半潜式钻井平台锚泊定位锚链张力优化

半潜式钻井平台锚泊定位锚链张力优化

石建峰 1，陈红卫1，王莉1

（江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003）

摘要：半潜式平台长期在海洋上生产作业时,为了防止其在外界环境风、浪、流的干扰下发生漂移，通过锚泊定位控制平台使其始终在安全范围内工作。当锚泊系统平台某角某一根或多根锚链张力过大或过小时，就会造成锚链因疲劳而断裂及能量的浪费。为充分发挥所有锚链的能力，使各锚链张力值尽量接近，对锚泊定位锚链张力进行研究。在遗传算法的基础上结合非线性规划算法进行锚链张力优化，结合两种算法的优点让优化结果具有更高的精度。最后，应用所建立的数学模型在Matlab/Simulink仿真环境下对981钻井平台进行仿真试验，仿真结果表明能在满足锚链张力均衡分布的情况下充分满足平台的作业要求，保证海洋平台工作的安全性。

关键词：深水半潜式平台；锚泊定位；数学建模；遗传算法；仿真 中国法分类号 TP391.9 ; 文献标志码 A

Research on optimization of chain tension for mooring anchor

for semi-submersible Platform

SHI Jianfeng1,CHEN Hongwei1,Wang Li1

(School of Electronics and Information, JiangSu University of Science and Technology, Zhenjiang

212003, China)

[Abstract]: The semi-submersible platform works in severe sea condition through the anchor mooring positioning, in order to prevent the platform in the external environment to drift under the interference of wind, wave and flow. This paper research on anchoring positioning chain tension. The genetic algorithm combined with nonlinear programming algorithm which can improve the optimization efficiency was adopted to optimize the tension, avoid the tension too large or too small which in platform of a corner, resulting in the chain due to fatigue fracture and energy waste. Simulation results of 981drilling rig was carried out on both in the standby condition and in operation condition, and the simulation in matlab/simulink results show that the scheme is effective to balance the distribution of tensions and keep the position of offshore platform. [Keywords]:deepwater semi-submersible;anchor mooring positioning; mathematic modeling; genetic algorithm; simulation

基金项目：江苏省产学研联合创新资金（BY2013066-08）；江苏科技大学海洋装备研究院科研基金（HZ2015006）

作者简介：石建峰（1992-），男，江苏省如皋人，硕士研究生。主要从事船舶自动化、计算机仿真的研究。 陈红卫（1966-）女，教授，主要从事船舶自动化、计算机仿真的研究。

0 引言

南海海洋环境极端复杂恶劣，半潜式钻井平台满足了我国南海深海油气资源开发的需求，它抗风浪能力突出、甲板空间大，1 数学建模

1.1 平台系统数学建模

半潜式平台在海上的运动是六自由度运动，在锚链张力优化研究中仅考虑纵向、适用水深范围广。一般在1500米以内的深海区，半潜式平台通过锚泊定位在特定海域进行作业。半潜式平台锚泊系统，通过用锚及锚链、锚缆将平台系于海上，从而限制由风浪流引起的漂移，使其保持在预定位置上。

以工作在我国南海海域的981深水半潜式钻井平台作为研究对象[1-3]，它具有石油天然气勘探、海底钻井等多种功能，最大作业水深达1500米深，981半潜式钻井平台主要结构由四大部分组成:上层甲板、4个立柱、4个横撑和2个浮体，主要参数如表1所示。锚泊系统锚链的布置方式如图1所示，12锚缆成对称式布置，一共4组，每组3根。

图1 平台系泊系统布置 表1 深水半潜平台主要参数

类型

单位

数值

甲板 m×m×m 74.42×74.42×8.60 立柱 m×m×m 17.385×17.385×21.46 浮体 m×m×m

114.07×20.12×8.54

生存吃水 m 16 作业吃水

m

19

横向和艏摇三自由度水平面运动，简化后的半潜式平台近似低频运动数学模型为[4-6]：

??Mv?Dv?????R(?)v （1） 式中：

R(?)为转换/旋转矩阵；v?[u,v,r]T为运动坐标系下纵荡、横荡和摇艏的速度；

??[x,y,?]T为固定坐标系下纵荡、横荡和

摇艏值；M为惯性矩?M?MA?MRB?，

包括附加质量和附加惯性矩阵；

D为阻尼矩阵；?为钻井平台所受的外力，包括风、流、和二阶波浪漂移作用引起的环境干扰力、锚链的张力。矩阵MRB、MA、D的组成形式如下：

??Xu00???D???0?YY??cos()?sin(?)0?v?rR(?)?sin(?)cos(???0?Nv?Nr???)0?????001???m00???Xu?00?MRB???0mmxg?? M?0?Y?； A??v??Yr???0mxgIz?????0?Nv??Nr???1.2 环境载荷建模 1.2.1风载荷 风载荷的建模研究比较成熟，作用于平台上所产生的风力和风力矩为[4]：

