Rozwój prac projektowych przemysłowego systemu wydobywania konkrecji z dna Oceanu Spokojnego poprzez realizację projektów badawczo-rozwojowych prof. dr hab. inż. Tadeusz Szelangiewicz przygotowanie prezentacji: dr hab. inż. Katarzyna Żelazny
Plan prezentacji 1. Koncepcja przemysłowego kompleksu wydobywczo-transportowego 2. Projekt koncepcyjny statku wydobywczego z hydrauliczną instalacją wydobywczą 3. Projekt koncepcyjny agregatu zbierającego konkrecje 4. Projekty badawczo-rozwojowe wspierające projektowanie i budowę przemysłowego kompleksu wydobywania i transportu polimetalicznych konkrecji 5. Wnioski
1. Przemysłowy kompleks wydobywczo-transportowy 1 statek wydobywczy, 2 statki transportowe, 3 statek zaopatrzeniowy, 4 statek obsługi technicznej, 5 baza lądowa
Warunki zewnętrzne mające wpływ na parametry projektowe kompleksu wydobywczo-transportowego - Bardzo wysokie koszty inwestycyjne (budowa kompleksu wydobywczo-transportowego), - Bardzo duża roczna wydajność wydobywania (miliony ton/rok) - Bardzo duże trudności techniczne wydobywanie konkrecji z dna oceanicznego z głębokości 4000 5000 m, - Konieczność precyzyjnego, zdalnego sterowania agregatem zbierającym konkrecje z bardzo urozmaiconej powierzchni dna oceanicznego, - Oczekiwana bardzo wysoka niezawodność i ochrona środowiska morskiego, - Możliwość występowania niesprzyjających parametrów środowiska morskiego (wiatr, falowanie).
Cel procesu projektowego Poszukiwanie optymalnych parametrów projektowo-eksploatacyjnych kompleksu wydobywczotransportowego dla założeń: roczna wydajność systemu wydobywczotransportowego, (administracyjne decyzje ISA), koszt wydobycia 1 tony urobku na pokład statku, jednostkowy koszt eksploatacji kompleksu wydobywczo-transportowego, światowy koszt metali (lub koncentratów metali możliwych do uzyskania z wydobywanych konkrecji), jednostkowy koszt przeróbki konkrecji w zakładzie lądowym.
Wynik analiz optymalizacyjnych Agregat zbierający konkrecje z dna: szerokość i prędkość przemieszczania się, wydajność i efektywność zbierania konkrecji z dna, Statek wydobywczy: nośność, wymiary i moc siłowni, Instalacja wydobywcza (hydrauliczna): średnica rurociągu, prędkość przepływu mieszaniny konkrecji w wodzie, moc pomp, wydajność teoretyczna, Hydrauliczna instalacja przeładunkowa: wydajność przeładowywania, moc pomp, Statki transportowe: nośność, prędkość i ich liczba, Środowisko morskie: maksymalne parametry wiatrów i falowania, przy których będzie prowadzony proces wydobywania konkrecji i ich przeładunek na statki transportowe.
2. Projekt koncepcyjny statku wydobywczego z hydrauliczną instalacją wydobywczą
Wizualizacja projektu koncepcyjnego statku wydobywczego Widok perspektywiczny statku wydobywczego Widok boczny statku wydobywczego
Magazyn rur wydobywczych na pokładzie nad ładownią rufową Widok na pokład jedna z rufowych ładowni
3. Projekt koncepcyjny agregatu zbierającego konkrecje
Wizualizacja projektu koncepcyjnego agregatu zbierającego konkrecje
4. Projekty badawczo-rozwojowe wspierające projektowanie i budowę przemysłowego kompleksu wydobywania i transportu polimetalicznych konkrecji Zadanie 1 optymalizacja parametrów projektowoeksploatacyjnych przemysłowego kompleksu wydobywczo-transportowego Zadanie 2 analiza komputerowa ruchu układu: agregat zbierający konkrecje, rurowa instalacja wydobywcza, statek wydobywczy w środowisku morskim, Zadanie 3 opracowanie projektów, budowa i testy doświadczalnych prototypowych instalacji wydobywczych
4.1. Zadanie 1 optymalizacja systemu wydobywczo-transportowego Matematyczny model agregatu zbierającego konkrecje: szerokość i prędkość ruchu agregatu, moc napędu, właściwości manewrowe, teoretyczna efektywność zbierania, Matematyczny model hydraulicznej instalacji wydobywczej: średnica rury, moc pomp wydobywczych, teoretyczna efektywność wydobywania, Matematyczny model statku wydobywczego: wymiary statku, moc siłowni (elektrowni), nośność, Matematyczny model hydraulicznej instalacji przeładunkowej: wydajność przeładowywania, moc pomp przeładunkowych, teoretyczna wydajność przeładunku, Matematyczny model statków transportowych: wymiary statków, nośność, prędkość, moc napędu, liczba statków transportowych.
