Современный технический прогресс в области информационных технологий существенно расширяет тактико-технические возможности подвижных
объектов различного назначения. Значительную роль в этом процессе играет решение задач ориентации и навигации объектов на новом качественном уровне. Системы,
решающие на борту эти задачи, объединяются в информационно-управляющие комплексы ориентации и навигации (КОН). Наряду с оптимизацией управляющей части
КОН, общим направлением их развития в последние десятилетия является существенное повышение точности и надежности признано информационные параметры
ориентации и навигации, т.е. совершенствование информационной части КОН. Эти обстоятельства во многом предопределяют рост эффективности и безопасности
эксплуатации подвижных объектов.
Необходимость создания КОН как комплексов, в которых результат в значительной степени достигается за счет обеспечения избыточности информации, оптимизации
ее обработки, оптимизации управляющей части, обусловлено тем, что только конструктивно-технические пути решения задач ориентации и навигации на современном
уровне требований, часто ведут к чрезвычайным расходам, а темпы их внедрения существенно ниже требуемых темпов наращивания информационного обеспечения. В
то же время, другим основополагающим фактом в развитии КОН является переход к ресурсосберегающим технологиям, что позволяет получить существенный выигрыш в
массогабаритных характеристиках аппаратуры, снизить ее стоимость, энергопотребление и повысить надежность. Тут один из основных путей
решения - миниатюризация датчиков, применительно к инерциальным системам наиболее ярко отражается в переходе там, где это целесообразно, к
микромеханическим инерциальным чувствительным элементам. Одновременно совершенствуются и технологии перспективных макродатчиков КОН, частности инерциальных
чувствительных элементов и гравиинерциальних измерителей.
В большинстве случаев информационным ядром современных и перспективных КОН является бес платформенная навигационная система, комплектируемая со спутниковой
навигационной системой. Такой подход наиболее полно проявляется, в частности, в КОН авиационного применения, опыт проектирования которых широко использован
в монографии.
Актуальность темы
Задача вычисление координат подвижного объекта актуальна, т.к. в настоящее время требуется высокая точность и достоверность положения объекта. В связи с этим ведутся исследования по улучшению систем навигации и вывод их на новый, более высокий уровень.
Научная значимость работы
Научная значимость данной работы заключается в разработке более точного метода определения координат подвижного объекта и удержание его в определенном пространстве.
Практическая ценность результатов работы
В ходе выполнения работы после проведения моделирования с улучшенными методами предполагается получить более оптимальный и достоверный метод определения координат и удержание объекта в ограниченном пространстве. Обобщенная структура КОН в виде пяти взаимосвязанных функциональных модулей (Рис.1):
Рисунок 1 - Обобщенная структура комплексов ориентации и навигации.
В приведенной структуре информационной основой КОН является комплекс систем-источников первичной информации (КПИ), измеряющие различные параметры движения и состояния объекта и передают эту информацию в аналоговом или цифровом виде в вычислительный комплекс (ВК). На Рис.1 обозначено: СВОИ - средства ввода и отображения информации. CK - средства контроля подсистем КОН и управляемого объекта. ИУ - исполнительные устройства управления.
Динамическое позиционирование
Системы динамического позиционирования открыли новые возможности для интенсивного развития морских исследований, результаты которых
составляют необходимую научную базу для всех видов использования и освоения Мирового океана.
В зависимости от глубины проведения работ в настоящее время применяют в основном два способа удержания судов в заданном положении: статические системы
позиционирования (якорные системы удержания) и системы динамического позиционирования.
Суда, обладающие высокой мобильностью, незаменимы при выполнении работ по разведке месторождений нефти и газа на значительных площадях морей, когда
требуется частая смена района работ. При глубинах свыше 200 м на судах, как правило, используются динамические системы позиционирования, обеспечивающие
достаточно быструю и простую постановку на заданную точку, возможность ухода с позиции при ухудшении гидрометеорологических условий и высокую точность
удержания судна на месте. Динамическое позиционирование может осуществляться автоматически, полуавтоматически или вручную при помощи команд оператора с
пульта управления системы динамического позиционирования. За рубежом ведущее положение по разработке систем динамического позиционирования занимают
Норвегия и Франция. Впервые такая система была создана французской фирмой и установлена в 1964 г. на исследовательском судне "Terebel". В США разработкой
систем динамического позиционирования занимается фирма «Honeywell». Система этой фирмы впервые была установлена на буровом судне "Glomar Challenger",
построенном в 1968 г. Опыт эксплуатации этих систем на судах «Terebel» и «Glomar Challenger» показал их высокую эффективность. Суда удерживались в
заданной точке при действии ветра и течения с точностью до 3-6 % от глубины.
