动力定位系统在超深水钻井船上的应用_刘绍岭_朱杰_李孝喜_吴骏.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol 35 No 4 2013 总第 35 卷 2013 年第 4 期 67 动力定位系统在超深水钻井船上的应用 动力定位系统在超深水钻井船上的应用 刘绍岭 朱 杰 李孝喜 吴 骏 大连中远船务工程有限公司 辽宁大连 116600 摘 要 摘 要 目前动力定位系统已经广泛地应用在海洋工程中 且极大地提高了船舶及平台运行的操作 性与可靠性 本文将结合在建的超深水钻井船 分析阐述了 DP3 动力定位的三大系统 即动力系统 推 进系统 控制 测量系统以及相关辅助系统的总体设计思路 关键词 关键词 钻井船 动力定位 动力系统 推进系统 控制及测量系统 辅助系统 中图分类号 中图分类号 U666 12 4 文献标志码 文献标志码 A 文章编号 文章编号 1000 6982 2013 04 0067 04 Application of Dynamic Positioning System in Ultra Deepwater Drillship LIU Shao ling ZHU Jie LI Xiao xi WU Jun COSCO Dalian Shipyard Co Ltd Liaoning Dalian 116600 China Abstract Now the dynamic positioning system has been widely applied in offshore projects and extremely improved the vessels operation capability and reliability Based on the ultra deep water ship type drill platform which is being built the paper analyzes and describes the general design principle of dynamic positioning system concerning the power system the thruster system the control and positioning reference system and auxiliary systems Key word drillship dynamic positioning power system thrusting system control and reference system auxiliary system 自上世纪六十年代动力定位技术诞生以来 经过 半个世纪的演化发展 目前已经广泛地应用在海洋工 程领域 尤其是伴随着近年来深海石油开采及相关作 业的开展 满足在更恶劣海况下工作的高级动力定位 系统越来越多地应用到深海钻井平台中 1 3 本文将结 合在建项目及规范概述一下 DP3 动力定位技术在超 深水钻井船上的应用 1 项目简介项目简介 在建的 大连开拓者号 钻井船入 DNV 级 取 船级符号 1A1 Ship Shaped Drilling Unit DRILL DYNPOS AUTRO 4 5 E0 HELDK SH CRANE F AMC 是满足 DNV 船级社三级动力定位要求并根 据国际一级海工建造标准建造的适应恶劣海况环境的 超深水型钻井船 工作水深为一万英尺 钻深为三万 英尺 下文将结合本项目描述动力定位系统中三大系 统及辅助系统的实际设计应用 2 动力系统动力系统 本船共配备8台型号为WARTSILA 16V32的主发 电兼应急发电机组 每台输出功率为 7 2MW 9MVA 50Hz 根据DP3 动力定位以及建造规格书要求 本船 动力模块位于主甲板之上 由4 