Системы динамического позиционирования: новые задачи и тенденции развития

ДП суда – суда, оборудованные системой динамического позиционирования, возникли первоначально как буровые суда.
Буровое судно или буровая платформа оборудовались системой ДП в помощь якорным системам удержания, а затем, с переходом на все большие глубины бурения, ДП стало единственным средством удержания судна (платформы) в точке. Система ДП здесь используется для удержания и перемещения судна таким образом, чтобы буровая колонна имела требуемую конфигурацию. Кроме того, применяется автоматическое управление курсом, обеспечивающее минимизацию воздействия на судно возмущающих воздействий: течения, ветра и волн.

В дальнейшем развитие индустрии морской нефтедобычи определило потребности в ДП судах, поддерживающих технологии добычи нефти на море. К ним относятся следующие типы судов:

AHTSV (Anchor Handling Tug Supply vessels) – буксиры якорезаводчики, предназначенные для буксировки (транспоритовки) буровых и продуктовых платформ, а также для постановки их на якоря путем заводки в заданные точки.
OSV (Offshore Support vessels), PSV (Platform Supply Vessels) – суда снабжения, предназначенные для доставки грузов и экипажей на платформы. Система ДП здесь используется для удержания и обеспечение малых перемещений судна под краном платформы, в процессе перегрузки материалов.
DSV (Diving Support Vessels) – водолазные суда, предназначенные для поддержки строительных и ремонтных подводных работ. В основном это работы на устьях скважин и трубопроводах. Система ДП используется для удержания судна в точке. И помимо требования отказоустойчивости, к ДП предъявляются специальные требования обеспечения безопасности водолазов, находящихся в непосредственной близости к пропульсивной установке судна.
ROV (Remotely Operated Vehicle) Support – cудно, оборудованное телеуправляемым подводным аппаратом. Пилот аппарата управляет движением аппарата, а судно должно автоматически следовать за ним. Для этого класса судов система ДП, наряду со стандартными режимами удержания судна, обеспечивает и режимы сопровождения подводного аппарата. Эти суда используются для различных задач по инспекции подводных объектов, а также для визуализации при подводном строительстве. Обследование и монтаж оборудования на устьях скважин, визуализация процесса установки оффшорных и подводных конструкций на заранее подготовленные подводные основания, обследование состояние и повреждения подводных трубопроводов и кабелей, визуализация процесса покрытия кабелей защитными матами, и.т.д.

Имеются и другие типы ДП судов, специально спроектированные для достижения наилучшего качества позиционирования при заданных погодных условиях. Для этих судов режимы ДП являются основными и ради них данные суда и строятся.

Кроме нефтяной индустрии, развитию ДП судов способствовал и ряд других отраслей. Интенсивное развитие телекоммуникационной отрасли и интернета породило потребность в судах для прокладки легких сигнальных (оптоволоконных) кабелей. Появление морской ветроэнергетики привело к созданию кабелеукладчиков тяжелых силовых кабелей.

Кабелеукладочные суда применяются, как для укладки кабеля, так и для его ремонта. При укладке кабеля основными режимами системы ДП являются либо управление движением судна по заданной траектории, либо управление движением точки касания кабеля дна по траектории с поддержанием скорости судна и контролем натяжения кабеля. Скорость судна может быть различной: в зависимости от типа кабеля и способа его укладки и лежит в диапазоне 0.1 - 6 узлов. Воздействие кабелеукладочного оборудования на судно может быть как минимальным (при укладке кабеля на дно), так и достигать нескольких десятков тонн (при заглублении кабеля в грунт при помощи подводного плуга).

При ремонте кабеля используется большее число ДП режимов, в том числе при поиске обрыва – сопровождение судном телеуправляемого подводного аппарата (ROV), а также позиционирование в точке при подъеме кабеля на борт для ремонта.

