验证和分析一阶运动对动力定位的影响。

1 研究对象介绍

1.1 深水半潜式钻井平台计算模型

某深水半潜式钻井平台设计水深为3 000 m，主要组成部件包括:下浮体2个、柱形连接构件2个、立柱4根、主甲板、箱形甲板、居住舱楼、井架台、井架、起重机、直升机平台等。平台主要尺度见表1所示。

表1 平台主要参数Tab.1 Main parameters of the semi-submersible platform

1.2 推力器模型

平台动力定位系统中的推力器采用8个较为常见的方位推进器，推进器直径为3.6 m，功率均为4 600 kW。推进器对称布置，如图1所示，其中示①～⑧为八个螺旋桨的基本位置，各桨与Y轴距离均为46.4 m，内侧和外侧桨与X轴距离分别为23.8 m和34.8 m。

2 不考虑一阶运动的平台动力定位控制精度

2.1 动力定位时域模拟方法

动力定位时域模拟又称为动态模拟，是对在动力定位控制下的浮体的真实运动进行实时模拟，同时可以获得动力定位精度、功率消耗等许多有价值的信息。计算流程如图2所示。主要模块包括风浪流环境力的计算模型，控制系统模型，推力产生模型以及平台运动方程。其中环境载荷与平台位置和运动状况有关，需要根据平台运动信息的反馈进行计算。控制系统也需要平台位置和运动信息的实时反馈以及风力前馈，以此计算出推力指令，推力系统则根据推力指令并结合推力器的特性模拟推力实时产生。环境力和推力提供了平台运动的外力，通过求解平台运动方程便可得到运动状态的时历［9-12］。

图1 推力器分布图和计算坐标系统Fig.1 Layout of thrusters and coordinate system for computation

图2 半潜式平台动力定位运动模拟模型Fig.2 Model of motion simulation for DP semi-submersible platform

这里仅给出半潜式平台在外力作用下的低频运动方程:

式中:u，v，w 为线位移速度;p，q，r为角位移速度;m 为平台质量，包含流体附加质量;Ixx，Iyy，Izz，Izx为质量惯性矩，也包括附加质量部分;X，Y，Z分别为x、y和z方向的外力;K，M，N分别为x、y和z方向的环境力矩。这里的附加质量为低频运动下的附加质量，与运动的频率无关，由水下的几何形状决定［13］。

2.2 时域模拟结果

采用MARIN开发的半潜式平台动力定位运动的模拟系统DPSEMI将深水半潜式钻井平台在半潜式平台四种不同环境条件下进行时域模拟。平台主要尺度见表1，本次计算中选取的工况为风浪流同向的正常作业情况，计算工作水深为1 000 m，坐标系如图1所示，计算工况见表2。

不考虑平台一阶运动的动力定位时域模拟结果见图3。统计结果如表3所示。

表2 计算工况Tab.2 The calculation cases and environmental condition

表3 动力定位系统控制精度Tab.3 DP control accuracy

图3 动力定位时域模拟结果Fig.3 Time domain simulation results

表3中偏移数据指的是平台偏离初始位置的水平方向的距离。为了满足平台的作业要求，在钻井作业情况下，应当控制平台的偏移。偏移的允许范围主要取决于水深、环境和隔水管系统等因素。对于该平台，钻井立管井口或顶端连接处的允许弯曲角度决定平台的允许偏移大小。一般来说，该角度保持在2°范围内是趋于安全的［14］。因此对于工作水深为1 000 m的平台，定位范围为一个半径约为34.92 m的圆形区域。

由于平台结构的原因，使得风浪流作用在平台侧向(即90°风浪流)时产生的干扰力非常大，并且推力器布置的因素导致禁止角和推力分配方式对该角度不利，因此，工况IV中的90°的风浪流作用在平台上时，平台偏移较大，但仍能满足定位要求。

3 考虑一阶运动的平台动力定位控制精度

一般认为海上大型浮体的运动分为一阶微幅运动和二阶低频大幅水平运动，并且两者互不干扰［8］。本次计算中平台一阶运动的考虑通过计算其一阶运动响应谱得到各个工况下的一阶运动幅值统计值，并叠加到相应工况的动力定位时域模拟统计结果中。