«Эврика» был первым в мире с автоматическим управлением динамического позиционирования судна. Это был полупогружной, построен нефтяной компанией «Шелл»
для разведочного бурения и начал свою работу весной 1961 года. С одним двигателем мощность для каждого из своих 400 тонн перемещения, он был очень успешным
в принятии ядер до 150 м в морское дно. Усреднения по два места в сутки, она пробурена до девяти в один день на глубине с до 1200 г.
Так как это первая операция динамической системы позиционирования, они прошли долгий путь. Старые аналоговые (одного потока системы) затем пошли и
цифровые компьютеры представлены в двух, а потом и тройным резервированием. Частота отказов прошли путь от нескольких в месяц и более чем 20 процентов
простоя в первый год, на сегодняшний день среднее время наработки на отказ (MTBF) около трех лет для лучших систем.
Развитие успеха системы динамического позиционирования требует средств для проверки производительностей всей системы от контроля для реакции судна
окружающей среды и двигателя сил на корпус. Полное моделирование даст производительность системы с помощью математического анализа, прежде чем любое
оборудование было приобретено. Тогда с помощью детального тренажера системы, можно изменять параметры управления системой, аппаратные характеристики,
дизайн винта или даже конструкции корпуса, чтобы получить те или необходимой эффективности в меняющихся условиях, а также в ответ на внезапный отказ от
компонент системы.
Системы управления
Системы динамического позиционирования, в основном, это положение судна по отношению к намеченной позиции и направляет силу различных
двигателей, чтобы исправить любые ошибки позиции. Без какой либо модуляции тяги и предоставление «мертвой зоны», система будет постоянно
перерегулироваться. Наверное, самая простая практическая система состоит из тяги и момента команды пропорциональной (Р) на сумму местоположения и
направления ошибки:
Диаграмма осей системы приведена на рис 4.1, с началом координат, S, из земных осей в системе входит по-прежнему поверхности воды.
Рисунок 2 - Динамическое позиционирование осей системи.
Математическая модель
Для динамического позиционирования плавучее сооружение, не только горизонтальные движения низкой частоты волны (K = 1), влияние (K = 2)
и рыскания (К = 6) представляют интерес. Двигатель силы должнен балансировать и принимать волны, текущие и ветровые нагрузки. Кроме того, xЎ и Xf, является
медленно меняющимися структуры. Осталось высокочастотные движение волн, которые интегрировались или отфильтровались.
Общий вид трех нелинейных связанных (Эйлера) уравнения движения в горизонтальной плоскости на волнах, качаться и рыскания судна с динамическим
позиционированием - с осями системы определяется по формуле:
Относительная скорость воды и напрвления:
Рис 3 – Моделирование шквального лобового и бокового ветра.
Оптимальная оценка состояния
Прежде чем разрабатывать систему управления динамического позиционирования необходимо вычислить оценку состояний шумов. Обычно это
делается путем применения наполнителя оценкам состояния Кальман и обозначаются Xl, Xh, Xc1, Xw.
Рисунок 4 - Блок-схема системи динамического позиционирования
Методы определения координат объекта
Пcевдодальномерний метод.
Сущность псевдодальномерного метода состоит в определении расстояний между навигационными спутниками и потребителем и последующим расчетом координат
потребителя. Для расчета трех координат потребителя псевдодальномерным методом необходимо знать расстояния между потребителем и минимум тремя
навигационными спутниками. Эти расстояния измеряются между фазовыми центрами передающей антенны навигационного спутника и приемной антенны потребителя.
Измеренное расстояние между i-тым навигационным спутником и потребителем называется псевдодальностью к i-му спутнику. Псевдодальность, вообще говоря, также
является расчетной величиной и вычисляется как произведение скорости распространения электромагнитных колебаний и времени, в течении которого сигнал
спутника по трассе «спутник - потребитель» достигнет потребителя. Это время измеряется в аппаратуре. Измеренная псевдодальность к i-му навигационному
спутнику определяется по формуле:
PRi = c x ti
где PR - измеренная псевдодальность к i-му навигационному спутнику, км;
ti - время распространения сигнала на трассе «i-тый спутник - потребитель» на момент проведения навигационных определений, с;
с-скорость распространения электромагнитных волн в пространстве, км / с.
Уравнение (1) можно записать через координаты i-го спутника и координаты потребителя по формуле:
Где PR- измеренная псевдодальность к i-му навигационному спутнику, км;
(Xi, yi, zi) - координаты i-го спутника;
(X, y, z) - координаты потребителя.
Дифференциальный метод.
