REZERWOWANIE W SYSTEMACH DYNAMICZNEGO POZYCJONOWANIA STATKÓW WSPIERAJĄCYCH EKSPLORACJĘ DNA MORSKIEGO

Transkrypt

1 REZERWOWANIE W SYSTEMACH DYNAMICZNEGO POZYCJONOWANIA STATKÓW WSPIERAJĄCYCH EKSPLORACJĘ DNA MORSKIEGO Leszek CHYBOWSKI, Gzegoz NICEWICZ Pzedsiębioswo Amaoskie Pee Döhle, Hambug, Niemcy Isyu Nauk Podsawowych Techiczych, Akademia Moska, Szczeci Seszczeie: Pzedsawioo podsawowe óżice i wymagaia sawiae sysemom pozycjoowaia dyamiczego jedosek góicwa moskiego i oceaoechiczych, ze szczególym uwzględieiem ezewowaia w ych sysemach. Zamodelowao w sposób uogólioy hieachiczą budowę sysemów dyamiczego pozycjoowaia oaz zapopoowao odmiey od sosowaych doychczas sposób opisu ezewowaia w sysemach echiczych z wykozysaiem płaszczyzy zespoloej. 1. WPROWADZENIE Pośód wielu ypów saków moskich wyóżić moża gupę saków wspieających opeacje wydobycia opy i gazu ziemego. Saki e wyposażoe są w sysemy dyamiczego pozycjoowaia DP, kóe służą auomayczemu uzymaiu jedoski a okeśloej pozycji i azymucie. Dla zapewieia odpowiediego poziomu bezpieczeńswa oaz iezawodości pacy większość podsysemów DP podlega ezewowaiu [1]. Sysem DP chaakeyzuje się wszyskimi odzajami ezewowaia, wobec czego moża sklasyfikować go jako sysem z ezewą mieszaą [2]. Dla pzykładu zespoły pądowócze elekowi wykazują ezewowaie ozdzielcze, aomias siłowie ezewowae są całościowo, i mamy do czyieia z ezewowaiem ogólym. Poado zespoły pądowócze w pewych saach eksploaacyjych pacują w układzie z większą ilością elemeów podsawowych iż ezewowych, pzy czym każdy ezewowy zespół pądowóczy może zasąpić każdy z zespołów podsawowych (ezewa pzesuwająca się. Pod kąem obciążeia domiuje w sysemach ezewa goąca (ezewowaie pędików sumieiowych lub ciepła (elekowie dla zapewieia maksymalego szybkiego pzełączaia w pzypadku uszkodzeia elemeów podsawowych [3]. Saki dyamiczie pozycjoowae dzieloe są pod względem wyposażeia a zw. Klasy kosekwecji DP. Pzepisy Międzyaodowej Ogaizacji Moskiej IMO doyczą saków zbudowaych po i klasyfikują saki z auomayczym pozycjoowaiem w zech klasach. Klasyfikacja IMO dzieli saki a zy klasy o osącym ezewowaiu w poszczególych podsysemach. Nie doyczy oa saków z ęczym lub półauomayczym seowaiem pozycją (ys. 1. Jedoski z półauomayczym sysemem DP, akowae są jako ajiższa (zeowa klasa wyposażeia DP, według owazysw klasyfikacyjych (DPS-. W dalszej części aykułu pzedsawioo uogólioy model sukuy sysemu dyamiczego pozycjoowaia oaz popozycję wykozysaia płaszczyzy liczb zespoloych do opisu ezewowaia w ych sysemach. 2. WYPOSAŻENIE W SYSTEMIE DYNAMICZNEGO POZYCJONOWANIA Wymagaia sawiae wyposażeiu saków pozycjoowaych dyamiczie wyikają z opeacji, do jakich ma być wykozysywaa daa jedoska. Odbiegają oe, od wymagań sawiaych wyposażeiu saków o pzezaczeiu aspoowym podsawową óżicą jes wysoki poziom ezewowaia większości suku związaych pośedio i bezpośedio z działaiem sysemu dyamiczego pozycjoowaia. W abeli 1 zapezeowao wymagaia okeśloej klasy wyposażeia saków DP w zależości od założoych zadań, jakie ma wykoywać. Zawsze do okeśloych zadań może być wykozysaa jedoska o wyższej klasie kosekwecji. Nie wyklucza się eż możliwości zasosowaia pozycjoowaia ęczego w pewych odzajach opeacji oceaoechiczych. W dalszej części z uwagi a ogaiczeia publikacji, ozpazoe zosaie ezewowaie w podsysemach DP saków z zeową (ajiższą oaz zecią (ajwyższą klasą kosekwecji. Opisae poziomy ezewowaia są zdefiiowae w okóliku IMO [4] oaz późiej wydae zaleceia szczegółowe Międzyaodowego Sowazyszeia Koakoów Moskich IMCA [5].