Cel zadania 1 Dla: zakładanych rocznych wydajności wydobywania konkrecji, zakładanych parametrów pogodowych, przy których będą prowadzone prace wydobywcze lub przeładunkowe, przeprowadzenie wielokryterialnej optymalizacji wybór parametrów projektowo-eksploatacyjnych, dla których będą najniższe koszty wydobycia i transportu konkrecji.
4.2. Zadanie 2 - Symulacje komputerowe ruchu systemu wydobywczego Statek nad złożem r do p x x 1 y 1 y V A V C H W V dop stabilizowany kurs i prędkość statku względem trajektorii ruchu agregatu zbierającego średnia droga statku wynikająca ze średniego ruchu agregatu zbierającego kołysania statku o częstości fali w płaszczyźnie poziomej V prędkość ruchu statku nad złożem utrzymywana z dokładnością V, kurs statku, utrzymywany z dokładnością V dop, r dop dopuszczalne odchylenie od zadanej trajektorii ruchu statku, V A prędkość wiatru, V C prędkość prądu powierzchniowego, H W wysokość fali średnia pozycja statku wynikająca ze śledzenia pozycji agregatu zbierającego chwilowa pozycja statku z uwzględnieniem kołysań
Dynamika rurowej instalacji wydobywczej y z x 3 1 z V x średnia statyczna krzywizna rury instalacji wydobywczej y z 2 V c (z, c ) chwilowa dynamiczna krzywizna rury instalacji wydobywczej lokalna linia pionu V c (z, c ) 5 6 4 odchylenie dolnego końca rury od pionu V AD 1 statek wydobywczy, 2 pionowa rura wydobywcza, 3 pompy głębinowe, 4 bufor, 5 poziomy elastyczny rurociąg transportowy, 6 denny agregat zbierający, V prędkość statku wydobywczego, V AD prędkość dennego agregatu zbierającego konkrecje, V C (z, C ) prędkość prądu głębinowego, której wartość zależy od głębokości wody z i geograficznego kierunku C prądu
Wzajemne położenie dolnego końca rurociągu wydobywczego (bufora) i agregatu zbierającego 3 2 1 b R MIN R MAX 2 3 1 agregat zbierający konkrecje 2 elastyczny, poziomy rurociąg 3 dolny koniec pionowego rurociągu
Cel zadania 2 analiza oddziaływania i wzajemnego położenia elementów systemu wydobywczego na naprężenie, odkształcenie instalacji wydobywczej, analiza zagrożeń występujących podczas ruchu statku z instalacją wydobywczą i agregatu zbierającego konkrecje, analiza efektywności zbierania konkrecji z dna oceanicznego.
4.3. Zadanie 3 - Badanie doświadczalne prototypów systemu wydobywczego Etap I wykonanie projektu, budowa i testy systemu wydobywczego na małej głębokości ~ 300 m (morze Bałtyckie) Etap II wykonanie projektu, budowa i testy systemu wydobywczego na głębokości 4.000 m (Pacyfik, rejon Clarion-Clipperton).
Etap I: System wydobywczy na małą głębokość 1 8 7 3 2 4 6 5 1. ponton wydobywczy 2. rura wydobywcza 3. agregat zbierający konkrecje 4. kablolina zasilająca agregat 5. lina stalowa do wleczenia agregatu 6. obciążniki liny 7. lina holownicza 8. holownik
Cel testów etapu I: badanie efektywności zbierania konkrecji za pomocą agregatu wleczonego po dnie morskim, badanie agregatu z własnym napędem sterowanym z pokładu platformy, badanie: urządzeń zbierających, wstępnego oczyszczenia i podawania konkrecji do rurociągu wydobywczego, badanie systemu pompowego do transportu pionowego, badanie systemu monitorowania środowiska morskiego oraz ruchu agregatu zbierającego konkrecje.