За последние 20 лет оборудование различных судов системами ДП из уникального превратилось в массовое явление. Это привело к существенному удешевлению систем ДП, что в свою очередь стимулировало судовладельцев к расширению их использования. Появились целые классы судов, где системы ДП не являются обязательными, но оказываются полезными или даже незаменимыми для некоторых судовых операций. При этом такие суда не проектируются и не оптимизируются как ДП суда, так как имеют иное основное назначение. Можно указать следующие классы судов, на которые система ДП стала устанавливаться все чаще и чаще:

Ferry – большие автомобильно-пассажирские паромы (длиной от 70 до 290 метров). Суда оборудованы сложной пропульсивной установкой (два винта и руля, два или три носовых тоннельных подруливающих устройства или 2-4 винторулевые колонки). Швартовка судна вручную - сложная задача, сопряженная с риском. Учитывая, что швартовка производится по нескольку раз в день, становится понятной полезность применения для этой операции системы ДП. Здесь ДП система используется для ручного координированного управления пропульсивным комплексом, обеспечивая маневрирование и швартовку судна при помощи одного джойстика. Это позволяет сократить время швартовки, т.е. оставаться в рамках расписания, и сделать ее более безопасной.
Круизные суда – это также очень большие и мощные суда. Система ДП используется для швартовки и, кроме того, специального режима управление судном. У пассажиров таких круизов большой популярностью пользуется морская прогулка на шлюпках по коралловым рифам. Использование якоря в этих районах запрещено, поэтому для обеспечения безопасности перехода пассажиров с судна на шлюпки и обратно (tendering) используется специальный режим динамического позиционирования, реализующий функцию "электронный якорь".
Ледоколы – круглогодичная добыча нефти на арктическом шельфе и в высоких широтах, привела к созданию судов снабжения усиленного ледового класса и ледокольных судов снабжения. Функции ДП для этих судов являются обязательными, но вместе с тем классические системы ДП не могут работать во льдах. В настоящее время ведутся работы по созданию специализированных ДП систем - Ice DP. Одна из основных проблем здесь - необходимость работы пропульсивной установки в так называемом режиме POWER mode. Сложность реализации состоит в том, что в этом режиме отрабатываются не заданные обороты винтов, а поддерживается мощность гребных электродвигателей даже в случае остановки вращения винтов льдом.
Дноуглубительные суда – земснаряды. Появление больших земснарядов – землесосов с емкостью бункера до нескольких десятков тысяч тонн пульпы делает практически невозможным ручное управление судном и грунтоприемником в процессе проведения дноуглубительных работ. В результате появились DP/DT системы – специфическая ДП система для земснаряда с буксируемым грунтоприемником. Основным режимом является управление движением грунтоприемника по заданной траектории с поддержанием требуемой скорости движения и контролем силы воздействия на судно. Сложность задачи определяется большими рабочими глубинами (50 м и более), значительными силами, действующими на судно со стороны грунтоприемника (десятки тонн) и большой мощностью, отбираемой грунтонасосами земснаряда (до 80% мощности двигателей, лишь 20% остается для управления движением).
Crew Boat, FSIV (Fast Speed Intervention Vessels) – Скоростные суда снабжения. Первоначально появились CrewBoats – суда для перевозки персонала морских платформ. Использование стандартных PSV для этих целей малопригодно, так при стандартной для этих судов скорости 10-12 узлов может потребоваться 24 и более часов движения. Следовательно, суда должны иметь каюты и прочие помещения для 70 - 100 человек. Использование вертолетов также сопряжено с рядом сложностей, в первую очередь ввиду зависимости от погодных условий. Поэтому появились суда для перевозки до 100 пассажиров и небольших грузов (100-200 т) со скоростью 28 - 30 узлов. Время доставки при этом составляет 6 - 10 часов, поэтому каюты не требуются. Судно специально проектируется как скоростное и его конструкция оптимизируется под такие скорости и соответствующую мореходность. В результате получаются легкие алюминиевые суда с малой осадкой, водоизмещением 300 - 500 т, имеющие 4 винта или водометных движителя мощностью 1200 - 2500 л.с. каждый и два небольших руля.

