陳 帥,王靖凱,劉國增,鄒曉東,徐 建,逯鵬濤

(中海油深圳海洋工程技術(shù)服務(wù)有限公司,廣東 深圳518054)

0 引言

隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展,國家對能源的需求持續(xù)增加,海上油氣資源的開發(fā)進程由淺海向深海推進,因此動力定位船舶逐漸成為海洋開發(fā)及海上設(shè)備設(shè)施工程作業(yè)的主要作業(yè)載體,其動力定位功能可為海上精準(zhǔn)施工提供穩(wěn)定的平臺。

動力定位系統(tǒng)通過中央處理器給各推進器分配推力指令,以抵抗外界環(huán)境擾動對船舶位置及艏向的影響,從而達到定位目的。現(xiàn)階段大部分主流定位系統(tǒng)軟件中,推進器設(shè)置均有多種模式可供操作者按需選擇。當(dāng)外界環(huán)境因素較小時,環(huán)境擾動變化率會相應(yīng)增大(如推進器選擇自由模式將導(dǎo)致全回轉(zhuǎn)推進器方位變化頻繁),同時由于機械結(jié)構(gòu)的反應(yīng)比電子信號滯后,從而產(chǎn)生船舶定位偏差。

針對以上問題,本文將對全回轉(zhuǎn)推進器成組進行偏置設(shè)置,使其推力相互抵消,且方位角保持在相對固定的范圍內(nèi),從而直接減小因機械結(jié)構(gòu)反應(yīng)滯后導(dǎo)致的船位偏差,并減小推進器機械部位因頻繁變換角度造成的過度磨損。

1 動力定位船舶簡介

動力定位(Dynamic Positioning,DP)工程船的基本工作原理是:利用船舶的各類傳感器、羅經(jīng)和位置參考單元并通過卡爾曼濾波器收集船舶的運動狀態(tài)、位置變化、環(huán)境風(fēng)力大小和方向,通過DP控制器(DP Controller,DPC)構(gòu)建船舶數(shù)學(xué)模型,控制系統(tǒng)發(fā)出一系列的推力指令控制推進器,形成一個時變的推力系統(tǒng),以抵消外在的時變的環(huán)境載荷,從而使船舶保持在目標(biāo)船位和艏向[1](見圖1)。

圖1 動力定位系統(tǒng)工作原理圖

船舶有6個自由度的運動,即3個平移運動和3個旋轉(zhuǎn)運動,這其中包括:縱蕩、橫蕩、垂蕩、轉(zhuǎn)艏、俯仰和滾轉(zhuǎn)。動力定位系統(tǒng)負責(zé)船舶縱蕩、橫蕩和轉(zhuǎn)艏3個自由度的自動控制[2]。

2 推進器偏置理念

動力定位系統(tǒng)通過中央處理器向推力分配單元發(fā)布3個自由度(縱向、橫向和轉(zhuǎn)艏)指令,再經(jīng)推力分配單元進行算法優(yōu)化后,將推力和角度指令分配給各個推進器[3]。推力分配單元處在動力定位系統(tǒng)的最末端,對船舶定位的精確性、靈活性起著至關(guān)重要的作用[4]。推進器的偏置組合設(shè)置即是將全回轉(zhuǎn)推進器按組分配,并使組合后推力合力與環(huán)境因素影響合力效果為零。當(dāng)船舶處于環(huán)境力較小而推進器推力方向頻繁變化的定位作業(yè)時,采用常規(guī)的推進器分配方案會導(dǎo)致推進器的方位角頻繁變化,而且由于推進器本身的機械特性,方位角轉(zhuǎn)動速度有限,方位變化跟不上中央處理器指令的變化而導(dǎo)致動力定位系統(tǒng)的方位角預(yù)測頻繁報警。同時也可能出現(xiàn)方位角滯后而影響船舶的定位精度,頻繁的推進器方位變化也會增加其轉(zhuǎn)向機構(gòu)的磨損。

針對這個問題,康士伯格(Kongsberg)集團提出了偏置理念,即對配置全回轉(zhuǎn)推進器的動力定位船舶的推進器進行分組設(shè)置,允許推進器之間推力相互抵消。這種方法雖然會消耗推進器的功率,但可以提高推進器對于處理器給出指令的反應(yīng)速度,避免推進器頻繁轉(zhuǎn)向而降低定位精度及加速推進器磨損等問題,在實際工程中有重要應(yīng)用價值。動力定位船舶的推進器通常是最主要的電力消費者,應(yīng)根據(jù)外界環(huán)境因素和項目對于定位的要求,合理、靈活設(shè)置推進器的偏置組合,從而滿足推進器推力分配對船舶作業(yè)定位精度的要求。

3 推進器偏置設(shè)置

在使用偏置功能時,推力、轉(zhuǎn)向因數(shù)和角度因數(shù)的設(shè)置需要人工干預(yù)。在無偏置時,各推進器按照動力定位控制系統(tǒng)推力優(yōu)化算法優(yōu)化后的方位和推力指令運行,原則上是最省功率消耗的模式。但是在特定情形下,需要對推進器組進行偏置設(shè)置并以此達到提高定位精度或減少機動部位磨損的目的。偏置各項參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 推進器偏置設(shè)置

推進器偏置各項參數(shù)設(shè)置方法如下:

(1)對推力的設(shè)置。首先選擇偏置的推進器組,設(shè)置推力的大小。環(huán)境力較大時,推力值不宜設(shè)置過大,設(shè)置一個較小的對推力就能實現(xiàn)對推,避免對推消耗過多功率;反之,環(huán)境力較小時,推力值可以設(shè)置大一些,從而提高位置及艏向的穩(wěn)定性。