3.1 一阶运动计算方法

在三维势流理论下，对平台进行数值计算，得的平台在各频率和浪向下的一阶运动响应函数(RAO)。波浪谱采用γ=2的Jonswap谱。从而根据关系式得到吃水为19 m的该半潜式钻井平台在水深为1 000 m时的一阶运动响应谱:

式中:Sx(ω)为平台运动响应谱;Sζ(ω)为波浪谱。

对得到的响应谱做相应处理，即可得到平台一阶运动的均值和可能最大值:

平均运动幅值:

有义运动幅值:

最大值与有义值的关系:

式中:m0为响应谱的零阶矩;N为海况持续3 h响应振动次数;Tz为跨零周期［15］。

图4 平台面源模型Fig.4 Panel model of the platform

3.2 一阶运动的计算结果

计算模型如图4所示，其中甲板及以上建筑均采用质量点的形式加到模型中。

得到的平台横荡和纵荡响应谱及幅值统计数据见图5和表4。

图5 平台一阶运动响应谱Fig.5 First order motion response spectrum

表4 一阶运动响应统计特征Tab.4 Statistics character of first-order motion

3.3 考虑一阶运动的动力定位平台运动

将被过滤掉的一阶运动幅值的平均值和可能最大值分别与动力定位时域模拟下的平台运动的相应统计数据叠加，获得整体的平台运动响应如表5所示。

表5 考虑一阶运动的动力定位系统控制精度Tab.5 DP accuracy considering first-order motion

4 计算结果分析

图6为考虑了一阶运动和未考虑一阶运动的平台动力定位控制精度的对比结果。

图6 考虑和未考虑一阶运动平台动力定位控制精度对比Fig.6 Comparison of dynamic positioning accuracy

从图6对比结果中可以获知，一阶运动对平均位置的影响很小。但与考虑一阶运动的整体运动的最大值相比，被过滤掉的平台一阶运动最大幅值的影响是明显的，尤其对于动力定位时域模拟中定位精度较高的的工况Ⅰ中，可达到21%。因此即便一阶运动具有周期往复的特点，但是从短期来看，一阶运动给动力定位带来很大的瞬时偏移，即存在定位误差。

半潜式钻井平台定位精度与钻井作业是否能够安全展开有必然联系，如若设定的定位精度与平台作业要求位置范围的冗余度低于平台一阶运动幅值，会因为一阶运动的存在而很可能导致瞬时偏移超过定位要求，给平台作业带来安全隐患。如工况IV，在不考虑一阶运动的情况下动力定位时域模拟结果显示平台偏移满足作业要求，而当考虑一阶运动时，平台最大偏移值已更加接近了允许的定位范围(34.92 m)。因此，为安全起见，建议工程中在考虑定位精度之时，应为浮体的一阶运动预留一部分精度冗余。

5 结语

以某一深水半潜式钻井平台为例，对其进行动力定位时域模拟以及一阶运动计算，比较不考虑一阶运动和考虑一阶运动两种情况下平台的动力定位控制精度。由模拟结果可见，一阶运动带来的定位误差对定为能力分析的影响是很值得考虑的，设计人员在做动力定位时域模拟和能力分析时候应将一阶运动影响作适当补充，使其分析更符合实际情况。

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Influence of the first-order motion of deepwater semi-submersible platform on dynamic positioning precision

YAN Fang，WANG Lei，LI Yong-yue
(State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

High frequency motion is always ignored in dynamic positioning operation and relevant calculation.This paper pays attention to the effect of first-order response on dynamic positioning accuracy via a deep water semi-submersible drilling platform.The numerical model is calculated in both time domain simulations considering low frequency part only and considering that combined with first-order motion.Then the statistic motion results，with and without first-order response，are analyzed and some conclusions are obtained to confirm this effect is worthy of consideration.

dynamic positioning;positioning accuracy;first-order response;deepwater semi-subnersible platform

P751

A

1005-9865(2012)04-0131-06

2011-11-28

工信部高技术船舶科研项目“深海半潜式钻井平台工程开发”

闫 芳(1988－)，女，黑龙江大庆人，硕士生，主要从事动力定位研究。E-mail:yanfang310@163.com

王 磊