第四代半潜式钻井平台动力定位系统设计简介

王磊，徐新年，林广林

（烟台中集来福士海洋工程有限公司，烟台，264000）

1 起源

动力定位（DP）系统最早起始于20 世纪60年代的海底钻井作业。随着向更深海的不断推进，自升式钻井驳等近海钻探装备难以满足深海作业的需要，而深海锚链定位作业又非常复杂，且成本高昂。由此便开始了DP系统研究和应用的技术探索。

2 定义和作用

DP系统是当环境条件发生变化时，由集控手操或自动响应系统，通过水动力系统的作用是船舶位置和航向保持在环境条件限定范围内。

DP系统的环境条件主要指风、浪、流等环境力。船舶在环境力的作用下，会产生六个自由度的运动，即纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和艏摇。

事实上，DP系统主要是控制船舶在海平面上纵荡、横荡和艏摇三个自由度运动，由推进器产生适当大小的推力和力矩，以抵消环境力，从而使船舶尽可能保持预设的位置和航向。

如今，DP系统的功能已经不仅仅局限于使船舶定位于海洋石油钻探船舶和平台，也广泛应用与布缆船、铺管船、起重船、平台供应船、科考勘探船等特种船舶。

3 入级符号

DP系统包括所有直接或间接影响船舶定位能力的设备、电缆、管路和通风等，其安全可靠性取决于所有这些方面的冗余程度，根据DP系统的不同冗余程度，各船级社可授予相应的船舶符号标志，如表1所示。

本文将DP系统设计分成系统原理设计和详细生产设计两大部分。系统原理设计，分为动力、控制和参考基准三部分。动力部分，分为发电、配电和推进系统；控制部分，包括电力、推进系统的自动或手动控制，以及位置测量控制系统；参考基准部分，就是各种提供船舶位置、环境和状态信息的测量系统及其传感器。详细生产设计，分为DP系统设备布置、电缆和管线路径布置两部分。

4COSL项目DP系统设计简介

4.1COSL项目简介

COSL项目是由烟台中集来福士为中海油服欧洲钻井公司总包承建的4座第四代深水半潜式钻井平台。该系列平台型长104.5米、型宽65米、型深36.85米，设计吃水9.5米-17.75米，作业水深70-750米，生存状态最大风速51.5米/秒，最大垂直钻井深度7500米，最大可变甲板载荷4000吨，额定居住人员120人，集钻修井、居住等功能于一身。DP3动力定位系统及无人值守的机舱设计方案，实现在驾驶室及操作室集中遥控操作，关键设备的选配和建造均满足挪威石油安全管理局最新AoC发证要求，其设计和建造满足挪威石油安全管理局、挪威海事局、挪威船级社、挪威石油工业技术标准及半潜式钻井平台的相关国际平台规则，具备在全球海况最复杂的挪威北海海域作业的能力，同时适用于全球其他海域。

该系列平台前三座已经交付使用，首座平台在挪威北海作业以来，被认为是近年来首次作业各方面表现最好的新平台之一。其在同海域作业的42座平台中，综合指示排名第四，其中套管转速和下钻速度两项指标名列第一。

4.2 动力部分设计

上船体艉部设计3个独立的机舱，每个机舱布置2台主机和发电机（各3800KW），分别由Wartsila和Siemens 提供，下船体左右舷设计4个独立的推进器室，房间内布置各自的推进器、推进器马达、变压器及变频器，推进器由Wartsila提供，其他设备由Siemens提供。机舱附近布置3个独立的高压配电盘室，使之分别与3个机舱的6台发电机对应，6个推进器按照1与4、2与5、3与6组合为独立的三组分别与3个高压配电盘对应。3套独立的抵押配电盘系统（690V、440V、230V）分别由3个高压配电盘逐级变压给各DP系统相关负载供电。3个高压配电盘和6个推进器室分别设计布置有各自的PLC信号柜以用于PMS。

上述就是DP系统动力部分的核心框架，形成了A、B、C三套独立的DP动力系统，总体设计框图如图2所示，推进室布置设计及组合如图3所示。

表1 DP系统船级符号标志

图2 动力系统部分总体设计框图

图3 推进器布置设计及组合

4.3 控制部分设计

4.3.1DP主控制站

位于驾驶室，系统设计布置的控制设备有：1台PMS控制箱；2台DP控制箱；1台独立手动操作控制箱；2台DP控制台；1台独立手动操作控制台；1套推进器手动控制台；1台PME位置测量控制台；2台网络拓扑柜。

