ASPEKTY NIEZAWODNOŚCI SYSTEMÓW DYNAMICZNEGO POZYCJONOWANIA STATKÓW

Transkrypt

1 Jerzy Herdzik 1 ASPEKTY NIEZAWODNOŚCI SYSTEMÓW DYNAMICZNEGO POZYCJONOWANIA STATKÓW 712 Wstęp Systemy dynamicznego pozycjonowania (DPS) zostały wprowadzone na statkach, na których nie było możliwości utrzymania pozycji przy pomocy systemu kotwiczenia (np. ze względu na głębokość morza), zbyt dużych kosztów kotwiczenia lub konieczności kontrolowanej zmiany pozycji, w tym poruszania się po określonej marszrucie (np. statki do kładzenia kabli podmorskich). W systemach DP występują rozbudowane układy energetyczno-napędowe mające zapewnić pewność zasilania w energię, a zarazem kontrolę i możliwość utrzymania pozycji i/lub kursu praktycznie niezależnie od warunków pogodowych. Podstawowym sposobem zapewnienia sprawności i niezawodności systemów dynamicznego pozycjonowania jest stosowanie systemów nadmiarowych (redundancji) we wszystkich elementach składowych systemu [1,2,17]. Elementy systemów dynamicznego pozycjonowania statków Podstawowymi elementami systemu dynamicznego pozycjonowania statków są: układ napędowy dający możliwości manewrowania i utrzymywania pozycji i/lub kursu; układ zasilania w energię z wykorzystaniem systemów wspomagających: zarządzania mocą (PMS) lub zarządzania energią (EMS); system sterowania i kontroli napędem statku; system oszacowania wymaganego i osiągalnego naporu z układu napędowego; system komputerowy obróbki sygnałów pozycji rzeczywistej statku, modelu statku i 1 Dr inż. Jerzy Herdzik prof. nadzw. AM, Akademia Morska w Gdyni, georgher@am.gdynia.pl Logistyka 6/2014 sygnałów wymuszeń działających na kadłub statku; systemy pomiaru pozycji statku; systemy pomiarowe wymuszeń zewnętrznych od wiatru, falowania i prądów morskich; Schemat ideowy elementów software u i rzeczywistego sprzętu systemów dynamicznego pozycjonowania statków przedstawiono na rys.1. Rys. 1. Schemat ideowy elementów software u i rzeczywistego sprzętu systemu dynamicznego pozycjonowania statku. Źródło: własne na podstawie [3] Elementy pomiaru pozycji statku bazują na wielu niezależnych systemach. Wykorzystują wyznaczenie pozycji statku i jego orientacji wg systemu GPS, DGPS, GLONASS i częściowo GALILEO, w wykorzystaniem dodatkowych algorytmów poprawiających dokładność lokalizacji. Korzystają w miarę możliwości z namiarów radiowych, mikrofalowych, hydroakustycznych lub laserowych, namiary na dokładnie wyznaczone lokalizacje boi pomiarowych, pozycji innych statków itp. (Rys.2). Stosowanie nadmiarowych elementów pomiarowych pozwala znaleźć element niesprawny i jego wskazania pominąć w dalszych analizach [1,2,10]. Systemy pomiarowe oddziaływania na statek mierzą kierunek i siłę wiatru, wielkość i charakterystykę falowania, kierunek i prędkość prądu. Wykorzystuje

2 się często systemy co najmniej potrójne. Nie próbuje się tą drogą osiągać oszczędności, bowiem koszt przyrządów pomiarowych jest stosunkowo niewielki w kosztach statku jako całości. Rys. 2. Przykład możliwości określania pozycji statku. Źródło: IMCA, Introduction to Dynamic Positioning, Model statku wymaga wprowadzenia wielu parametrów charakteryzujących statek, jak i otoczenie. Jakość modelowania ma istotny wpływ na poprawność pracy systemu DP jako całości, dokładność pozycjonowania, obciążenie systemu energetycznego i zużycie paliwa. Konfiguracja pędników w układzie napędowym oraz ich liczba decyduje o jakości systemu pozycjonowania oraz jego odporności na zakłócenia i pojedyncze niesprawności [6,7,8]. Aspekty niezawodności systemów dynamicznego pozycjonowania statków W celu uzyskania odpowiedniej klasy dynamicznego pozycjonowania, następnie w czasie prób jej potwierdzenia oraz jej utrzymania po przeprowadzanych okresowo inspekcjach, na statkach z systemami DP znajduje się szereg