王 歡

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系，江蘇南通 226010）

隨著人類對海洋的探究，海上石油開采的范圍已經(jīng)從最初的十幾米水深，發(fā)展到現(xiàn)如今千米以下的海底。經(jīng)過多年的發(fā)展，海上石油設(shè)施的定位基本形成兩種形式——固定式和可移動(dòng)式。固定式設(shè)施主要是通過導(dǎo)管架固定在海床上的各種平臺(tái)。一般先建造導(dǎo)管架，然后把導(dǎo)管架運(yùn)輸?shù)接吞?，固定在海床上，最后再把在岸上建造好的平臺(tái)運(yùn)到油田，固定在導(dǎo)管架上；可移動(dòng)式設(shè)施如：鉆探船（Drill Ship）、半潛式石油平臺(tái)（Semisubmersible Platform）、張力式石油平臺(tái)（TLP）等［1］?？梢苿?dòng)式的平臺(tái)在岸上建造，然后拖航或自航到海上油田，完成任務(wù)后可以方便地移動(dòng)位置。

目前，隨著石油開采由淺海向深海的轉(zhuǎn)移，海洋工程船舶的系泊方式由簡單的錨鏈系泊轉(zhuǎn)變?yōu)樯詈吸c(diǎn)系泊和動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)（DP）。石油平臺(tái)的海上安裝領(lǐng)域得到了發(fā)展，那就是DP動(dòng)態(tài)定位安裝。DP安裝作業(yè)輕松、快捷，具有駁船加拖輪組合無可比擬的優(yōu)越性。在鉆井平臺(tái)的安裝中，其魅力得到了完美的展示。

1 動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)簡介

動(dòng)態(tài)定位（Dynamic Positioning）是指船舶在海上，不需拋錨或系泊，利用計(jì)算機(jī)采集來的環(huán)境參數(shù)（風(fēng)、流、浪），根據(jù)位置參照系統(tǒng)提供的位置，自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，控制各推進(jìn)器的推力大小和方向，使船舶保持艏向和船位。［2］

動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)由船位檢測器、顯示儀、電子計(jì)算機(jī)控制機(jī)構(gòu)和推進(jìn)器等部件組成。［4］采用動(dòng)態(tài)定位的海上浮動(dòng)裝置，在海上鉆探作業(yè)時(shí)不需要拋錨，這不僅減少了復(fù)雜的拋錨工序，而且工作的水深亦不受錨系長度的限制，甚至可以在水深大于1000m以上的深度進(jìn)行工作。一個(gè)好的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)應(yīng)在船舶經(jīng)受風(fēng)浪和流負(fù)荷下能保持船舶或鉆井平臺(tái)的位置和航向，并使推進(jìn)裝置的油耗和損耗最小。對于排水量超萬噸的船舶，要達(dá)到這樣高的定位精度，就是依靠各種高精度、高速度的傳感器和數(shù)據(jù)采集器以及處理系統(tǒng)，和反應(yīng)快、效率高、操縱靈活的推進(jìn)設(shè)備。目前最先進(jìn)的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)可以在中等海況下（Moderate sea conditions），取得1英尺的動(dòng)態(tài)定位精度。也就是說船舶處于穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)定位情況下，其船位前后左右的移動(dòng)范圍控制在1英尺以內(nèi)。

2 某深海鉆井平臺(tái)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)的應(yīng)用

2．1 DP系統(tǒng)的組成及輔助系統(tǒng)

常用的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)的附加標(biāo)志為DP－1、DP－2、DP－3三種，其中DP－1的級別最低，DP－3的級別最高［3］。世界首艘圓筒型鉆井平臺(tái)承建單位中遠(yuǎn)船務(wù)（南通）股份有限公司，動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)的附加標(biāo)志為DP－3，是動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)中要求最為嚴(yán)格的。DP－3系統(tǒng)是指一艙失火或進(jìn)水情況下，自動(dòng)保持船位和艏向。［5］DP－3系統(tǒng)要求最高，它的主DP系統(tǒng)和備用DP系統(tǒng)需要A60分隔，即各自系統(tǒng)的電纜、設(shè)備需要物理隔開并達(dá)到防火等級A60級別。兩套系統(tǒng)均可以正?？刂苿?dòng)態(tài)系統(tǒng)，通常使用主DP系統(tǒng)，應(yīng)急情況下使用備用DP系統(tǒng)。

