Оценка безопасности выполнения динамического позиционирования бурового судна методами математического моделирования

Актуальность темы

Обеспечение безопасности всех операций, связанных с разведкой, добычей и транспортировкой углеводородов в акваториях Мирового океана продолжает оставаться насущной проблемой. Сложность технической оснащенности, трудоемкость процесса управления специализированными судами, используемыми при проведении исследований и освоении природных запасов морских шельфов, диктуют необходимость совершенствования судовых систем управления.

При анализе работы бурового судна, позиционирующего в заданной точке, главное внимание исследователя вызывают воздействия со стороны внешних факторов и их отрабртка судовой системой динамического позиционирования (ДП). Воздействие внешних факторов специфично и связано с наличием на борту бурового оборудования. В первую очередь к нему отнесем буровую вышку (надводное оборудование) и буровую колонну (подводное оборудование). Первая изменяет ветровое воздействие на судно, вторая — воздействие течения. Работа систем динамического позиционирования также специфична и не всегда прозрачна для судоводителя. Опыт работы с системой приобретается не сразу и требует вдумчивого анализа эксплуатационных случаев, требующих человеческого вмешательства, на что способен не каждый судоводитель. Техническая документация разработчиков проекта судна с системами ДП обычно содержит радиальные диаграммы скоростей ветра, при которых возможно удержание судна с помощью его движительно-рулевого комплекса. Однако, как показывает практика эксплуатации буровых судов, предельные значения скоростей ветра, при которых возможна безаварийная работа бурового судна, существенно меньше устанавливаемых технической документацией разработчиков проекта систем динамического позиционирования. Поэтому оценка безопасности выполнения динамического позиционирования бурового судна является актуальной проблемой.

Свою специфику йдоеют также движители, которые работают при удержании бурового судна на точке: носовые подруливающие устройства (НПУ) 5 и поворотные винтовые колонки (ПВК), которые работают в группе, что существенно изменяет условия их обтекания, создавая сложные скосы потоков на них, и развиваемые ими усилия. Эту специфику судоводитель может осваивать интуитивно в рабочем режиме, последовательно накапливая и совершенствуя опыт работы с системой, что требует значительного времени и определенных практических навыков.

Альтернативой субъективности в вопросе оценки безопасности выполнения динамического позиционирования бурового судна может быть только математическое моделирование системы (модели судна, бурового оборудования, движителей, внешних воздействий, модели совместной работы) и компьютерное оценивание безопасности работы на основе таких моделей. Насущная необходимость такого моделирования гарантирует актуальность настоящего исследования.

Рассматриваемая в настоящей работе проблема создания комплексной математической модели функционирования бурового судна естественным образом погружается в общую проблему моделирования и идентификации моделей. Первый этап построения математической модели (ММ) любого процесса состоит в выборе общей структуры модели и класса уравнений, которыми предполагается описывать наблюдаемый процесс. Это составляет так называемую задачу структурной идентификации. После выбора структуры модели и класса уравнений встает задача оценки числовых значений констант модели, которые не измеряются непосредственно. Они определяются с помощью имеющихся экспериментальных данных, т. е. по ряду значений измеряемых в эксперименте переменных. Этот этап и принято называть задачей параметрической идентификацией модели. В рамках создания общей (комплексной) модели сложного процесса приходится производить его декомпозицию, т. е. разбиения на более т простые составляющие с последующей разработкой их частных моделей. В финале частные модели сводятся в комплексную модель, описывающую работу системы в целом.

Неоспоримо общее мнение по поводу необходимости создания адекватной математической модели конкретного судна. Когда сама модель уже выбрана тем или иным способом, возникает проблема определения параметров — коэффициентов моделей. На этом этапе предпочтение отдается не теоретическому вычислению параметров модели, а их определению на основе натурных испытаний судна в различных рабочих режимах. Особенно перспективна эта идея, если идентификация проводится в реальном масштабе времени, когда найденные параметры могут сразу же использоваться для прогнозирования ближайших состояний судна. Изменение внешних воздействий непосредственно скажется на идентифицируемых параметрах и, следовательно, на качестве предсказаний поведения судна. Именно это составляет главный интерес практического моделирования.