??Xwind?0.5?aV2wCX(?w)A?T?Y2?wind?0.5?aVwCY(?w)AL（2） ??Nwind?0.5?aV2wCN(?w)ALL式中：Xwind，Ywind，Nwind分别为风干扰

下产生的纵荡力、横荡力及艏摇力矩；?a为空气密度；VW为海面以上10 m的平均风速；CX(?w)，CY(?w)，CN(?w)分别为纵荡、横荡方向的风力系数和艏摇方向的风力

系数，采用OCIMF的风力系数和风力距系数数值[7]；AT和AL为平台水面以上部分的纵向截面积的总和及横向截面积的总和。L为平台的总长。 1.2.2 流载荷

海流对平台的作用力和力矩建模为[4]：

2.1 最优控制策略模型

海上半潜式钻井平台进行作业时，其锚泊系统所有锚链共同作用来平衡环境载荷及其产生的外力矩；为防止单根或多根锚链因疲劳使用而断裂，同时又充分发挥所有锚链的能力，各锚链张力值应尽量接近[8-10]。

设定目标函数为任意锚链之间张力差

?Xcurrent?0.5?Vc2CX(?)A??

??Y0.5?V2（3）

?current?cCY(?)As?N2 ?current?0.5?VcLCN(?)As

式中：Xcurrent，Ycurrent，Ncurrent分别表示海流干扰作用到被控平台上产生的纵荡力、横荡力和艏摇力矩；?为海水密度取

1.025kg/m3；Vc海流流速；L为被控平台

总长；A?和AL分别为海面以下部分的纵向截面积的总和及横向截面积之和。CX(?)，

CY(?)，CN(?)分别是平台的纵荡力系数，

横荡力系数以及艏摇力矩系数[7]。 1.2.3 二阶波浪力

二阶波浪力是波浪作用于钻井平台使其缓慢偏离原来位置的力，在研究平台的低频响应时必须对二阶波浪力加以控制。

二阶波浪力通过经验公式计算[4]

：

?2?Xwave?0.5?gL?Cxwcos??Y2wave?0.5?gL?Cywsin?（4） ??N25?gL2?2wave??0.Cnwsin?式中：Xwave，Ywave，Nwave分别表示纵荡、横荡和艏摇干扰力/力矩；?为平均波幅；Cxw，Cyw，Cnw分别为纵向力漂移系数、横向力漂移系数和艏摇漂移系数[7]；?为海水密度；g为重力加速度；L为平台的

平台长度；

?为波浪与半潜式钻井平台中线面的夹角。

2 锚泊定位系统张力优化

的平方和最小来达到张力优化目的，建立规划模型[11-12]：

1212minF???(T2i?Tj) （5）

i?1j?1为了防止平台在环境载荷作用下发生慢漂运动，通过等式约束来保证海洋平台的位置[11-12]：

?12??Ticos?i?Fx?0?i?1?12 ???Tisin?i?Fy?0i?1?12???Tidi(?cos?isin?i?sin?icos?i)?N?0i?1其中：Fx和Fy为海洋环境横荡及纵荡方向上的扰动力；N为海洋环境艏摇方向上的干扰力矩；Ti为锚链张力；?i为锚链的布置角度；?i为着缆点和平台中心的连线

与x轴的夹角；

di为着缆点到平台中心位置的距离。

不等式约束用来保证锚链的安全性：

Tmin?T?Tmax

2.2 优化算法

上述约束条件中存在着等式约束，变量的个数是12，等式约束有3个，选择其他9个锚链张力变量T1,T2,?T9作为设计变量，其余3个变量T10,T11,T12由线性方程组求出，由此保证等式约束成立。

遗传算法全局搜索能力强，计算时效性