(2)轉(zhuǎn)向因數(shù)的設(shè)置。轉(zhuǎn)向因數(shù)設(shè)置的大小是指操作員需要推進器組脫離偏置模式的時刻。脫離時間需要考慮船舶本身可分配的電力儲備冗余,如果自身電力充足,該值可以設(shè)置大一些。如果操作員不擔(dān)心任意一臺推進器大負荷工作會導(dǎo)致動力定位控制系統(tǒng)或是電站管理系統(tǒng)啟動自動減載功能,同時也不擔(dān)心環(huán)境力矩會超出推進器組中任一推進器的最大推力力矩,則轉(zhuǎn)向因數(shù)大小并不重要。但是在實際作業(yè)中,為應(yīng)對環(huán)境力突變或激增,該值不應(yīng)設(shè)置過大。通常,當(dāng)推進器組中任一推進器推力超過其最大推力50%時,另一推進器應(yīng)脫離偏置以共同抵抗環(huán)境力的影響;當(dāng)各推進器推力反饋小于50%時,推進器組重新回到偏置對推模式。

(3)角度因數(shù)的設(shè)置。角度因數(shù)指的是推力可用情況下角度與推力的優(yōu)先權(quán)重,它不是一個量化值?？梢园呀嵌壤斫鉃閷ν频慕嵌?推力理解為控制系統(tǒng)優(yōu)化的推力方向。該值設(shè)置的越大,推進器組中的推進器推力方向更傾向于對推的角度(橫軸方向)。在相同外力作用下,為獲得相同的縱軸推力,則必然要增加推進器負載,以犧牲功耗來增加船舶的阻尼力,從而保證位置及艏向的穩(wěn)定。在實際應(yīng)用中,如果外力較大且方向較穩(wěn)定,不建議設(shè)置過大的角度因數(shù)。反之,在外界環(huán)境力較小或是方向多變時,可以設(shè)置較大的角度因數(shù),限制推進器方位旋回的范圍,從而減少機動部位磨損。

4 推進器偏置實際應(yīng)用

某工程船的主要參數(shù)如下:

船長125.0 m,船寬25.0 m,吃水6.7 m;電力源為6臺2 880 kW柴油發(fā)電機,艉部2臺4 500 kW全回轉(zhuǎn)推進器,艏部2臺2 000 kW伸縮全回轉(zhuǎn)推進器,艏部2臺2 000 kW管隧推進器,動力定位作業(yè)時2組配電板各有1臺發(fā)電機在線。

環(huán)境參數(shù)如下:海流來向247°,流速1.2 kn,風(fēng)向262°,風(fēng)速12 kn;艏向240°。

實際測試時,左右艉主推設(shè)置為偏置,對推力為1 kN,轉(zhuǎn)向因數(shù)為50%。分別將角度因數(shù)設(shè)置為20%、30%、40%、50%、60%、70%來比較艉推進器方位角變化及轉(zhuǎn)速變化,見表2。

表2 推進器方位角及轉(zhuǎn)速表

由表2可以看出,外界環(huán)境不變時,角度因數(shù)值越大,推進器方位角越接近橫軸對推方向,同時提高轉(zhuǎn)速以提供同等縱軸方向推力。

同樣的,船首稍斜頂風(fēng)流保持船位,駁船近靠本船下風(fēng)流舷進行貨物穿梭作業(yè)時,為減小本船靠近駁船一側(cè)的主推進器排出流對駁船的影響,將角度因數(shù)設(shè)置為較小值,艉主推進器橫向排出流明顯減小并朝向船尾稍偏下風(fēng)流側(cè),推進器方位更趨向縱軸抵抗來自船首的受力。

當(dāng)船舶到達工區(qū)進行動力定位檢查時,有一項測試內(nèi)容為備用發(fā)電機的自動啟動。如果需要在船舶位置不變的情況下進行測試,可以逐步提高對推力的大小,并且增大角度因數(shù),從而增加發(fā)電機負荷,達到備用發(fā)電機啟動限制和設(shè)置延時以后,完成自動啟動,在保持船位的同時完成測試。

綜上所述,使用偏置設(shè)置可以使方位推進器回旋顯著減少,并有效解決功率和方位改變的非線性變化。以下就是比較典型的應(yīng)用場景:

(1)當(dāng)角度和推力設(shè)定值改變時減少全回轉(zhuǎn)推進器旋轉(zhuǎn)的反應(yīng)時間,從而提高推進器對指令的反應(yīng)能力,間接提高船舶定位精度。

(2)如果一組的推進器不能零位,另外同組的推進器可設(shè)置同樣的反推力來抵消不能歸零所帶來的影響。

(3)在天氣好的時候,推進器會來回旋轉(zhuǎn),最后出現(xiàn)推進器方位預(yù)測報警。

(4)當(dāng)發(fā)電機需要高負荷運轉(zhuǎn)的時候,可提高對推力,從而提高發(fā)電機的負荷。

(5)增加船舶的阻尼力,從而提高船舶位置及船首向的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

綜上所述,通過對推進器偏置設(shè)置原理及參數(shù)設(shè)置的深入解析,以及某動力定位船舶設(shè)置實例數(shù)據(jù)顯示,推進器偏置功能是在推力分配優(yōu)化算法功能之中的特殊模式,滿足了不同作業(yè)工況的不同推力需求并結(jié)合了對推進器機動部位磨損的考量。通過實際使用過程中關(guān)于偏置設(shè)置的一些經(jīng)驗和做法,特別是在環(huán)境力較小、頻繁小范圍移位定位作業(yè)時,合理設(shè)置推進器有利于提高船舶定位精度,減少設(shè)備損耗。