Целью диссертационного исследования является оценка безопасности выполнения динамического позиционирования бурового судна методами математического моделирования. Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

— разработать модель, описывающую работу носовых подруливающих устройств;

— разработать модель, описывающую работу поворотных винтовых колонок;

— разработать модель воздействия ветра на надводную часть корпуса судна с учетом буровой вышки;

— разработать модель воздействия течения на подводную часть корпуса судна с учетом буровой колонны;

— на основании этих частных моделей создать комплексную модель системы, описывающую динамику бурового судна в режиме динамического позиционирования;

— произвести оценку безопасности функционирования бурового судна в режиме динамического позиционирования по критерию нормативной нагрузки судовой энергетической установки (СЭУ) судна при совокупности внешних воздействий.

Объектом исследования является буровое судно, снабженное системой динамического позиционирования, работающее в режиме удержания судна в точке бурения при изменяющихся внешних условиях.

Предметом исследования является оценка возможности безопасного удержания судна на точке с помощью имеющихся на борту движителей — двух носовых подруливающие устройств и двух поворотных рулевых колонок при их нормативных нагрузках. В основу такой оценки положен критерий нормативной нагрузки судовой энергетической установки.

Научная значимость результатов работы. В диссертационной работе получены следующие основные результаты, определяющие её научную значимость:

— структурирована и идентифицирована модель, описывающая работу носовых подруливающих устройств;

— структурирована и идентифицирована модель, описывающая работу поворотных винтовых колонок;

— смоделировано воздействие ветра на буровую вышку, расположенную на палубе судна;

— смоделировано воздействие течения на буровую колонну, пристыкованную к подводной части корпуса судна;

— сведены частные модели элементов системы в комплексную математическую модель с возможностями оценки безопасности функционирования судна в различных районах Мирового океана;

— произведена оценка безопасности функционирования бурового судна с системой ДП при совокупности внешних воздействий, в основу которой положен критерий нормативной нагрузки СЭУ судна.

Методы исследования. При выполнении работы применялся экспериментально-теоретический метод исследования. Для выполнения теоретической части использовался аппарат дифференциальных уравнений, теории оптимального управления, математической статистики, теории аппроксимаций. Экспериментальная часть заключалась в обработке результатов натурных экспериментов по т отработке буровым судном ветроволновых воздействий с использованием специально созданного с участием автора комплекса программ для ЭВМ в системе программирования Visual Basic (VB6). На всех этапах работы широко использовалась вычислительная техника, так, при аппроксимации всех аналитических зависимостей применялся математический пакет MathCad 7.0.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты диссертационной работы могут быть использованы при практической оценке безопасности функционирования буровых судов подобного типа в различных районах мирового океана с учетом их гидрометеорологической специфики. Они могут быть использованы и шире, например, для описания процессов швартовки крупнотоннажных танкеров, снабженных движителями типа НПУ и ПВК. Все это в совокупности может использоваться в процессе подготовки инженеров-судоводителей в морских учебных заведениях.