Переброска персонала осуществляется при помощи крана платформы в специальной беседке по 2 - 4 человека. Достаточно безопасно это можно сделать только в режиме удержания судна в точке, в связи с чем, данные суда оснащаются системами ДП. Понятно, что критерии проектирования скоростного судна не соответствуют ДП. С другой стороны, такие суда должны качественно позиционироваться. Эти две задачи противоречат друг другу с точки зрения конструкции судна. В результате скоростные суда являются одними из самых сложных для задач позиционирования, что связано со следующими особенностями их конструкции. Рассмотрим только суда с винтами фиксированного шага, как наиболее массовые и проблемные для ДП.

В режиме ДП винты работают враздрай для создания нулевой продольной управляющей силы. ДП винты, будучи спроектированными для работы на максимальной скорости, оказываются "тяжелыми", что приводит к перегрузке двигателей уже на 50% от максимальных оборотов. Проблему можно решить либо использованием ВРШ, что существенно увеличивает стоимость судна, либо установкой двухступенчатого редуктора с использованием пониженной передачи в режимах ДП. Последнее также недешево, но позволяет обеспечить необходимое качество позиционирования. На некоторых судах устанавливаются муфты скольжения (trolling valves), позволяющие обеспечить скорость вращения винта, близкую к нулю. Это решение, немного улучшает ситуацию, но не решает проблему так радикально, как двухступенчатый редуктор.

Требования высоких скоростей (28 - 30 узлов) не позволяют использовать винты в насадке, как на традиционных ДП судах. Отсутствие насадок приводит к появлению существенных "паразитных" – боковой силы и момента на корпусе судна – wheel effect. Учет этих сил и моментов требует высококачественных математических моделей и серьезно усложняет алгоритмы ДП систем, к тому же в любом случае они не могут быть учтены полностью. Наличие четырехвального пропульсивного комплекса не позволяет разместить в корме подруливающее устройство. Поэтому единственная возможность создания боковой силы в корме – совместная работа руля и винта, при этом рули у скоростного судна имеют малую площадь и, следовательно, создают малые боковые силы. Эти особенности приводят к узким диаграммам удержания судна при боковых возмущениях и, как следствие, существенно осложняют достижение качества позиционирования.

Малая осадка скоростных судов приводит к неглубокому погружению винтов и носового подруливающего устройства, что является причиной кавитации на волнении и, как следствие, неконтролируемой потери тяги. И наконец, малый вес судна (300 - 500т.) и колоссальная мощность пропульсивного комплекса (4000 - 10000 л.с.) приводят к необходимости тщательной калибровки управляющих сил и высокого быстродействия, так как минимальный дисбаланс сил в продольном направлении приводит к быстрому уходу судна с позиции.

Приведенный анализ различных приложений ДП на судах показывает, что в настоящее время происходят изменения массового сознания и подхода к системам ДП.

Возникает все больше приложений ДП, появляются новые классы судов для этих приложений. Системы ДП становятся более массовыми и дешевыми. При этом они усложняются, приобретая способность решать задачи, для которых еще недавно их не пытались использовать. Ситуация напоминает истории с внедрением радара на судах в 50-х – 60-х годах и ECDIS в 90-х годах прошлого века: первоначально это оборудование устанавливалось только на уникальных судах, а в настоящее время оно устанавливается на все суда и является обязательным.

Для справки:

Компания "Навис" является разработчиком, производителем и поставщиком систем управления движением и одним из немногих мировых экспертов в области динамического позиционирования судов. В 2002 году компания первой на мировом судостроительном рынке предложила решение для позиционирования легкокорпусных скоростных судов для перевозки персонала морских платформ. Система управления динамическим позиционированием (ДП) судна Navis NavDP 4000 установлена более чем на 100 судах этого класса, из них более 30 судов спроектировано и построено на верфях голландской компании "Damen Shipyard" по проекту "FSV 5009". К настоящему времени это решение обеспечило компании лидирующие позиции в мире по производству систем управления ДП для данного типа судов.