2 Rys. 1. Uposzczoa budowa sysemu maualego pozycjoowaia saku (DPS- Tabela 1. Dobó klasy wyposażeia saku DP w zależości od ypu opeacji oceaoechiczej jaką jedoska ma wykoywać. Opeacja Klasa Uwagi wyposażeia Wieceia 3 Zasosowaie do wszyskich odwieów w obębie pojeków Podukcja węglowodoów 3 Eksploaacja szybów wydobywczych 3 Wydobycie węglowodoów i składowaie ich a jedosce Opeacje łączeia z podmoskimi szybami wieiczymi 2, 3 Z podwodym smaowaiem Symulacja szybu wieiczego 2, 3 Załogowe opeacje podwode 3 Nukowaie wewąz suku ip. Załogowe opeacje podwode 2, 3 Nukowaie w owaej wodzie Wspomagaie pac ukowych z małej jedoski pomociczej 2, 3 Gdy jedoska pomocicza jes połączoa do główego saku dla pac ukowych Bezzałogowa iewecja podwoda z wykozysaiem 2, 3 pojazdów ROV Jedoska hoelowa połączoa apem z isalacją 3 oceaoechiczą Jedoska hoelowa poza sefą bezpieczeńswa 5 m 2, 3 Symulacja szybu afowego, szyby plafom 2, 3 Ogóle pace kosukcyje w sefie bezpieczeńswa 5 m 2, 3 Ogóle pace kosukcyje poza sefą bezpieczeńswa 5m 1, 2, 3 Dla pewych miej złożoych pac dopuszcza się zasosowaie saków klasy Klasa 3 (DPS-3 odpowiada sysemowi, w kóym uaa pozycji (zejście saku z zadaej pozycji i lub azymuu w wyiku awaii sysemu DP ie powia powsać w wyiku jakiegokolwiek pojedyczego uszkodzeia włączając komplee spaleie w wyiku pożau okeśloego podsysemu (p. jedej z siłowi lub całkowie zaopieie jedego z główych wodoszczelych pzedziałów maszyowych. Do pojedyczych uszkodzeń włącza się ówież pojedycze ieumyśle działaie jakiejkolwiek osoby a pokładzie jedoski. Pzykład akiego sysemu pzedsawioo a ysuku 2.