Реализация работы. Результаты исследований диссертационной работы использованы в качестве рекомендаций по обеспечению безопасной эксплуатации бурового судна при выполнении производственных работ в ОАО «АМИГЭ», использованы при математическом моделировании и швартовных операциях буксиров с поворотными, винторулевыми колонками при оценке безопасности выполнения швартовных операций танкеров к борту ПНТ «Белокаменка» и вошли в эксплуатационные регламенты бурового судна «Бавенит» и ПНТ «Белокаменка». Результаты экспериментальных и теоретических исследований используются специалистами комплекса судовых тренажеров НОУ «УТЦ Северного бассейна» при профессиональной подготовке и переподготовке судоводителей при решении задач по управлению судном с учетом маневренных характеристик в конкретных условиях плавания. Использование результатов диссертационной работы оформлено актами внедрения и справкой, представленными в Приложении 2 диссертации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены в виде четырех докладов на международных научно-технических конференциях «Наука и образование» в Мурманском государственном техническом университете (2008 — 2010 гг., г. Мурманск).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, общим объемом более 4,4 п. л., из них более 2,8 п. л. написаны лично автором, в том числе две статьи опубликованы в ведущем рецензируемом научном журнале, рекомендованном ВАК Минобрнауки РФ для опубликования основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, получено одно свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается с помощью вычислительных модельных процедур и сравнения их с результатами натурных испытаний в режиме производственных процессов на буровом судне. При этом математические модели были построены на основе известных физических законов, которые описывают характер функционирования исследуемой системы. Хорошее совпадение таких результатов дает возможность считать построенные модели адекватными.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методика расчета тяговых усилий носовых подруливающих устройств.

2. Методика расчета тяговых усилий поворотных винтовых колонок.

3. Способ расчета ветровых нагрузок на буровую вышку.

4. Способ расчета гидродинамических нагрузок на буровую колонну.

5. Комплексная модель работы бурового судна в режиме ДП.

6. Методика оценки безопасности при удержании бурового судна на точке.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 202 страницы, основной текст диссертации содержит 181 страницу, 39 таблиц и 53 рисунка. Библиография содержит 59 наименований на 6 страницах, включая работы автора, приложения на 21 странице, в том числе акт маневренных испытаний, два акта внедрения и справку об использовании результатов диссертационной работы.

Основные результаты испытаний по определению коэффициентов сопротивления буровой вышки приведены на рис. 3.9 [13], и определены как справочные. Они получены для буровой вышки, расположенной на понтоне. Поэтому данные результаты можно перенести на БП на судне только с оговорками. Однако других аналогичных результатов нам не известно.

Рис. 3.9. Осевое и поперечное усилия, действующие на буровую вышку.

Наиболее важным результатом выполненных исследований является установление факта зависимости сопротивления БП от ее положения на морском объекте. Значение коэффициента сопротивления БП, близкое к значению коэффициента Сха при изолированном обтекании, наблюдается только при расположении надстройки в плоскости передней грани объекта. По мере удаления надстройки от передней грани к середине коэффициент ее сопротивления резко падает и восстанавливается до своего исходного значения только при ее приближении к дальнему торцу объекта, и то при условии, что протяженность надстройки по потоку невелика. Если надстройка имеет достаточно большой размер вдоль потока, то ее коэффициент сопротивления сильно уменьшен при любом положении БВ, кроме переднего.

Такой результат можно объяснить, основываясь на исследованиях структуры обтекания морского объекта. Схема обтекания при его расположении вне влияния свободной поверхности воды, полученная путем визуализации течения в аэродинамической трубе. Около половины поверхности платформы занимает отрывная зона высотой 1,0−1,5 Н, начинающаяся от ее передней кромки. Длина отрывной зоны, максимальная в средней части, постепенно убывает к краям. Внутри отрывной зоны или отрывного пузыря наблюдаются застойные явления, и даже обратное течение. В кормовой части объекта скорость потока возрастает и приближается по своему значению к скорости невозмущенного потока.

Очевидно, что все надстройки, расположенные внутри пузыря отрыва, будут иметь заниженные' коэффициенты аэродинамического сопротивления. Уменьшенным окажется и суммарный коэффициент сопротивления комбинации «борт судна — надстройки». Следовательно, при расчете ветровой нагрузки, действующей на судовые надстройки (если их несколько), необходимо учитывать их «- расположение по длине судна, учитывая при этом направление скорости ветра.