Система Navis NavDP 4000 установлена на суда снабжения проекта "Bourbon Liberty 100/150" и суда буксиры-якорезаводчики серии "Bourbon Liberty 200". Системами управления ДП производства компании "Навис" оснащены более 90 судов этих трех серий. Сегодня компания "Навис" – основной поставщик систем управления ДП французской судоходной компании "Bourbon", владеющей одним из самых больших оффшорных флотов в мире.

Исключительно высокие требования к безопасности и надежности функционирования системы управления ДП предъявляются на водолазных судах. Например, такие суда как DSV "Constructor", принадлежащее голландской компании "Smit Subsea" и судно "Don Amado" мексиканской компании "Oceanografía S.A. de C.V." имеют системы Navis NavDP 4000.

Исследовательские суда, оборудованные подводным управляемым аппаратом, "Pathfinder" голландской компании "Noordhoek" и "Resolution" - владелец судна компания "Miclyn Express Offshore", Сингапур - снабжены системой Navis NavDP 4000. Летом этого года в кратчайшие сроки было произведено переоборудование судна "Искатель" для компании " Subsea Survey Solutions" (г. Санкт-Петербург, Россия) из судна снабжения в исследовательское судно с подводным телеуправляемым аппаратом. Компанией "Навис" поставлена система управления динамическим позиционированием класса ДП2, соответствующая знакам DYNAPOS-AUTR DNV и DYNPOS-2 Российского Регистра.

Системой Navis NavDP 4000 оснащен инновационный 214-метровый круизный паром "Viking Grace", который использует в качестве альтернативного топлива сжиженный природный газ. Паром принадлежит компании "Viking Line". Система управления ДП производства компании "Навис" также установлена на новый высокотехнологичный круизный лайнер премиум класса "Mein Schiff 3" водоизмещением 99 430 тонн, спроектированный и построенный на верфи "STX" (г. Турку, Финляндия) для компании "TUI Cruises". Система разработана в тесном сотрудничестве с заказчиком и имеет специальные функции, которые обеспечивают существенное сокращение расхода топлива, особенно во время стоянки лайнера на рейде для осуществления высадки пассажиров на небольших катерах на берег и доставки обратно на судно (так называемый tendering).

Система Navis NavDP 4000 установлена на уникальном многофункциональном аварийно-спасательном судне ледокольного класса "Балтика" (Росморречфлот, Россия). Спроектированное компанией "Aker Arctic" (г. Хельсинки, Финляндия) судно было построено на верфи "Arctech" (г. Хельсинки, Финляндия). Впервые в истории судостроения удалось успешно решить задачу управления движением ледокола с ассиметричной формой корпуса и ассиметричным расположением пропульсивных устройств.

Один из недавно осуществленных проектов – система управления ДП для самого мощного в мире неатомного многофункционального линейного ледокола мощностью 25 МВт (проект 22600, Росморречфлот, Россия), строящегося в настоящий момент на Балтийском заводе в городе Санкт-Петербурге.

Компания "Навис" является одной из немногих в мире, успешно расширивших функциональность системы динамического позиционирования специальными режимами для дноуглубительных судов (земснарядов). Такая система установлена на судно "Reimerswaal" голландской компании "Reimerswaal Dredging", а также на одно из самых больших дноуглубительных судов в Азии "Tong Tu" китайской компании "China Communications Construction Co Ltd" с ёмкостью бункера более 15000 м³ и максимальной рабочей глубиной 90 м.

Компания "Навис" входит в пятерку мировых лидеров рынка систем динамического позиционирования, разработанных с учетом последних достижений в области технологии и дизайна, пожеланий опытных операторов систем ДП, рекомендаций Международной ассоциации морских подрядчиков (IMCA) и требований ведущих морских классификационных обществ (DNV, ABS, LR, BV, CCS, GL, RS).

За время работы компания "Навис" поставила более 500 ДП систем на суда самых различных типов и признана в мире надежным поставщиком систем динамического позиционирования.

Мирошников А.Н.
Генеральный директор ЗАО "Навис"

Антоненко В.П.
Заместитель директора по проектам и технической поддержке продаж ЗАО "Навис"