3 Rys. 2. Uposzczoa budowa sysemu dyamiczego pozycjoowaia klasy 3 (DPS-3 3. BUDOWA SYSTEMU DYNAMICZNEGO POZYCJONOWANIA Sysem dyamiczego pozycjoowaia wozą: E S1 auomayczy sysem adzou dyamiczego pozycjoowaia, E S2 sysem elekowi okęowej, E S3 sysem apędowy saku, E S4 sysem awayjego zasilaia w eegię elekyczą, E S5 sysem czujików odiesieia, E S6 pozosałe podsysemy sysemu DP: S={E S1, E S2, E S3, E S4, E S5, E S6 } (1 Auomayczy sysem adzou dyamiczego pozycjoowaia E S1 składa się z: E S1-1 jedoski seującej DP, E S1-2 sacji kooli DP, E S1-3 sysemu seowaia maualego oaz E S1-4 pozosałych podsysemów związaych z adzoem opeacji pozycjoowaia: E S1 = {E S1-1, E S1-2, E S1-3, E S1-4 } (2 Z kolei sysem elekowi okęowej E S2 wozą: E S2-1 zespoły pądowócze siłowi główej, E S2-2 główa ablica ozdzielcza GTR oaz sysem zaządzaia ozdziałem mocy, E S2-3 pomocicze maszyy siłowi główej, E S2-4 łącziki magisal GTR i E S2-5 pozosałe podsysemy związae z wywazaiem i ozdziałem eegii elekyczej: E S2 = {E S2-1, E S2-2, E S2-3, E S2-4, E S2-5 } (3 Sysem apędowy saku E S3 składa się z: E S3-1 główego zespołu apędowego saku waz z pędikiem, E S3-2 płewy seu główego pędika z sysemem apędu i seowaia, E S3-3 uelowych pędików sumieiowych waz z apędem, E S3-4 azymualych pędików sumieiowych waz z apędem oaz E S3-5 pozosałych podsysemów związaych z sysemem pędików: E S3 = {E S3-1, E S3-2, E S3-3, E S3-4, E S3-5 } (4 W skład sysemu awayjego zasilaia w eegię elekyczą E S4 wchodzą: E S4-1 zasilacz awayjy UPS, E S4-2 baeia akumulaoów, E S4-3 elekowia awayja oaz E S4-4 pozosałe podsysemy związae z awayjym zasilaiem w eegię elekyczą: E S4 = {E S4-1, E S4-2, E S4-3, E S4-4 } (5 Naomias sysem czujików odiesieia E S5 składa się z: E S5-1 żyokompasu (pomia azymuu, E S5-2 aemomeu (pomia kieuku i pędkości wiau, E S5-3 jedoski odiesieia pozycji saku (óżicowy sysem globalego pozycjoowaia DGPS, sysemy hydoakusycze, adaowe i laseowe, pomiay w dwóch

4 posopadłych płaszczyzach pioowych kąów odchyleia od osi pioowej aciągięej liki z obciążikiem opuszczoym a do moskie, E S5-4 jedoski odiesieia pioowego VRU (pomiay kołysań popzeczych, wzdłużych oaz uzeia saku i E S5-5 pozosałych podsysemów czujików DP: E S5 = {E S5-1, E S5-2, E S5-3, E S5-4, E S5-5 } (6 4. PROPOZYCJA OPISU REZERWOWANIA W SYSTEMACH DP Dla zamodelowaia ezewowaia w sysemie X wpowadzoo pzekszałceie X,. Wyikiem ego pzekszałceia jes paa liczb, kóe odpowiedio są ówe ilości elemeów podsawowych w sysemie X w chwili, oaz ilości elemeów ezewowych w sysemie X w chwili. (X, fukcja sukuy sysemu X w chwili. X, = ((X, = (P(X,, R(X, (7 Elemey pay liczbowej zwacaej w wyiku powyższego pzekszałceia w złożoych sysemach echiczych są zwykle fukcja czasu, co wyika z: zmiay sukuy fukcjoalej w związku ze zmiaą sau eksploaacyjego (waukuje o ia wymagaa do pacy miimalą ilość elemeów podsawowych, miejsza liczba wymagaych elemeów podsawowych zwiększa auomayczie liczebość elemeów ezewowych, elemey sysemu mogą w czasie eksploaacji sysemu echiczego pzechodzić w sa iezdaości, co powoduje zmiejszeie się ilości pozosałych, goowych do pacy elemeów. Dla okeśloej chwili czasu całkowia ilość elemeów (X, w sysemie X jes ówa: (X, = P(X, + R(X, = (X, REST (X, (8 (X, liczebość sysemu X pzy założoej począkowej pełej goowości sysemu w chwili =: ( X, cad( X P( X, R( X, REST ilość elemeów sysemu X, kóe uległy uszkodzeiu do chwili. Poówaie poziomu ezewowaia w sysemach DP a sakach ależących do klas wyposażeia, jes możliwe m.i. popzez wpowadzeie współczyika eal, kóy jes ówy maksymalej obsewowalej w czasie eksploaacji liczbie elemeów sysemu będących w saie zdaości: ( X maxcad( X (1 eal Zaleceia owazysw klasyfikacyjych doyczą wymagaej miimalej ilości okeśloych elemeów k, z. w czasie eksploaacji w sysemie DP w chwili jego pełej zdaości zeczywisa liczebość eal okeśloego podzespołu w sysemie X ie może być miejsza iż k co możemy zapisać jako: eal (X k (X (11 Waość współczyika k dla okeśloego sysemu może posłużyć do opisu ezewowaia w okeśloym podsysemie a saku o daej klasie wyposażeia. Odosząc o do wymagaej ilości elemeów podsawowych P(X,, liczebość elemeów ezewowych R(X, w okeśloym sysemie X, w dowolej chwili ie może być miejsza iż waość: Fukcja X, może być pzedsawioa a płaszczyźie zespoloej jako: i 1 R(X, = k (X - P(X, (12 X, = P(X, + i R(X, (13 (9

5 Po podsawieiu zależości (12 uzyskujemy fomułę powiązaą z omaywym wskaźikiem k w posaci: X, = P(X, + i [ k (X - P(X, ] (14 Rys. 3. Wymagae waości X,= dla poszczególych elemeów w klasie DPS-: 1 bak koieczości elemeów daego ypu w sysemie, 2 elemey bez ezewowaia, 3 elemey z koością ezewowaia κ=1 Rys. 4. Wymagae waości X,= dla poszczególych elemeów w klasie DPS-3: 1 elemey iewymagające ezewowaia wg zaleceń klasyfikacyjych; 2 wymagay jede eleme podsawowy, koość ezewowaia κ=1; 3 wymagay jede eleme podsawowy, koość ezewowaia κ=2; 4 wymagae dwa elemey podsawowe, koość ezewowaia κ=1 Wymagaia miimalej liczebości poszczególych sysemów X, pezeują się dla pzedsawioych modeli sukuy w odiesieiu do óżych klas wyposażeia DP. Z uwagi a ściśle okeśloe całkowie i zawae w okeśloych zakesach waości dla powyższych daych w każdej klasie DP moża zlokalizować modele ezewowaia poszczególych suku sysemu DP w okeśloych pozycjach a płaszczyźie zespoloej. Poszczególe sukuy podsysemów DP pzypoządkowao okeśloym pukom płaszczyzy

6 zespoloej zgodie z zależością (14. Dla saków DP klas DPS- i DPS-3 położeie poszczególych puków pzedsawioo a ysukach 3 i 4. Współzęde poszczególych puków odpowiadają waościom: P(X, = = e [X,=] = e [(E ((X, ] (16 R(X, = = im [X,=] = im[((x, ] (17 Współczyik koości ezewowaia defiioway jako sosuek ilości elemeów ezewowych do ilości elemeów podsawowych opisay jes zależością: R( (18 P( Wszyskie liczby w zapezeowaych modelach mają agumey ależące do piewszej ćwiaki układu współzędych, czyli: { ag }, 9 (19 Dla pzedsawioego modelu moża pzedsawić szeeg zależości. Założoo, że isieje pzyajmiej jede eleme w sysemie: Dla baku ezewowaia w sysemie, czyli: P ( (2 zachodzą zależości: R(X, = [ k (X - P(X, ] = (21 P( P( (22 oaz po uwzględieiu (19: ag (23 Dla dwóch sysemów o ej samej koości ezewowaia ozymuje się: czyli zachodzi: R( X, u R( X, v si 1 si P( X1, u P( X 2, v 2 (24 ag X1, u ag X 2, v (25 Dla uszkodzeia dowolego elemeu podsawowego w sysemie pzy działających elemeach ezewowych pzyjęo, że sysem w pzedziale