dodatkowych dokumentów, które stanowią potwierdzenia przeprowadzanych procedur, przeglądów i innych działań. Są to [1,2,17]: coroczne próby systemów DP (annual DP trials); raporty serwisowe dotyczące systemów DP; protokoły zmian, modyfikacji, w tym dodatkowych urządzeń; studium analizy rodzajów skutków (krytycznych stanów) i krytyczności uszkodzeń (FMEA lub FMECA DP system); próby wstępne systemu FMEA; raporty z auditów systemu DP statku; instrukcja operacji systemu DP (manual); raporty ze zdarzeń awaryjnych na statku wraz z ich analizą; procedury prób gotowości systemu DP na mostku i w siłowni; rejestracja stanów alarmowych w systemie DP (dziennik stanów alarmowych); zapisy danych (parametrów) systemu DP podczas pracy. System najbezpieczniejszego trybu operacji (ang. SMO, safest mode of operations) informuje załogę o monitorowaniu stanu systemu DP. Kolor zielony oznacza, że wszystkie nadzorowane systemy są sprawne. Zmiana koloru (najczęściej na niebieski) oznacza zagrożenie, zwrócenie uwagi operatora na podjęcie przez niego odpowiedniej decyzji. Drugim stosowanym systemem jest przewodnik po określonych operacjach systemu dynamicznego pozycjonowania statku (ang. WSOG, well specific operating guideline), w którym zawarto typowe wymogi weryfikacji systemu DP, wskazując stan systemu DP kolorem na wyświetlaczu: zielony - oznacza pełną sprawność systemu, niebieski stan z pełną sprawnością systemu, ale z ograniczeniami (stan doradczy) np. drobne niesprawności i awarie, które nie mają jeszcze wpływu np. na zmniejszenie poziomu redundancji, żółty stan z określonymi ograniczeniami systemu DP np. brak redundancji i czerwony stan alarmowy, w którym należy przerwać wykonywane czynności i przejść do stanu, w którym zapewnione będzie bezpieczeństwo ludzi i statku [1]. Przedstawione powyżej metody mają za zadanie zweryfikowanie poprawności działania systemu DP, poprzez odpowiednie szkolenie i procedury zminimalizować tzw. czynnik ludzki, czyli zmniejszyć ryzyko błędu człowieka (operatora systemu DP), mają również stanowić potwierdzenie utrzymywania odpowiedniej klasy DP przez statek poprzez wykazanie dokumentami, że system DP jest weryfikowany, sprawdzany procedurami i próbami morskimi oraz spełnia wymagania. Ważnym aspektem niezawodności systemu DP jest właściwy projekt układu wytwarzania energii na statku wraz z systemami automatyki i kontroli [10,15]. W omawianej grupie statków standardem staje się układ energetyczny z przekładnią elektryczną (tzw. D- E, diesel-electric). Dla statków zaopatrzenia i obsługi platform (MPSV, PSV, AHTS) można spotkać układy hybrydowe, w których napęd pędników możliwy jest silnikami elektrycznymi, jak i bezpośrednio przez Logistyka 6/

3 przekładnię mechaniczną wysokoprężnymi silnikami średnioobrotowymi (jedna z możliwości redundancji napędu). W układach energetycznych z głównymi zespołami prądotwórczymi (GZP) stosuje się systemy: zarządzania mocą (PMS) lub zarządzania energią (EMS), które dopasowują liczbę pracujących zespołów do aktualnego zapotrzebowania na energię [14,16,18]. Liczba GZP wynosi od trzech do kilkunastu, najczęściej od czterech do siedmiu. Od klasy DP2 muszą być one podłączone do głównej tablicy rozdzielczej podzielonej na sekcje (od dwóch do czterech). Dany zespół prądotwórczy podłączony jest od jednej sekcji lub od klasy DP3 do jednej z dwóch możliwych. Na rys. 2 przedstawiono przykład układu energetycznego statku służącego do budowy konstrukcji podwodnych. Rys. 3. Schemat ideowy układu energetycznego (typu hybrydowego) statku wielozadaniowego mv Stril Herkules (2008). Źródło: Reference List Offshore Vessels, Low Voltage Propulsion, SIEMENS Na statkach z klasą DP3 wymagane jest umieszczenie elementów układu energetycznego w minimum dwóch przedziałach wodoszczelnych, odpornych