深水工作船动力定位（DP）性能研究

陆忠杰 刘加兵 王 征 谢家纯

（1.中海油田服务股份有限公司，北京101149；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

船舶动力定位（Dynamic Positioning，简称 DP）技术是指船舶在水中不借助于锚泊系统的作用，而通过控制自身推进器的推力，包括大小及方向，来克服风、浪和流的影响，致使船舶保持在某个固定的位置及船首首向，或跟踪预定的航迹和目标，以满足特定工作任务需要的一种可自动化操作的综合性技术。其概念的形成，往前可以追溯到20世纪50年代末的美国“莫霍深钻计划”，将船舶DP在约4 500 m水深的大洋，对大洋底部进行钻井（取样）。经过几十年的发展，船舶DP技术已经做了很多改进并日臻成熟，概念也经历了几代的更新，“绿色、环保和节能”已被引入到当前船舶DP技术的发展中。目前，以 Kongsberg、Converteam、Navis、Nautronix 等为代表的国际知名品牌的船舶动力定位的产品，已被广泛应用于多种海上作业中，如海洋勘探、海上油气开发、军事等。

1 研究背景及目的

在国际石油大环境的影响下，受陆上石油勘探开采程度的加深，开发难度的越来越大，以及国际政治、经济、外交和军事等风险影响，开发海洋油气资源已成为各国石油战略的重要举措之一。随着陆地油气资源总量的日益减少，可以认为海洋油气资源必将成为21世纪人类重要的能源后备库。根据联合国海洋法公约的生效（1994年），各国划出200 n mile专属经济区，使得深海区域的油气资源的勘探开发必将成为各国竞相优先发展的战略，进而加速海洋工程装备向深海进军的步伐。

我国是一个人口数量的绝对大国，也是最大的发展中国家。随着我国经济的持续快速发展和人民生活水平的不断提高，对以石油、天然气为代表的能源需求不断攀升。自1993年我国成为石油净进口国以来，原油进口量急剧增加，进口依存度不断提高。到目前我国对进口石油的依存度已达到50%，并预测2020年依存度将达到60%。在国内石油消费需求快速增长和保障国家石油战略安全需要的大形势下，迫切需要加速发展海洋油气资源的勘探开发，尤其是深海区域。

深海油气资源的勘探开发，需要有先进的海洋工程技术和装备作为支撑。因此国家科技部确立了国家科技重大专项——大型油气田及煤层气开发（项目编号2012ZX05027）。围绕这一专项成立重要的课题专项——海洋深水工程重大装备及配套工程技术（课题编号2012ZX05027-003）。在这一重要课题专项下开展“深水油田工程支持船及配套技术”的专题研究，这其中就有深水型工作船设计研究子课题（子课题编号2012ZX05027-003-001）。深水型工作船的设计研究的目的在于，适应我国深海油气勘探开发工程的发展需求，研制具有当代国际先进技术水平的优秀船型，为深水海洋油气工程开发提供新型深水三用工作船，缩短与国际水平的差距，发展和提升我国深水海洋油气勘探开发工程的综合能力。船舶DP技术是其中一项重要的关键技术，极大地方便了定位操作并能避免锚泊系统对海床作业面的破坏影响。

本文的研究目的在于，根据深水工作船的功能和特点，对其DP作业环境条件的界定进行研究，并就该船的动力装置和电站的配置，着重分析和研究在不同作业工况下的DP能力，进而论证该船具有在我国深水海域的DP作业能力。

2 深水工作船的基本概况及其DP

深水工作船是一型为深海石油和天然气勘探开采平台、工程建筑设施等提供多种作业和服务的多功能深水作业三用工作船，见图1。主要从事：为深水石油平台提供抛起锚、拖航、供应和值班守护等服务，并对水下工程设备安装作业提供支持和服务等。该船航行于无限航区，满足3 000 m以上水深作业要求，抗风能力达到12级。