Дифференциальный метод определения координат используется для повышения точности навигационных определений, выполняемых в аппаратуре потребителя. В основе
дифференциального метода лежит знание координат опорной точки или системы опорных точек, по которым могут быть вычислены поправки к определению
псевдодальностей навигационных спутников. Если эти поправки учесть в аппаратуре потребителя, то точность расчета, в частности, координат может быть
повышена в десятки раз.
Аппаратура, входящая в состав наземного функционального дополнения состоит из контрольно-корректирующих станций, ОВЧ канала передачи данных в соответствии
с рисунком 5. Бортовой навигационный GNSS приемник и приемник ОВЧ сигналов установленные на борту подвижного объекта.
Рисунок 5 - Контрольно-корректирующая станция
Разница между расчетной и измеренной псевдодальностями является поправка псевдодальности соответствующего навигационного спутника. Учет в аппаратуре потребителя этой разницы и позволяет повысить точность навигационных определений. В практических системах потребителю передается скорость изменения поправок псевдодальностей, с применением которых производится расчет скорректированных псевдодальностей.
Заключение
Выполненные исследования, результаты которых изложены работе, позволяют решить актуальную задачу формирования математической модели
судна, оборудованного СДП, на ранних стадиях исследовательского проектирования. К наиболее существенным можно отнести следующие результаты работе:
1. Аналитические описания гидроаеродинамичних характеристик судна.
2. модель неизменной части системы управления динамическим позиционированием судна, что позволяет:
- Обеспечить проверку обоснованности принятия предварительных решений;
- Способствовать формированию необходимой базы данных для автоматизации проектирования и накоплению личного опыта проектировщика;
- Послужить основой для разработки математического обеспечения автоматизированной системы исследовательского проектирования СДП;
- Усовершенствовать процесс разработки СДП, снизить трудозатраты и время на проектирование;
- Повысить эффективность разрабатываемой модели.
3. Главный алгоритм управления динамическим позиционированием, определяющий основные вычислительные операции вычислительного устройства.
4. Функционально-принципиальную схему СДП, которая определяет необходимые функциональные элементы системы и характер взаимных связей между ними.
5. Требования к измерительной подсистемы СДП, в общем, и к измерителей, в частности, которые определяют состав и структуру функциональной схемы измерительной подсистемы.
6. Методику формирования математической модели неизменяемой части системы управления динамическим позиционированием судна на этапе исследовательского проектирования.
Рисунок 6 - Имитационное моделирование судна
(анимация: 124 Кб, 3 кадра, задержка 3с, повтор кадров 4 раза)
С использованием разработанной методики выполнена имитационное моделирование судна, оборудованного СДП. Результаты моделирования практически подтвердили верность методики. Выполненные исследования убедительно показали реальную возможность сформировать математическую модель судна, оборудованного СДП, в условиях неполной и неточной информации, когда объект управления реально еще не существует, а информация о системе минимальна.
Примечание
При написании данного реферата выпускная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.
Список литературы
- Структура и принципы работы систем динамического позиционирования
Чтобы сузить результаты поисковой выдачи, можно уточнить запрос, указав поля, по которым производить поиск. Список полей представлен выше. Например:
Можно искать по нескольким полям одновременно:
Логически операторы
По умолчанию используется оператор AND
.
Оператор AND
означает, что документ должен соответствовать всем элементам в группе:
исследование разработка
Оператор OR означает, что документ должен соответствовать одному из значений в группе:
исследование OR разработка
Оператор NOT исключает документы, содержащие данный элемент:
исследование NOT разработка
Тип поиска
При написании запроса можно указывать способ, по которому фраза будет искаться. Поддерживается четыре метода: поиск с учетом морфологии, без морфологии, поиск префикса, поиск фразы.
По-умолчанию, поиск производится с учетом морфологии.
Для поиска без морфологии, перед словами в фразе достаточно поставить знак "доллар":
$ исследование $ развития
Для поиска префикса нужно поставить звездочку после запроса:
исследование*
Для поиска фразы нужно заключить запрос в двойные кавычки:
" исследование и разработка"
Поиск по синонимам
Для включения в результаты поиска синонимов слова нужно поставить решётку "#
" перед словом или перед выражением в скобках.
В применении к одному слову для него будет найдено до трёх синонимов.
В применении к выражению в скобках к каждому слову будет добавлен синоним, если он был найден.
Не сочетается с поиском без морфологии, поиском по префиксу или поиском по фразе.
# исследование
Группировка
Для того, чтобы сгруппировать поисковые фразы нужно использовать скобки. Это позволяет управлять булевой логикой запроса.