此深海鉆井平臺(tái)的DP－3系統(tǒng)主要檢測和控制系統(tǒng)是由康斯伯格（Kongsberg）提供，輔助動(dòng)力及推進(jìn)系統(tǒng)是由西門子（Siemens）提供，其主要組成和輔助系統(tǒng)有3部分。

2．1．1 動(dòng)力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)

此深海鉆井平臺(tái)的動(dòng)力來源于發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的功率為5500KW，電壓為11KV。高壓配電盤與發(fā)電機(jī)之間的電纜用12／20KV高壓電纜（3根1×240mm2）連接；由高壓配電盤到高壓變壓器（11KV／2．2KV），之間用12／20KV 高壓電纜（4根3×185mm2）連接；最后經(jīng)過高壓變頻器到推進(jìn)器馬達(dá)，推進(jìn)器馬達(dá)功率為3800KW。全船4個(gè)機(jī)艙，其中機(jī)艙1和機(jī)艙4是防火等級達(dá)到A60標(biāo)準(zhǔn)的艙室，它們與機(jī)艙2和機(jī)艙3互為應(yīng)急，各自發(fā)電機(jī)互為應(yīng)急發(fā)電機(jī)。4個(gè)機(jī)艙共有8臺(tái)發(fā)電機(jī)，它們與8臺(tái)推進(jìn)器一一對應(yīng)。

在通常情況下，8臺(tái)推進(jìn)器中的每一臺(tái)都需要全負(fù)荷運(yùn)行，在經(jīng)歷大的風(fēng)浪時(shí)，與風(fēng)浪相反方向的推進(jìn)器產(chǎn)生反作用力來抵消風(fēng)浪的作用力，以達(dá)到力的平衡，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)定位。

2．1．2 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)是由IALA信標(biāo)系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、INMARSART衛(wèi)星系統(tǒng)，風(fēng)速檢測系統(tǒng)、電羅經(jīng)、MRU運(yùn)動(dòng)參考單元、HIPAP高精度定位儀以及吃水系統(tǒng)等組成。

IALA信標(biāo)系統(tǒng)，IALA信標(biāo)天線可以達(dá)到亞米級的精度，它的信標(biāo)接收機(jī)可以跟蹤非常弱的信號，這樣在距離基站比較遠(yuǎn)的地方和天氣條件不好時(shí)都能得到改正值。

GPS是全球定位系統(tǒng)，它是通過接受衛(wèi)星信號，進(jìn)行定位或者導(dǎo)航的終端，在鉆井平臺(tái)確定了自己開始鉆井的位置后，GPS將位置信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)以達(dá)到定位。

INMARSART衛(wèi)星系統(tǒng)，F(xiàn)leet77的主要特點(diǎn)是時(shí)刻在線，擁有MPDS業(yè)務(wù)64kbps ISDN、3．1KHz語音、Speech、Mini－M 語音、傳真、全球語音報(bào)警 由于收發(fā)機(jī)和天線重量輕和結(jié)構(gòu)精致，使其方便安裝。通過手柄或PC可快速配置，單信道，船用通信 HUB精致、方便、低廉和可靠的全球覆蓋，從南緯78度到北緯78度。某深海鉆井平臺(tái)用的是Fleet 77，F(xiàn)leet 77能滿足最新的全球海上遇險(xiǎn)和安全系統(tǒng)（GMDSS）要求。

風(fēng)速檢測系統(tǒng)，是由GILL公司提供，采用了最新的超聲波技術(shù)，沒有任何的移動(dòng)部件，具有非常高的精度。

電羅經(jīng)，又叫陀螺羅經(jīng)，是船舶重要的航海設(shè)備之一。它不受地磁和船體磁場的影響，定向準(zhǔn)確。

MRU（Moving reference unit）運(yùn)動(dòng)參考單元，MRU運(yùn)動(dòng)參考單元是由康斯伯格（kongsberg）公司自己提供的，它是通過發(fā)射R、P、Y三束激光射線來定位船舶的平衡。R為船首方向的水平射線；P為船側(cè)方向的射線；Y是與船舶中軸線垂直的垂直射線。當(dāng)船舶傾斜時(shí)，他能檢測出細(xì)微的變化，從而發(fā)出信號到中央處理器調(diào)制出合適的信號送到推進(jìn)系統(tǒng)來調(diào)整船舶的平衡。因此安裝精度很高，與船舶中軸線的垂直線不能有±0．5的誤差。一般都安裝在船舶的重心位置，且沒有震動(dòng)的地方。