Wstępny harmonogram realizacji projektu etap I 1. projekt techniczny systemu wydobywczego 6 miesięcy 2. opracowanie harmonogramu i zakresu testów wydobywczych 2 m-ce 3. przygotowanie lądowej bazy dla systemu wydobywczego (hala magazynowa, warsztat) 8 miesięcy 4. wykonanie wszystkich elementów systemu wydobywczego 12 miesięcy, 5. przebudowa pływającej platformy, instalacja systemu wydobywczego 10 miesięcy 6. testy wydobywcze: - z agregatem bez własnego napędu 2 miesiące, - z agregatem z własnym napędem 3 miesiące, 7. opracowanie wyników testów i wytycznych do budowy pilotowego systemu wydobywczego 3 miesiące 4 3 3 2 1 2 1 4 5 6a 6b 7 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Wstępne parametry prób etapu I: całkowity czas realizacji projektu 30 miesięcy czas trwania prób 5 miesięcy ilość wydobytych konkrecji 10 ton kosztorys projektu: - projekt i budowa systemu wydobywczego, instalacja na pływającej platformie 22 mln Euro - wykonanie prób (wynajęcie holownika) 1 mln Euro
Etap II: Pilotowy system wydobywczy 1. statek wydobywczy 2. rurociąg wydobywczy, 3. elastyczny odcinek rurociągu wydobywczego, 4. agregat zbierający konkrecje, 5. bufor, 6. pompy głębinowe,
Cel testów pilotowego systemu wydobywczego: badanie systemu zbierania i podnoszenia konkrecji z dużych głębokości, badanie napędu i sterowania agregatu zbierającego konkrecje, badanie dynamiki i wzajemnego położenia agregatu zbierającego konkrecje, rurowej instalacji wydobywczej i statku wydobywczego, badanie efektywności zbierania i podnoszenia konkrecji z dna oceanicznego, monitorowanie środowiska morskiego podczas wydobycia konkrecji, monitorowanie rozchodzenia się iłów dennych oraz wody morskiej podnoszonej z dna razem z konkrecjami.
Wstępny harmonogram realizacji projektu pilotowego wydobycia konkrecji 1. projekt techniczny systemu wydobywczego 12 miesięcy 2. opracowanie harmonogramu i zakresu testów wydobywczych 4 m-ce, 3. wykonanie wszystkich elementów systemu wydobywczego 16 miesięcy, 4. zakup używanego statku wiertniczego i projekt techniczny jego przebudowy 8 miesięcy 5. przebudowa statku wiertniczego, instalacja systemu wydobywczego 12 miesięcy 6. pilotowe testy wydobywcze 6 miesięcy 7. opracowanie wyników testów i wytycznych do budowy przemysłowego kompleksu wydobywczo-transportowego 2 miesiące 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 0 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44
Wstępne parametry prób: całkowity czas realizacji projektu 44 miesiące czas trwania prób 6 miesięcy ilość wydobytych konkrecji 20.000 ton kosztorys projektu: - projekt i budowa systemu wydobywczego 90 mln Euro - wykonanie prób (eksploatacja statku) 10 mln Euro
5. Wnioski: 1. Dalsze prace projektowe nad przemysłowym kompleksem wydobywczo-transportowym wymagają finansowania projektów badawczorozwojowych: - w zakresie modelowania matematycznego i symulacji komputerowych zadania 1 i 2, - w zakresie budowy prototypów i testów w środowisku morskim zadanie 3. 2. Projekty w zadaniu 1 i 2 oraz w zadaniu 3 mogą być prowadzone równolegle.
3. Wszystkie projekty badawczo-rozwojowe (zadania 1, 2 i 3) mogą w całości być zrealizowane w Polsce są odpowiednie zespoły badawcze, wykonawcy urządzeń dla prototypowych instalacji wydobywczych oraz baza do przeprowadzenia doświadczeń. 4. Realizacja zaproponowanych projektów badawczo-rozwojowych pozwoli na rozpoczęcie projektowania i budowy przemysłowego kompleksu wydobywczo-transportowego do eksploatacji podwodnych złóż konkrecji.