个带A60 防火分隔的 机舱 A B C D 组成 每个机舱内装备两台主 发电机组 全船共配备4 个11kV 的9MVA 7 2MW 主 配电板 分别位于机舱顶部的4 个带A60 防火分隔的 电气设备间内 每个独立配电板分别连接到位于同一 机舱内的两台主发电机组上 如图 1 所示 主发电机 组 2 台 11KV 的主配电板 1 个 及对应的变压 器和低压配电板 构成了一个独立的发配电系统 电 站 给对应的推进器 2 台 和低压负载供电 全船 4 个独立的电站 能保证最大单一故障的情况下 仍 收稿日期 2012 11 29 修回日期 2013 02 04 作者简介 刘绍岭 1972 男 工程师 主要从事海洋工程轮机系统研究设计工作 通讯作者 朱杰 1981 男 硕士研究生 从事海洋工程轮机系统研究设计工作 船舶电气 导航与自动化控制 68 能保持75 的电力和6 台推进器运行 此种配置大大 降低了定位时动力系统失效的风险 同时 动力系统 的独立模块化设计 提高了内场的建造完整性并缩短 了项目建造周期 从操纵的可靠性及安全性上 DP 状态下动力及 配电模式可分为两种 1 2 2 配电模式 A B 主配 电板相连为一段 同时 C D 主配电板相连为另一段 每段上至少有两台主发电机组运行 其他发电机组处 于自动备车状态 在任意段配电板失电的情况下 最 多可能失去与之相连的 4 台推进器 为保证余下的 4 台推进器仍能有效定位 此时要求外界环境条件 海 况 较好 2 1 1 1 1 配电模式 四段主配电板断开 每段上至少有一台主发电机组运行 其他发电机组处 于自动备车状态 根据 3 级动力定位的要求 船上电站还配备了功 率管理系统 电缆的敷设 要保证不同电站之间 不 同电站与其对应的推进器之间的电缆能满足A60的分 隔要求 图 1 DP 动力配电系统概要图 3 推进系统推进系统 本船共配备 8 台全回转推进器 型号为 Wartsilar FS3500 671NU 分别位于艏尾各四个设计为水密和 A60 防火分隔的推进器室内 如图 2 所示 推进器输 入轴功率为5 5MW 并根据动态定位信号反馈 通过 变频器控制推进器转速在0 600r min 之间变化 结合 舵角变化 从而使船舶整体获得多变的运动推力和运 动轨迹 考虑到整船定位效果及操纵性能 推进器的 动力配电采用艏尾交叉配置 如图 1 图 2 所示 1 号和2 号 3 号和4 号 5 号和6 号以及7 号和8 号四 组组合分别连接到A B C D 段配电板上 此种动 力系统与推进系统的匹配 使得在任意配电板出现失 电的单点故障下 1 1 1 1 配电模式下 整船最多失 掉两台推进器 从而有效地降低了DP 失效的风险 图 2 DP 动力及推进装置布置图 4 控制及测量系统控制及测量系统 结合DP3 的规范要求 本项目配备以下控制及测 量参考系统 控制系统包括Kongsberg KPOS DP 1 单操控系统 备用控制系统 和DP2 双冗余操控系统 主控制系 统 以及 C Joy 手动操纵系统 其中 DP2 双控台以 及手动操作杆 C Joy 操作终端位于驾控室内 DP1 单 控台位于 DP 备用设备间内 通过转换开关可以在自 动控制系统 主控制系统和备用控制系统 及手动操 纵杆操纵之间进行切换 以及在主控制系统和备用控 制系统之间进行控制转换 DP1 和DP2 控制台分别连 接到位于 DP 备用设备间以及设备间内的 DP 控制处 理单元 处理后的控制指令经冗余网络传输单元A 或 B 发送到各个推进器从而控制其运转状态 转速和方 A 机舱 1 发电机组 2 发电机组 3 发电机组 4 发电机组 5 发电机组 6 发电机组 7 发电机组 8 发电机组 B 机舱 C 机舱D 机舱 A 段主配电板 电气设备间A B 段主配电板 电气设备间B C 段主配电板 电气设备间C D 段主配 电板电气 设备间D 变压器 变压器变压器 