Сопротивление буровой вышки и решетчатых опорных колонн. Опорные колонны СПБУ и буровые вышки являются достаточно сложными ферменными конструкциями, включающими элементы различной конфигурации, профиля сечения и удлинения. Кроме того, на буровой вышке устанавливаются буровое оборудование и обшивка 'промежуточных площадок. Как показали эксперименты, выполненные с моделями секций опорных колонн СПБУ «Каспий», буровых вышек и некоторых других ферменных конструкций, полученные результаты могут отличаться на 25−30% от результатов расчета, выполненных по существующим методикам. Это объясняется многими причинами, среди которых основной является неправильный учет интерференции элементов фермы. Поэтому представляет интерес определение среднего коэффициента интерференции для наиболее типичных ферменных конструкций ПБУ. Были испытаны.

Возможны два варианта расчета аэродинамического сопротивления БВ. Для этого приведено два значения аэродинамического коэффициента Сх, равные 1,315 и 0,513. В первом случае в качестве характерной (определяющей) ветровой площади берется суммарная площадь элементов наветренной грани, во втором — суммарная площадь проекции всех элементов, на плоскость, перпендикулярную воздушному потоку. Коэффициент заполнения модели БВ был равен 0,3.

Аэродинамическое усилие, как обычно, находится по формуле Ха=0,5р (3.19) где под Б имеется в виду характерная площадь в зависимости от выбора Сх.

В нашем конкретном случае морского бурового судна «Бавенит» имеет и фронтальная проекция (справа).

На нем показаны две проекции — боковая проекция слева и фронтальная проекция справа. Для каждой из проекций в среде MathCad рассчитаны поэлементно площади и их статические моменты, которые сведены в табл. 3.7. Зная эти геометрические характеристики, можно найти усилия, действующие на буровую вышку при произвольных углах атаки ветра а.

При этом угол атаки будем отсчитывать от ДП судна в направлении от носа к корме со знаком «+» на правый борт и со знаком на левый. Для этого скорость ветра и представим в виде проекций вдоль ДП и* = и cos, а и поперек ДП Uy = и sin а. Используя эти проекции скорости, находим аэродинамические усилия, действующие вдоль указанных осей, где Сх = Су= 1,315, а £фргр = 47,9 м, $бок. гр = 3 5,6 м2:

Xa=0,5pfl (ucosa.

5ра (vsin a)2 CyS6oK^. (3−20).

Поскольку конструкция вышки симметрична относительно ее центральных осей, то ветровой момент относительно вертикальной оси оказывается малым и его можно не учитывать. Ниже приведены результаты расчета ветровой нагрузки вдоль осей Ох и Оу для ветра со скоростью 10 м/с при круговом изменении направления ветра с учетом принятых традиционно знаков действующих сил. Они представлены в графической форме рис. 3.10.

В соответствие с рекомендациями [13] при углах атаки от 0° до ±45° к усилию Fx придан редукционный коэффициент интерференции, равный 0,43. Это вызвано тем, что буровая вышка на судне «Бавенит» расположена за надстройкой в передней части судна и находится в ее ветровой тени. На других уг-* лах атаки буровая вышка обтекается ветром свободно.

В формулах (3.20) взята истинная скорость ветра, так как буровое судно на рабочей позиции за счет действия системы динамического позиционирования перемещается с малыми скоростями.

Окончание табл. 3.7.

Фронтальный вид Длина ЦТх Поперечная Площадь наветренной грани Момент элемента Ь СТХ В М.

1 2386,646 -737,304 25 59 666,15 -4,4Е+07.

2 2385,927 776,7016 25 59 648,17 46 328 827.

3. 1218,747 -529,057 15 18 281,21 -9 671 810.

4 1197,661 534,6858 15 17 964,92 9 605 587.

5 1069,938 -430,563 15 16 049,08 -6 910 135.

6 1030,08 464,3325 15 15 451,19 7 174 491.