深水工作船的主尺度参数：

总 长Loa90.00 m

垂线间长Lpp80.00 m

型 宽B 20.00 m

型 深D 9.00 m

设计吃水T 5.60 m

最大吃水Tm7.20 m

结构设计吃水T结7.65 m

深水工作船在为海上钻井平台供应物资作业时需要定位完成，而该船的定位不能借助于平台来系泊，且考虑到深水锚泊定位操作的不便性（如：需要其他拖船和起抛锚船协同作业，定位缓慢，对天气变化反应缓慢，破坏海床作业面，对平台或其他船只锚泊缆绳交叉缠绕等因素），选择应用已经相对成熟的DP技术。考虑向平台供应物资时的安全性，该船DP系统需要进行冗余设计。在权衡冗余度和经济性要求后确定DP装备等级为DP2。

3 深水工作船的动力推进器及其供配电

该船主推进设计采用四主柴油机、双固定导管可调螺距螺旋桨的常规推进形式。采用二二并车驱动，每2台主机的功率（4 000 kW/台）通过主齿轮箱、离合器、弹性联轴节、中间轴、螺旋桨轴传递给螺旋桨。

主齿轮箱为2台二进轴三出轴齿轮箱：主齿轮箱二进轴由2台主机输入并车驱动；主齿轮箱三出轴为：主轴驱动CPP螺旋桨，实施船舶推进；副轴驱动轴带发电机；另一副轴驱动轴带消防泵。

该船在船首部设2台管状侧向推进器。前首侧向推进器功率为1 010 kW，侧向推力为157 kN，由电动机驱动可调螺距四叶桨。后首侧向推进器功率为830 kW，侧向推力为126 kN，由电动机驱动可调螺距四叶桨。在尾部设1台电动机驱动可调螺距四叶桨管状侧向推进器，侧向推进器功率为830 kW，侧向推力为126 kN。

图1 深水工作船

该船在船后左、右导管螺旋桨的后方各设置1只流线型悬挂式襟翼舵，每只舵面积10.2 m2，当船体长度为L、载重线吃水为T时，总面积约4.55%LT，转舵角±45°，襟翼角±90°，各配电动液压转翼式舵机1台。每台舵机最大扭矩为275 kN·m。

为提高该船动力推进器的冗余度（即相对提高DP能力），有关推进器的供配电采用多段（汇流排）冗余设计。其供配电方案设计，见图2。该船主电站由轴带发电机2 000 kW×2台、主发电机400 kW×2台组成。该船在DP作业时，如2台主发电机和2台轴带发电机全部运行时，配电板必须划分为独立的4段。

图2 深水工作船动力推进器供配电单线图

4 深水工作船的DP作业环境

一般来说，深水远海中的环境条件，相对近海或浅海对工程船的作业要求，在各方面都具有更高的难度，当然也包括对船舶进行DP作业的影响。深水工作船从其自主研发的目的上看，当前以服务我国领海海域内深水油气资源勘探开发为前提，所以需要通过对我国深水海域油气资源勘探开发水域进行调查研究，重点针对我国南海海域。

南海是西北太平洋最大的一个半封闭边缘海，其范围为北纬 0°～23°，东经 99°～121°，面积约为350万km2，平均水深1 800 m，最大水深5 420 m。南海地处亚热带和热带区域，属于典型的亚洲季风区。南海海域气候具有“冬半年、夏半年”的特征，春秋过渡季节很短。南海海面风力在冬季风（东北季风）时期最强，在夏季风（西南季风）时期较冬季风时期弱。根据有关资料［1］，将南海分成北区（18°N 以北）、中区（18°～10°N）、南区（10°N 以南）和北部湾区总计四个海区，来分析各区的东北季风和西南季风的特征，见表1和表2（其中南海北区的南部到中区海域处于较深水域，大部分都在3 000 m以上）。

表1 南海各区东北季风特征

表2 南海各区西南季风特征

南海海浪的分布和变化主要取决于海区季风风场的分布和变化。东北季风时期盛行东北浪，西南季风时期盛行南、西南浪。南海海浪在季风交替时期，浪向多变且盛行浪向不明显。由于南海东北季风的风速较西南季风的风速大，所以就波高的绝对值而言，南海冬季的波高一般较夏季大。根据有关资料对南海北区，通过应用多年的资料算出的浪高算术平均值与用实测风速资料从蒲氏风级表中获得的浪高值相比很相近［2］；其他各区的波浪高度，在没有确切资料进行相关计算的情况下，也可根据风速从蒲氏风级表中得到相应的浪高值作为参考。