również na przemieszczenie się pożaru z jednego przedziału do drugiego. Takich przedziałów może być więcej (obecnie do czterech). Na rys.4 przedstawiono układ energetyczny statku wspomagającego prace nurkowe, który posiada przedziały wodoszczelne i przeciwpożarowe z możliwością łączenia sekcji głównej tablicy rozdzielczej. Rys. 2. Schemat ideowy układu energetycznego statku budowy konstrukcji podwodnych mv Skandi Acergy. Źródło: Reference List Offshore Vessels, Low Voltage Propulsion, SIEMENS Natomiast na rys. 3 przedstawiono hybrydowy układ energetyczny statku wielozadaniowego, w którym dwa silniki wysokoprężne mogą napędzać śruby okrętowe o nastawnym skoku. Śruby napędu głównego mogą być napędzane również silnikami elektrycznymi. Rys. 4. Schemat ideowy układu energetycznego statku wspomagania nurków mv Well Enhancer (2008). Źródło: Reference List Offshore Vessels, Low Voltage Propulsion, SIEMENS Sekcje głównej tablicy rozdzielczej (GTR) i ich możliwości połączeń, można konfigurować na wiele sposobów, w tym w układzie pierścieniowym, w którym każdą sekcję GTR można połączyć z każdą inną [5,7]. Stosowane są rozwiązania, w których dany GZP 714 Logistyka 6/2014

4 Logistyka - nauka zasila własną sekcję GTR. W rezultacie liczba sekcji GTR może sięgać kilkunastu. Na ms. Innovation (statek do stawiania konstrukcji wiatraków na morzu) w układzie energetycznym znajduje się sześć GZP, sześć sekcji GTR w dwóch przedziałach wodoszczelnych po trzy w każdej oraz siedem pędników: cztery pędniki azymutalne firmy Schottel oraz trzy pędniki tunelowe (stery strumieniowe) (rys.5). Rozwiązanie układu energetycznego z wieloma GZP (w tym minimum z jednym nadmiarowym) pozwala zmniejszyć ryzyko zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej statku. Ma to również aspekt niezawodnościowy. W stanach wymagających prac remontowo-przeglądowych możliwe jest wyłączenie wybranego GZP z pracy i ich wykonanie. System obsługi wsparty jest systemem planowanych przeglądów (PMS planned maintenance system), który przypomina załodze o konieczności wykonania określonych prac, oczywiście możliwych do wykonania, po uwzględnieniu aktualnego stanu eksploatacji statku, jak również sprawdzeniu bilansu energetycznego mającego zapewnić odpowiedni zapas mocy z pracujących GZP [4,5,12,13]. W wyniku podzielenia głównej tablicy rozdzielczej (GTR) na sekcje, konieczna jest możliwość zasilania przez dany GZP przynajmniej dwóch sekcji GTR, w innym przypadku w każdym przedziale wodoszczelnym winien znajdować się nadmiarowy (redundancyjny) zespół prądotwórczy. Podobne rozwiązanie należy zastosować do możliwości zapewnienia dostarczenia energii do pędników. W tradycyjnych rozwiązaniach pędnik ma możliwość zasilania tylko z jednego źródła (rys.2). W układzie hybrydowym (rys.3) ma dwa niezależne źródła: poprzez przekładnię redukcyjną bezpośrednio silnikiem wysokoprężnym i/lub silnikiem elektrycznym. W systemach DP klasy 3 konieczne jest zastosowanie rozwiązania, w którym możliwe jest zasilanie pędnika z dwóch niezależnych sekcji GTR. Dzięki temu zwiększa się niezawodność zasilania wybranego i wszystkich pędników. Jeśli w systemie energetycznym dysponuje się dalej redundancyjnym GZP, możliwe jest wykorzystanie pełnej mocy z danego pędnika. Jeśli jest to niemożliwe pędnik może być zasilany, ale z ograniczeniami poboru mocy [14]. Rys. 5. Holowanie statku ms Innovation z Gdyni do Bremerhaven. Źródło: ck-up_vessel_innovation.jpg Silnik elektryczny (SE) napędzający pędnik okrętowy może mieć dodatkowe rozwiązania redundancyjne (rys.6). Są to m.in.: stosowanie dwóch niezależnych uzwojeń, pozwala przez większość czasu eksploatacji SE pracować na mocy 50% osiągalnej z jednego uzwojenia, w stanie awaryjnym sprawne winno być drugie; stosowanie do napędu pędnika dwóch niezależnych SE (na jednym wale napędowym) (rys.6); przekazanie mocy poprzez przekładnię redukcyjną mogącą napędzać jeden lub więcej pędników. Rys. 6. Przykłady konfiguracji silników asynchronicznych napędzających pędniki okrętowe w celach redundancji. Źródło: własne, na podstawie [16] Na rys.7 przedstawiono schemat ideowy układu energetycznego statku z systemem dynamicznego pozycjonowania z siedmioma pędnikami, z których trzy mogą być zasilane z dwóch różnych sekcji czterosek- Logistyka 6/