变压器变压器变压器变压器 变压器 变频器 变频器变频器 变频器变频器变频器变频器 变频器 1 推进器 2 推进器 3 推进器 4 推进器 5 推进器 6 推进器 7 推进器 8 推进器 NoNo NoNoNoNo G G G GGGG G M M M MMMM M D 机舱 C 机舱 B 机舱 A 机舱 G G G G 电气设 备间D 电气设 备间C 电气设 备间B 电气设 备间A 1 号推进 器室 3 号推进 器室 7 号推进 器室 5 号推进 器室 8 号推进 器室 6 号推进 器室 4 号推进 器室 2 号推进 器室 刘绍岭等 动力定位系统在超深水钻井船上的应用 69 位角 以上配置满足规范所要求的 DP3 系统需配置 三套控制单元且其中一套位于A60 分隔的DP 备用设 备间内 测量定位系统包括四套定位参考系统 2 套GPS 2 套 HiPAP 以及三套风速风向仪 三部电罗经以及 三套垂直参考系统 分别位于带A60 分隔的设备间 DP 备用设备间以及驾控室内 如图 3 所示 以上配 置满足规范所要求的 DP3 系统需配置三套控制单元 且其中一套位于DP 备用设备间内 根据规范要求 控制及测量参考系统配备有三套 230V UPS 给上述系统及设备供电 其中两台位于设 备间内 给主控制系统及传感器供电 另外一台位于 DP 备用设备间内 给备用控制系统及传感器供电 如图3 所示 基于以上配置 通过卫星或HiPAP 定位 周围环 境风速 涌流及船舶姿态 艏向 相对位移等 的监测 将动态采集的信号反馈到计算机处理单元进行计算分 析 再发送控制指令来调整推进器的舵向 转速及推 力以实现船舶的定位 当自动控制失效后 也可通过 独立于自动控制系统的手动操纵杆来进行手动操作 主控制系统和备用控制系统的设备布置 包括 UPS 以及电缆敷设 包括网络传输单元A B对应 电缆之间 应保证A60分隔要求 备用控制系统的传 感器天线应尽量远离主控制系统的传感器天线 图 3 DP 控制及测量系统概要图 5 轮机辅助系统简述轮机辅助系统简述 服务于动力系统 推进系统等的辅助系统 需要 严格的满足三级动力定位的要求 不仅要进行系统之 间的冗余设计 而且还要从防火安全以及破舱进水方 面考虑系统设计的可靠性 在本项目主要包括服务于 主发电机的辅助系统和服务于推进器的辅助系统 对 上述的辅助系统在大连开拓者好钻井船上的应用 简 述如下 5 1 燃油系统燃油系统 燃油系统主要是服务与主发电机组 推进器采用 电力马达驱动 燃油传输系统是从燃油储存舱向燃油 沉淀柜传输燃油 不属于三级动力定位要求的内容 该船提供了四套独立的燃油供给系统 每个机舱分别 布置一个燃油沉淀柜和燃油日用柜 一台燃油分油机 每台主机配备两台燃油供给泵 相关的燃油设备和管 路都布置在机舱内 燃油舱沿着纵向舱壁布置 为了 满足每一道纵向舱壁都是A60 防火分隔的要求 在船 中布置一个隔离空舱 用两道 A0 舱壁满足 A60 的防 火分隔的要求 5 2 滑油系统滑油系统 主机滑油系统采用湿式油底壳润滑 每个机舱布 置滑油存贮柜和两台滑油分油机 在机舱内部设置一 个单独的分油机室 布置两台滑油分油机和一台燃油 分油机 只服务与本机舱的两台主机 每个推进器室 布置独立的滑油和液压油系统 只服务于本地的推进 器设备 对于推进器的滑油重力柜 需要压缩空气保 风速仪 风速仪 IALA 天线 GPS 天线 GPS 天线 IALA 天线 风速仪 设备间 A60 DP 处理器2 驾控室 打印机 A60 DP 备用 设备间 DP 处理器1 垂直参考系统1 垂直参考系统2 DPS 132 HiP AP 控制台1 DPS 200 HiP AP 控制台2 DP 控制台1 2 DP 控制台3 DP 报警控制单元 UPS1 UPS2 网络传输 单元B 网络传输 单元A DP 独立操纵台 垂直参考系统3 隔水管操控系统控制台 UPS3 陀螺 仪1 陀螺 仪2 DP 