南海环流场受季风、地形、太阳辐射以及降雨等多种因素的影响复杂多变。冬季南海总的环流结构呈气旋型，并发育有两个次海盆尺度的气旋型环流。夏季南海总的环流结构呈反气旋型，大部分海区以东北向漂流为主。不论冬季、夏季，南海环流西部边界强化趋势均十分明显。由于南海海流存在上述复杂性，所以目前对南海海流特征还没有比较统一的认识。尽管如此，从中科院南海海洋研究所热带海洋环境动力学重点实验室和中海石油研究中心深水工程重点实验室联合进行的，对南海深水区风、浪、流多年一遇重现期极值的推算结果［3］看到，在500 m以上水深的各海区的流速，以最长100年一遇的重现期来看，都在0.74 m/s以下，并且随着水深的增加，流速皆相应降低。

通过上述分析研究，深水工作船进行动力定位作业的环境条件，设定为蒲福氏7级风、6级巨浪海况、1/3有义波高4.0 m、2级海流，足以满足南海深水区域的实际海况条件的最高要求。

5 深水工作船的DP能力

根据本船DP作业环境条件，结合自身配备的动力装置（推进器），分以下9个工况进行DP能力的计算研究。其中工况1为全部推进器正常可用；工况2为在工况1的基础上做经济型定位研究（仅开一半主机）；工况3至9为模拟一些不同单点故障，包括各推进器、齿轮箱和配电板等，其中5至9是几类最大单点故障（WCFDI［3］），见表 3（“开启”代表正常在线运行，“关闭”代表因正常使用要求停机或故障带来的非在线状态）。通过计算，所列9个工况的DP能力如图3～11所示。

表3 深水工作船动力定位作业工况

图3 工况1 DP能力

图4 工况2 DP能力

图5 工况3 DP能力

图6 工况4 DP能力

图7 工况5 DP能力

图8 工况6 DP能力

图9 工况7 DP能力

图10 工况8 DP能力

图11 工况9 DP能力

对照南海深水作业环境条件（最大），即蒲福氏7级风、6级巨浪海况、1/3有义波高 4.0 m、2级海流，从DP能力图中可以看出，工况1至3基本满足360°风向范围内的DP作业能力。工况4、5和9在横向角的一定范围内，不具备定位能力。而对于工况6和7，由于失去一半主机导致在横向角很大范围内失去定位能力。工况8同工况4。

如同上文所述，所列9项DP作业工况中，工况1～4为一些正常使用和模拟一般单点故障要求，相应能力分析结果供使用参考。作为工况5～9，则反映深水型工作船在极端环境作业条件下，动力系统发生各种（最大）单点故障后，该船所具备的DP能力。

6 结语

根据深水工作船自主研发要求，进行有关船舶DP性能的专题研究，并对该船在我国深水海域（南海）DP作业环境条件进行分析研究并界定。研究结果证明，该船具备满足在我国深水海域进行DP作业要求的能力。

回顾研究过程，发现还有一些问题可做进一步的研究与探讨：一个是DP的时域模拟，即对在DP控制下的船舶的真实运动进行实时模拟，研究分析在不同作业状态、作业水深条件下，船舶DP定位的精度和功率消耗，即从经济性和安全性上对船舶DP系统进行研究；第二，分析研究各推进器之间及推进器与船体之间在水动力上的相互干扰，通过理论计算结合模型试验分析，优化推进器的分布；第三，研究DP系统与锚泊系统的联合定位。

［1］地质部南海地质调查指挥部综合研究大队.南海北部的风、浪、流［G］.广州：1981.

［2］葛黎丽，屈衍，张志旭，等.南海深水区风、浪、流多年一遇重现期极值的推算［J］.中国海上油气，2009，21（3）：207－210.

［3］The International Marine Contractors Association.A Guide to DPElectrical Power and Control Systems ［G］.IMCA M 206，2010.