czasu (, + ie zmieia swojego sau eksploaacyjego, czyli: oaz składa się z co ajmiej jedego elemeu ezewowego: P(X, = cosas (26 R(X, 1 (27 Poado założoo, że w jedej chwili czasowej, uszkodzić się może ylko jede eleme podsawowy, oaz zakłada się, że elemey ezewowe są w ym czasie zdae i załączają się do pacy (pzejmują obciążeie w pomijalie małym czasie. Wówczas uszkodzeie kóegokolwiek z elemeów podsawowych w sysemie X wywoła pzejście sau: λ iesywość uszkodzeń sysemu Nowy sa sysemu moża wówczas opisać fomułą: (28 i (29 Dla apawy dowolego elemeu ezewowego w sysemie pzy saie zdaości sysemu, pzyjęo, że sysem w pzedziale czasu (, + ie zmieia swojego sau eksploaacyjego (26 i jes w saie zdaości

7 oaz założoo, że w jedej chwili czasowej, apawie może podlegać ylko jede eleme oaz że zdae elemey sysemu w akcie apawy ie uszkadzają się. iesywość apaw sysemu Nowy sa sysemu moża wówczas opisać fomułą: (3 i (31 Dla uszkodzeia dowolego elemeu podsawowego w sysemie pzy uszkodzoych wszyskich elemeach ezewowych, pzyjęo, że sysem w pzedziale czasu (, + ie zmieia swojego sau eksploaacyjego (26. oaz uszkodzoe są wszyskie elemey ezewowe. R(X, = (32 Założoo ówież, że w jedej chwili czasowej, uszkodzić się może ylko jede dowoly eleme podsawowy, wówczas uszkodzeie wywoła pzejście sysemu ze sau zdaości do sau iezdaości: k 1 (33 Nowy sa sysemu moża wówczas opisać fomułą: F ( 1 (34 Dla apawy dowolego elemeu w sysemie, w saie iezdaości, pzyjęo, że sysem w pzedziale czasu (, + ie zmieia swojego sau eksploaacyjego (26. Poado sa iezdaości wyika z uszkodzeia ylko jedego elemeu kyyczego dla sysemu, z. uszkodzeie kóe wywołało awaie sysemu powsało w wyiku pocesu (34. Założoo, że w jedej chwili czasowej, apawie może podlegać ylko jede eleme oaz że elemey zdae w akcie apawy ie uszkadzają się. Wówczas apawa uszkodzoego elemeu kyyczego wywoła pzejście sysemu ze sau iezdaości do sau zdaości: Nowy sa sysemu moża wówczas opisać fomułą: k 2 (35 F ( 1 (36 Dla pzejścia w sa iezdaości sysemu pzy wyjściowym saie zdaości sysemu i wszyskich elemeach ezewowych, pzyjęo, że dla całego pocesu pzejścia do sau iezdaości sysem ie zmieia swojego sau eksploaacyjego (26 oaz zakłada się ze ie pzepowadza się apaw w sysemie do chwili pzejścia w sa iezdaości. Założoo, że w jedej chwili czasowej, uszkodzić się może ylko jede eleme podsawowy, oaz zakłada się, że elemey ezewowe jeśli są jeszcze zdae załączają się do pacy (pzejmują obciążeie w pomijalie małym czasie. Wówczas uszkodzeie kóegokolwiek z elemeów podsawowych w sysemie X wywoła pzejście sau (33. Zmiaa sau sysemu z pełej zdaości z zachowaiem opisaych założeń do sau iezdaości, wymaga zajścia kolejo (+1=(R(X, + 1 pzejść saów sysemu. Z czego R(X, pzejść opisaych jes zależością (29 co związae jes z wyczepaiem zasobów w posaci elemeów ezewowych w sysemie, aomias składik 1 opisay jes pzejściem (34 i związay jes bezpośedio z uszkodzeiem sysemu. Szeeg pocesów pzejść od sau wyjściowego do uszkodzeia sysemu moża opisać jako: {[, } 1,..., R( ], Dla pzejścia w sa pełej zdaości sysemu i wszyskich elemeach ezewowych pzy wyjściowym saie iezdaości sysemu, pzyjęo, że dla całego pocesu pzejścia do sau pełej zdaości sysemu i (37