4.3.2DP备用控制站

位于DP备用控制间，用A-60分割完全独立于驾驶室，且主/备用两个控制站的舱室位置相距不远，系统设计布置的控制设备有：1台PMS控制箱；1台DP控制箱；1台DP控制台； 1台PME位置测量控制台；2台网络拓扑柜。

4.3.3 网络拓扑结构

VSC、DP系统共用一个网络，由两套环形光纤网络NET A和NET B组成，并且将6个推进器的信号采集站也串联在网内，以便提供推进器相关信号的传输效率。

4.4 参考基准部分设计

DGPS查分全球定位系统，DP主和备用控制间各布置1套，主桅杆和远离主桅杆的舷侧各布置1套天线。

声呐位置测量系统，DP主和备用控制间各布置1套，2套HIPAP（可伸缩声呐收发器）分别布置在左右舷浮筒的舯部，通过安装在海底的反应器收发声频信号，从而计算出收发器与反应器之间的距离和平台的方位数据，用于DP系统位置参考计算。

电罗经系统，能够反映精确地平台艏向位置数据，电罗经和数字复试器，在驾驶室布置2套，在DP备用控制室布置1套，顶甲板左右舷各布置1台电罗经方位方位复试器。

风速风向仪系统，可以持续的为DP系统提供风速和风向信息，从而计算出平台受到的风力。驾驶室2套，DP备用控制室布置1套，主桅杆上布置1套风速风向仪，另2套布置在远离主桅杆的舷侧。

VRU（垂直参考装置）系统，用来测量纵荡、横荡和艏摇三个自由度运动的大小，测量数据用于平台运动补偿力大小的计算，在驾驶室室布置2套，DP备用控制室布置1套。

4.5 故障模式与影响分析 FMEA

只有DP-2和DP-3需要做FMEA，FMEA的目的在于说明与DP系统功能有关的设备，包括相关电缆和管系的不同故障模式，以帮助评定DP系统的冗余程度。对于系统中的某一设备可能有多种故障模式，从而对DP系统产生多种不同影响，在FMEA分析时应特别注意。

在DP船舶的全生命周期内，都需要尽可能在实际情况下，对DP系统所有操作模式进行测试。测试通过后，由第三方来模拟测试故障模式，并对测试数据结果进行纪录备案。最后，对DP系统进行总体的性能评估。

除了DP各系统单线图和技术说明，以及负荷计算书等之外，FMEA报告(包括冗余试验程序)也需要提交船级社审查认可。

4.6 电缆和管系的布置以及DP路径的详细生产设计

除上文中描述的系统和设备外，对DP系统至关重要的燃油、滑油、液压油、冷却水管等，以及电缆的布置，都应充分的考虑DP等级的冗余的要求，系统的设计、设备的布置、电缆和管系路径的设计，都必须严格遵循规范里DP系统要求

该平台设计为DP-3，因此需要设计各DP系统的独立A-60通道。COSL项目为四个立柱结构，艏部两个立柱各设计了一套DP通道，艉部两个立柱各设计了两套DP通道，两套DP路径中间做A-60防火等级分割。四个立柱的DP通道上下分别延伸至双层底和浮筒内，连接到各自DP系统的机舱和推进器室。在生活区，左右舷侧附近分别设计了2个A-60级的DP通道，上下分别连接到DP主、备用控制室。

因此，这便保证了整个平台的DP A、B、C三套系统之间，是按照规范的要求用A-60防火等级完全分开的，符合DP-3的设计要求。

5 结束语

DP 系统是船舶、平台不需要传统的系泊形式定位，因而具有不受水深限制的优点，并且可适用于各种恶劣海况，开发设计高效率、高可靠性的DP系统对于人类向更深海扩展具有重要意义。本文以COSL半潜式钻井平台为例，力求全面概括介绍DP系统相关的各个方面，以供大家了解和参考。

【参考文献及资料】

[1]IMO/MSC Circular 645 Guidelines for Vessel with DP[S]. 1994

[2]IMCA M103. IMCA Guidelines for the Design and Operation of Dynamic Positioned Vessels[S]. 2007.

[3]DNV Rules for Classification of Shop[S]. 2008 Part 6, Chapter 7.

[4]CCS Guidelines on Surveys for Dynamic Positioning System[S]. 2002

[5]ABS Rules for Building and Classing Steel Vessels[s]. 2010 Part4, Chapter 3, Section5.