独立 操纵单元 陀螺仪2 1 控制箱 2 控制箱 3 控制箱 4 控制箱 5 控制箱 6 控制箱 7 控制箱 8 控制箱 1 推进器 2 推进器 3 推进器 4 推进器 5 推进器 6 推进器 7 推进器 8 推进器 船舶电气 导航与自动化控制 70 持压力 而船上不可能提供四套独立的总用和仪表空 气系统 因此在每个推进器室布置了一个压缩空气瓶 其容量可以满足规定时间的消耗 用于给重力柜 推 进器风闸等设备供应压缩空气 以满足三级动力定位 的要求 5 3 起动空气系统起动空气系统 起动空气系统只是针对主机 每个机舱的主机起 动空气系统由两个空气瓶和一台起动空气压缩机组 成 起动空气压缩机可以向邻近的机舱的空气瓶供气 作为应急时向邻近的机舱提供压缩空气 这一管路在 两个机舱内都安装了隔离阀 平时隔离阀保持关闭 本船没有配备单独的应急发电机 八台主发电机都可 以作为应急发电机使用 根据规范要求 空气瓶的容 量要满足主发电机启动三次 应急发电机启动六次 经过与DNV 船级社探讨 在作为应急发电机启动时 每个机舱的两台发电机只要有一台启动即可 不需要 两台都启动 因此空气瓶的容量要可以满足一台发电 机启动六次 另外一台发电机启动三次 即每个机舱 的两个空气瓶容量要可以启动单台发电机九次 并且 要有三次是遥控或者自动启动 5 4 冷却系统冷却系统 冷却系统是三级动力定位中要求比较高的系统 本船采用中央冷却系统 主船体内有四个泵舱 艏艉 各两个 在四个泵舱分别布置四组中央冷却器 一组 服务于一个指定的机舱 另外三组分别服务于三个推 进器舱 两台主海水泵为这四组中央冷却器输送冷却 海水 每一组中央冷却器配备两台专门的淡水冷却泵 输送冷却淡水到指定的机舱和三个推进器舱 对于主 机冷却系统 A 机舱的冷却水来自艏部左舷泵舱 B 机舱的冷却水来自艉部左舷泵舱 C 机舱的冷却水来 自艉部右舷泵舱 D 机舱的冷却水来自艏部右舷泵舱 四组冷却水的设备和管路完全隔离 满足三级动力定 位的要求 对于推进器冷却系统 艏部和尾部分别有 四个推进器舱 以艏部为例 分别为 1 号 3 号 5 号和7 号推进器舱 1 号推进器舱的淡水冷却来自于1 号泵舱 3 号推进器的冷却水分别来自 1 号和 2 号泵 舱 每个泵舱布置一台淡水冷却泵 在进入推进器舱 的管路上安装有遥控阀 遥控阀会根据淡水冷却泵的 启动和停止命令自动开启或关闭 5 号推进器的冷却 水也是分别来自1 号和 2 号泵舱 其原理和3 号推进 器的冷却水系统设计相同 7 号推进器舱的淡水冷却 来自于2 号泵舱 5 5 主机排烟系统主机排烟系统 主机排烟系统采用了风机驱动主动排烟技术 本 船动力模块布置在主甲板上艏部 紧邻生活区 但是 高度比生活区低很多 动力模块向艉紧邻钻井工作区 主机排烟是在动力模块顶部向两舷排放 对于靠船中 的主机 水平排烟管路比较长 排烟背压会比较大 另一方面 烟气会污染船上周围环境 对于生活区和 钻井工作区都会有影响 因此我们在排烟管末端安装 了排烟喷射装置 利用喷射泵的原理 在排烟管内形 成负压 有效减小主机排烟背压 并增加空气流通量 快速稀释吹散烟气 5 6 通风系统通风系统 机舱通风在每个机舱中采用独立的供风系统和排 风系统 风机均配有变频器控制 通过传感器检测机 舱内温度和压力情况 来调节风机转速 既可以保证 内部稳定的工作环境 也可以在主机不同工况下变频 调速达到节约能源的效果 此外在常规送风和排风的 基础上 在每个机舱内安装了风机盘管 采用淡水冷 却 在机舱通风完全停止的情况下 通过风机盘管的 冷却作用 维持机舱的温度不超过50 保证发电机 的正常运转 主要目的是在井喷等恶劣工况下 机舱 通风口检测到有毒气体 可燃气体时导致机舱通风需 要关闭 但是为了保证钻井作业的正常进行和后续处 理工作 发电机需要继续运转 因此该设计提高钻井 船工作的可靠性和安全性 推进器室通风系统采用各 自独立的供风和排风设计 保