5 cyjnej tablicy rozdzielczej zasilanych z dwusekcyjnej głównej tablicy rozdzielczej. redundancji jest demonstracja poprzez próby morskie statku wg odpowiedniej procedury [17]. Wnioski Rys. 7. Schemat ideowy układu energetycznego statku dynamicznie pozycjonowanego na Zatokę Meksykańską. Źródło: Aalbers A.B., Fuel consumption and emission predictions: application to a DP-FSOP concept, Dynamic Positioning Conference, Houston, USA, Jedną z ważnych metod podwyższania niezawodności systemu jest stosowanie elementów nadmiarowych wraz z możliwością zastępowania elementów systemu, które uległy awarii, są niesprawne lub mają ograniczoną sprawność. Działanie operatora sprowadza się wyboru trybu pracy elementów, kolejności ich załączania, właściwej reakcji na sytuacje alarmowe i awaryjne. Operator jest elementem tego systemu, od niezawodności którego, zależy niezawodność całości. Wymaga się więc od niego odpowiednich kwalifikacji i doświadczenia, a zarazem znajomości systemu, na którym pracuje [1,9,11]. Demonstracja praktyczna wymaganej redundancji na statku Zdarzenia awaryjne w systemie dynamicznego pozycjonowania są rejestrowane, a następnie poddawane analizie [6,17]. Wymagają zgłoszenia do bazy danych wraz z opisem zdarzenia, podjętych działań i konsekwencji (np. procedura zgłoszeniowa do bazy danych Międzynarodowego Stowarzyszenia Armatorów (IMCA the International Marine Contractors Association). Dzięki temu możliwa jest zmiana przepisów i wymagań, które mogą przeciwdziałać podobnym zdarzeniom w przyszłości. Dopuszcza się możliwość zastosowania statku z systemem DP2, zamiast DP3, który jest niedostępny, ale wymaga to sporządzenia oceny ryzyka (sitespecific risk analysis) bazującego na wielu parametrach (m.in. statkowego systemu analizy krytycznych stanów i krytyczności uszkodzeń FMEA) [9,11]. Najważniejszym elementem oceny wymaganej 716 Logistyka 6/2014 Systemy dynamicznego pozycjonowania statków podlegają nadzorowi, uprawnionych do takich działań, towarzystw klasyfikacyjnych [1]. Wymagania te wraz z rozwojem technologii ulegają podwyższeniu, co przekłada się na większe bezpieczeństwo statku, wykonywanych prac i środowiska. Jednym z najważniejszych elementów budowy systemu bezpieczeństwa jest niezawodność systemów dynamicznego pozycjonowania statków. Zaczyna się ona od fazy projektu, poprzez budowę statku i jego eksploatację. Ocenie końcowej podlega trzecia faza. Statek, którego czas eksploatacji wynosi lat, musi podlegać okresowej weryfikacji (przewidzianej przepisami), ale podlega również procesowi ciągłych zmian w wyposażeniu, unowocześnieniu systemów automatyki, doposażeniu w nowe urządzenia itp. Dochodzi niekiedy potrzeba zmiany przeznaczenia statku, co wymaga daleko idącej przebudowy. W niektórych przypadkach można uznać, że powstaje tak naprawdę nowy statek. Stawia to nowe wyzwania dla armatora i załogi statku. Ważnym aspektem podtrzymywania niezawodności systemów dynamicznego pozycjonowania statków jest dbałość o utrzymanie stanu technicznego wszystkich elementów na statku. Niezaprzeczalny wpływ mają na to służby techniczne armatora. Próby szukania oszczędności w procesie eksploatacji statku oznaczają najczęściej coraz częściej pojawiające się stany alarmowe, a następnie awaryjne. Zapewnienie niezawodności to