HIPAP高精度定位儀，高精度聲學(xué)定位系統(tǒng)也是由康斯伯格（kongsberg）公司自己提供，此深海鉆井平臺(tái)使用的是兩套最高級別的HIPAP500系統(tǒng)，它可以工作在1－4000m范圍內(nèi)的水深。它是一個(gè)包含241個(gè)傳感器的球狀傳感器，由于執(zhí)行信號要求的準(zhǔn)確性，球狀傳感器的覆蓋范圍達(dá)到一個(gè)半球。由于覆蓋的面積廣，所以能很好地接受各面來的信息，并能快速傳送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

吃水系統(tǒng)，某深海鉆井平臺(tái)的吃水傳感器有2只，分別安裝在船的首部和尾部。由于船的形狀是圓筒型，所以以0°和180°度分別定義為船首和船尾。首尾吃水傳感器采集的信號傳輸?shù)綀?zhí)行單元，經(jīng)過對比得到的差比信號再傳輸?shù)紻P控制系統(tǒng)，從而發(fā)出信號來驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器完成指令，以達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

2．1．3 操控系統(tǒng)

DP系統(tǒng)的操控位于中央控制室，即駕駛臺(tái)。操控人員根據(jù)實(shí)際情況可以選擇自動(dòng)操作和手動(dòng)操作兩種模式，一般情況下，DP系統(tǒng)的操作以自動(dòng)操作為主，通過為其服務(wù)的子系統(tǒng)采集各種信號并輸送到中心控制計(jì)數(shù)機(jī)處理，實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)的動(dòng)態(tài)定位。

2．2 DP系統(tǒng)的功能

此DP－3系統(tǒng)是服務(wù)于推進(jìn)系統(tǒng)的。其控制精度要求推進(jìn)器在任何一種轉(zhuǎn)速下的螺旋槳螺距誤差不大于2%；在零螺距和零速度的情況下其誤差應(yīng)控制在最大量程的1%之下。轉(zhuǎn)速從零速到最大速度或者螺距角從零度到最大角度的變化時(shí)間，小螺旋槳應(yīng)控制在10s之內(nèi)；大的應(yīng)控制在10到15s之內(nèi)，典型的供給船主螺旋槳應(yīng)不大于20s，而穿梭油輪則不大于35s。此深海鉆井平臺(tái)所用的屬于較大的螺旋槳，所以應(yīng)控制在10－15s之內(nèi)。達(dá)到如此精度，普通設(shè)備是無法辦到的。它是由高精度的檢測機(jī)構(gòu)和分析機(jī)構(gòu)組成，再輸出到推進(jìn)器系統(tǒng)來保持鉆井平臺(tái)在任何風(fēng)浪下不發(fā)生偏移。

3 結(jié) 語

動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)的研究已經(jīng)經(jīng)歷了很長的時(shí)間，理論研究或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)的階段成果較多。DP系統(tǒng)在深海鉆井平臺(tái)上的成功實(shí)用，必將促使其在技術(shù)上快速完善和提高，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等高科技的應(yīng)用，以及成本的不斷降低，DP在海洋工程船舶上的應(yīng)用將得到快速的推廣，DP對航?？萍嫉倪M(jìn)步和航海安全水平的提高，必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

1 李朝暉，王歡．基于海洋工程鋪管船鋪管器建造工藝的研究［J］．南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（1）

2 馬先山．商船加裝動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］．航海技術(shù)，2008（3）

3 申 屠，啟偉，蔡連財(cái)．海上石油平臺(tái)的整體安裝與動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)［J］．航海技術(shù)，2010（3）

4 王定亞，丁莉萍．海洋鉆井平臺(tái)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］．石油機(jī)械，2010，38（4）：69～72

5 楊立軍，肖龍飛，楊建民．半潛式平臺(tái)水動(dòng)力性能研究［J］．中國海洋平臺(tái)，2009，24（1）：1～9