7 929,2319 -351,767 15 13 938,48 -4 903 097.

8 925,3074 402,4215 15 13 879,61 5 585 454.

9 811,8234 -264,529 15 12 177,35 -3 221 260.

10 817,435 323,6256 15 12 261,52 3 968 144.

11 703,5399 -678,207 15 10 553,1 -7 157 184.

12 636,001 650,0655 15 9540,015 6 201 634.

13 1778,536 5,6283 15 26 678,04 150 152.

14 1502,773 19,69 895 15 22 541,59 444 045,7.

15 1187,596 19,699 20 23 751,92 467 889.

16 900,5236 22,5131 49 44 125,66 993 405,3.

17' 681,021 -216,688 49 33 370,03 -7 230 902.

18 2318,894 -309,555 15 34 783,41 -1ДЕ+07.

19 2316,056 332,0681 15 34 740,84 11 536 326.

I 47,94 023 -1,39 788.

Из рис. 3.10 видно, что максимальные усилия при скорости ветра 10 м/с невелики и не превышают 0,31 тс. Если скорость ветра увеличить вдвое, то эти усилия возрастут примерно до 1,2 тс. При этом основное аэродинамическое усилие на корпус судна также возрастет в четыре раза, так что усилие, приходящееся на БВ, по сравнению с ним по-прежнему останется малым.

Величины коэффициентов сопротивления, в которых за характерную площадь приняты &-яГр — площадь всех элементов наветренной грани и St — суммарная площадь проекции всех элементов на плоскость, перпендикулярную к набегающему потоку. Коэффициент интерференции Аи вычисляется как отношение полного сопротивления ферменной конструкции к произведению qCxlS?, где q — скоростной напор, Cxi и S? — соответственно коэффициент сопротивления и лобовая площадь z-го элемента конструкции, расположенного боком или под углом к потоку. Для испытанной модели буровой вышки было получено значениями, равное 0,43.

Можно оценить правильность расчета самого важного из коэффициентов С^ при направлении ветра под курсовым углом 90°, для этого использованы результаты сдаточных испытаний судна по кренованию. На их основе рассчитан кренящий момент М (в тм) при действии ветра со скоростью 44,54 м/с в зависимости от осадки судна Т (в м) и приведен в технической документации Stability Manual (page 16). Часть этих данных представлена в табл. 3.8.

Заключение

.

В работе рассмотрены проблемы, связанные с оценкой безопасности функционирования бурового судна, что, в свою очередь, связано с построением и идентификацией математической модели взаимодействия с внешней средой самого судна, его движителей и бурового оборудования.

В рамках диссертационной работы были решены следующие задачи: I.

1. Структурирована и идентифицирована модель, описывающая работу носовых подруливающих устройств.

2. Структурирована и идентифицирована модель, описывающая работу поворотных винтовых колонок.

3. Смоделировано воздействие ветра на буровую вышку, расположенную на палубе судна.

4. Смоделировано воздействие течения на буровую колонну, пристыкованную к подводной части корпуса судна.

5. Разработана комплексная математическая модель, описывающая динамику бурового судна в режиме динамического позиционирования, с возможностями оценки безопасности функционирования судна в различных районах Мирового океана;

6. Произведена оценка безопасности функционирования бурового судна в режиме динамического позиционирования при совокупности внешних воздействий, в основу которой положен критерий нормативной нагрузки СЭУ судна. В частности, показана опасность работы бурового судна при некоторых комбинациях воздействия на судно внешних факторов в противоречии с техни ческими рекомендациями судостроителей.

Все полученные результаты легко обозримы, имеют аналитическую, графическую или табличную формы, и могут быть применены в реальных судовых условиях или в рамках учебных занятий при подготовке судоводителей. Кроме того, все результаты наших исследований могут применяться при создании электронных тренажеров, отрабатывающих специфическое маневрирование в условиях бурения на континентальных шельфах.