8 wszyskich elemeów ezewowych, sysem ie zmieia swojego sau eksploaacyjego (26. Poado sa iezdaości wyika z uszkodzeia ylko jedego elemeu kyyczego dla sysemu, z. uszkodzeie kóe wywołało awaie sysemu powsało w wyiku pocesu (34. Założoo, że w jedej chwili czasowej, apawie może podlegać ylko jede eleme oaz że elemey zdae w czasie waia pocesu apawy ie uszkadzają się. Napawa uszkodzoego elemeu kyyczego (piewszego wywołuje pzejście sysemu ze sau iezdaości do sau zdaości. Pzyjęo, że sysem w kolejych (po odowie chwilach czasu (, + jes w saie zdaości oaz założoo, że w jedej chwili czasowej, apawie może podlegać ylko jede eleme oaz że zdae elemey sysemu w akcie apawy ie uszkadzają się. Pzejście sysemu ze sau iezdaości z zachowaiem opisaych założeń do sau pełej zdaości syemu i wszyskich elemeów ezewowych wymaga zajścia kolejo: jedego pzejścia (34 związaego z pzywóceiem goowości sysemu oaz (R(X, pzejść opisaych jes zależością (31 związaych z apawą wszyskich elemeów ezewowych w sysemie. Szeeg pocesów pzejść od sau wyjściowego do pełej zdaości sysemu i wszyskich elemeów ezewowych sysemu moża opisać jako: { [ 1 1, 1, 2 2 ( imf ( 2,..., ], (38 5. UWAGI KOŃCOWE W aykule zapopoowao owy sposób opisu ezewowaia dla złożoych sysemów echiczych o zmieej sukuze fukcjoalej. Zapopoowaa oacja w posaci pay liczb całkowiych pozwala a dokoaie szeegu pzekszałceń a płaszczyźie zespoloej. Pozwalają oe a spawdzeie szeegu zależości pomiędzy podsysemami w sysemach z ezewowaiem. Zależości e mogą mieć zasosowaie dla modelowaia i aaliz umeyczych złożoych sysemów echiczych o zmieej sukuze fukcjoalej i iezawodościowej. Między iymi dla jedakowych elemeów daego sysemu możliwe jes sumowaie wskaźików X,, co iepeować moża jako ozbudowę sysemu o okeśloą ilość elemeów podsawowych i ezewowych (połączeie szeegowe dwóch sysemów epezeowaych pzez odpowiedie wskaźiki oaz odejmowaie ych wskaźików, co iepeuje się jako poówaie sukuy (óżica w ilości wymagaych elemeów podsawowych i ezewowaia (óżica w ilości wymagaych elemeów ezewowych. PIŚMIENNICTWO CYTOWANE [1] Chybowski L., Mauszak Z., Simulaio of uavailabiliy of he offshoe ui s powe pla sysem wih use of seleced algoihms. Poblems of Applied Mechaics. Ieaioal Scieific Joual o 2 (15/24. IFToMM of Geogia. Tbilisi 24, s. 33. [2] Chybowski L., Sysem eegeyczo-apędowy jako podsukua sysemu dyamiczego pozycjoowaia jedoski oceaoechiczej. Maeiały XXIII Sympozjum Siłowi Okęowych, Akademia Moska, Gdyia, 22, s. 39. [3]. Nicewicz G., Gzebieiak R., Rezewowaie w sysemie eegeyczo-apędowym siłowi saku wieiczego i saku aspoowego. Maeiały 22 MSN, Zieloa Góa, Maj 21. Tom Mechaika, s. 13. [4] Guidelies fo Vessels wih Dyamic Posiioig Sysems. IMO MSC Cic Jue [5] Guidelies fo he Desig & Opeaio of Dyamically Posiioed Vessels. IMCA M 13. Febuay REDUNDANCY IN DYNAMIC POSITIONING SYSTEMS OF SEABED EXPLORING SUPPORT OFFSHORE VESSELS Summay: Majo diffeeces ad equiemes fo sucual edudacy i dyamic posiioig sysems of offshoe oil ad gas idusy suppo vessels has bee peseed. Geeic hieachical sucue model of dyamic posiioig sysems has bee show. Applicaio of complex umbes plae fo descipio of edudacy i dyamic posiioig sysems has bee poposed.