深水半潜式钻井平台动力定位系统研究

论文摘要

随着我国船舶工业和深海油气开采事业的发展,传统船舶与海洋工程定位系统显然已经不能满足深海平台正常作业的需求,而先进的动力定位技术具有很多优点,已经被广范应用于多种海洋平台作业中,尤其是近年来得到了快速发展。因此,对动力定位系统的研究与分析对海洋工程的发展具有重大的现实和指导意义。本文以一座深水半潜式钻井平台为研究对象,主要围绕其环境载荷和动力定位系统理论分析的相关方面展开研究。首先,简单分析了半潜式钻井平台动力定位系统的基本设计要求,并介绍了应用于半潜平台动力定位的推力系统,给出了具体的配置方案,这些都为后续工作包括数学建模以及数值研究奠定了基础。为获取准确的环境载荷数据以供动力定位系统分析所用,本文对半潜平台的环境载荷进行了理论计算,重点讨论了二阶波浪漂移力的计算,引入了一种远场理论与经验公式相结合的漂移力计算方法,并对数值计算结果进行了分析和评价,形成适用于半潜式平台环境载荷计算的技术手段。依据规范指导意见,结合推力系统和环境载荷的数学模型,编制动力定位能力计算程序,并绘制半潜平台设计工况下的定位能力曲线,对完整模式和各种失效模式下动力定位能力进行分析,检验了动力定位系统的安全可靠性。此外,本文根据PID控制理论、Kalman滤波技术和最小功率消耗推力分配逻辑建立了半潜平台整个动力定位系统的数学模型,并编写了相应的仿真程序,对半潜平台动力定位系统在设计工况下的定位性能进行时域动态模拟,并考虑了推力器的完整模式和失效模式。通过分析平台运动、定位精度、功率消耗、推力器工作状态等模拟结果,验证了该动力定位系统符合设计要求,并有着良好安全性和经济性。通过本课题的研究,可以掌握深水半潜式钻井平台动力定位系统的基本研究方法,为实际工程设计提供了极具价值的参考,也为开发国内自主知识产权的动力定位分析系统打下了较好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题研究背景和意义
• 1.2 动力定位系统简介
• 1.3 国内外研究动态及进展
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 半潜平台动力定位的基本设计要求
• 2.1 动力定位系统的基本功能
• 2.2 动力定位的环境条件
• 2.3 动力定位精度
• 2.4 动力定位系统的等级
• 2.5 本章小结
• 第3章 半潜平台动力定位的推力系统
• 3.1 推力器的性能参数
• 3.2 推力器的型式
• 3.2.1 全回转推力器
• 3.2.2 吊舱推力器
• 3.3 水动力干扰对推力系统的影响
• 3.3.1 推力器与推力器间的干扰
• 3.3.2 推力器与船体间的干扰
• 3.3.3 推力器与海流间的干扰
• 3.3.4 推力器与波浪间的干扰
• 3.4 推力系统的配置方案
• 3.5 推力系统的冗余度及失效模式
• 3.6 本章小结
• 第4章 半潜平台环境载荷分析
• 4.1 半潜平台主要参数及参考坐标系
• 4.2 风载荷
• 4.3 流载荷
• 4.4 二阶波浪漂移力
• 4.4.1 二阶漂移力计算理论
• 4.4.2 计算波浪二阶漂移力
• 4.4.3 二阶波浪漂移力算法验证
• 4.5 环境总载荷分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 半潜平台动力定位能力分析
• 5.1 动力定位能力曲线计算方法
• 5.1.1 动力定位能力曲线的计算标准及依据
• 5.1.2 定位能力曲线计算流程
• 5.2 半潜平台定位能力曲线的计算
• 5.3 定位能力计算结果分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 半潜平台动力定位时域动态分析
• 6.1 平台运动的数学模型
• 6.1.1 基本坐标系
• 6.1.2 平台的运动方程
• 6.2 控制系统
• 6.2.1 PID控制理论
• 6.2.2 Kalman滤波
• 6.2.3 推力分配
• 6.3 动态模拟流程
• 6.4 半潜平台动力定位动态模拟
• 6.4.1 定点能力分析
• 6.4.2 复位能力分析
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