proces ciągły dopóki statek pozostaje w eksploatacji. Wpływ na to ma wielu ludzi. Ludzie i sprzęt to dwa najważniejsze ogniwa niezawodności. Żadne ogniwo tego procesu nie może zawieść. Streszczenie Systemy dynamicznego pozycjonowania statków wymagają spełnienia określonych wymagań towarzystw klasyfikacyjnych. Podstawowym wymaganiem jest zachowanie możliwości wykonywania założonych czynności, mimo losowych zdarzeń awaryjnych i niesprawności poszczególnych elementów systemu. W zależności od klasy systemu DP, parametrem oceny jest odporność systemu na określone pojedyncze niesprawności. Niezawodność zależy od kompetencji inżynierów, którzy zaprojektowali i zbudowali system DP oraz

6 kompetencji załogi i armatora, którzy pracują na nim i obsługują go. W artykule przedstawiono aspekty niezawodności tego systemu związane z tworzeniem układów redundancyjnych oraz innych rozwiązań podnoszących niezawodność systemów DP w różnych wybranych jego aspektach. Abstract The Dynamic Positioning Systems for vessels perform the fulfillment of classification societies specified requirements. The principal requirement is to achieve the possibility of completing intended activities independently to random emergency incidents and faults of particular system elements. In relation to DP system class the parameter of estimation is the of DP system resistance to determined single faults. Reliability depends on the competence of the engineers who design and built the DP system and the competence of crew and management who maintain and operate it. In the paper was presented the reliability aspects of DP systems connected with redundancy system and its arrangement and other solutions increasing the DP systems reliability in its different chosen aspects. Literatura 1. Dynamic Positioning Systems Operation Guidance, DNV RP E307, Guidelines for Vessels with Dynamically Positioned Systems, MSC Circ.645, IMO Guide to Dynamic Positioning of Vessels, ALSTOM Power Conversion, Marine & Offshore Hansen J.F., Modeling and Control of Marine Power Systems, PhD thesis, Dept. Engineering Cybernetics, NTNU, Trondheim, Norway, Herdzik J., Challenges of Ship Propulsion Systems During DP Operations, Journal of Kones Powertrain and Transport, Warszawa Herdzik J., Dynamic Positioning Systems During Emergency or Unexpected Situations, Journal of Kones Powetrain and Transport, Warszawa Herdzik J., Possibilities of Improving Safety and Reliability of Ship Propulsion System During DP Operation, Journal of Kones Powertrain and Transport, Warszawa Herdzik J., Verifications of Thrusters Number and Orientation In Ship s Dynamic Positioning Systems, Maritime Transport & Shipping, IMCA, Guidance on Failure Modes and Effects Analysis, M166, IMCA, Methods of Establishing the Safety and Reliability of DP systems, M04/04, IMCA, FMEA Management Guide, M178, IMCA, International Guidelines for the Safe Operation of DP OSVs, M182, Rev.1, Lazarewicz M.L., Rojas A., Grid Frequency Regulation by Recycling Electrical Energy in Flywheels, IEEE Power Engineering Society General Meeting, Denver, USA, Lauvdal T., Ådnanes A.K., Power Management System with Fast Acting Load Reduction for DP Vessels, Dynamic Positioning Conference, Huston, USA Radan D. i inni, Operating Criteria for Design of Power Management Systems on Ships, Proceedings of the 7 th IFAC Conference on Manoeuvring and Control of Marine Craft, Lizbona, Portugalia, Radan D., Integrated Control of Marine Electrical Power Systems, Norwegian University of Science and Technology, Review of methods for demonstrating redundancy in dynamic positioning systems for the offshore industry, DNV 2004, Research report Wood A.J., Wollenberg B.F., Power Generation, Operation and Control, John Wiley and Sons, 3 rd edition, Logistyka 6/