Например, нужно составить запрос: найти документы у которых автор Иванов или Петров, и заглавие содержит слова исследование или разработка:
Приблизительный поиск слова
Для приблизительного поиска нужно поставить тильду "~ " в конце слова из фразы. Например:
бром~
При поиске будут найдены такие слова, как "бром", "ром", "пром" и т.д.
Можно дополнительно указать максимальное количество возможных правок: 0, 1 или 2. Например:
бром~1
По умолчанию допускается 2 правки.
Критерий близости
Для поиска по критерию близости, нужно поставить тильду "~ " в конце фразы. Например, для того, чтобы найти документы со словами исследование и разработка в пределах 2 слов, используйте следующий запрос:
" исследование разработка"~2
Релевантность выражений
Для изменения релевантности отдельных выражений в поиске используйте знак "^
" в конце выражения, после чего укажите уровень релевантности этого выражения по отношению к остальным.
Чем выше уровень, тем более релевантно данное выражение.
Например, в данном выражении слово "исследование" в четыре раза релевантнее слова "разработка":
исследование^4 разработка
По умолчанию, уровень равен 1. Допустимые значения - положительное вещественное число.
Поиск в интервале
Для указания интервала, в котором должно находиться значение какого-то поля, следует указать в скобках граничные значения, разделенные оператором TO
.
Будет произведена лексикографическая сортировка.
Такой запрос вернёт результаты с автором, начиная от Иванова и заканчивая Петровым, но Иванов и Петров не будут включены в результат.
Для того, чтобы включить значение в интервал, используйте квадратные скобки. Для исключения значения используйте фигурные скобки.
Удаление районов буровых работ от береговых баз, сложность и малая скорость буксировки, а также небольшая автономность снижают эффективность использования полупогружных буровых установок. Поэтому для поискового и разведочного бурения в отдаленных районах применяют буровые суда. (рис.11).
Основным режимом эксплуатации буровых судов является бурение скважины (85-90% от всего времени эксплуатации судна). Поэтому форма корпуса и соотношение главных размерений определяются требованиями остойчивости и обеспечения стоянки с возможно малыми перемещениями. Вместе с тем форма корпуса должна соответствовать скорости передвижения судна 10-14 узлов и более. Характерная особенность для буровых судов - малое отношение ширины к осадке, равное 3-4.
| Рис. 11- Заякоренное буровое судно. |
Причем наблюдается тенденция уменьшения этого отношения (у судов «Пеликан», «Сайпем II» и др.), что можно объяснить расширением районов работы и требованиями повышения мореходности. Выбор главных размерений судна зависит от требуемой грузоподъемности, которая определяется расчетной глубиной бурения скважин и автономностью судна.
В практике бурения разведочных скважин на море широко применяют однокорпусные и многокорпусные самоходные и несамоходные суда. С середины 50-х до конца 70-х годов для бурения использовались только суда с якорной и закольной системами стабилизации, их удельный вес в парке плавучих буровых установок составлял 20-24 %. Область применения для бурения судов с якорной системой стабилизации ограничена глубинами моря до 300 м.
Новые перспективы в освоении морских месторождений открылись в 1970 г. благодаря созданию системы динамического позиционирования, использование которой позволило установить ряд рекордов по глубине разведываемых акваторий. С этого времени произошел относительно быстрый рост мирового парка судов для бурения на больших глубинах моря.
Примерами зарубежных судов с динамической системой стабилизации являются "Пеликан" (до глубины моря 350 м), "Седко-445" (до 1070 м), "Дисковерер Севен Сиз" (до 2440 м), "Пелерин" (до 1000 м первое и до 3000 м второе поколения), "Гломар Челенджер" (до 6000 м, фактически покорена глубина моря 7044 м), "Седко-471" (до 8235 м).
Самоходные буровые суда бывают однокорпусными и двухкорпусными (катамараны). В отечественных производственных организациях используются преимущественно однокорпусные. Обусловлено это меньшими капитальными затратами на их изготовление, так как они создавались на базе готовых проектов корпусов рыболовецких судов.
Однокорпусные буровые суда типа "Диорит", "Диабаз", "Чароит", "Кимберлит", эксплуатировавшиеся в производственных экспедициях ВМНПО "Союзморинжгеология", оснащены якорной системой стабилизации, буровыми станками шпиндельного типа и технологическим оборудованием для проведения инженерно-геологических изысканий при глубине воды от 15 до 100 м.
Опыт бурения с этих судов выявил ряд их конструктивных недостатков, основными из которых являются ненадежная система стабилизации на скважине, малые размеры буровой площадки и ограниченное число посадочных мест из-за использования серийных корпусов рыболовецких судов, невозможность передачи на забой необходимой осевой нагрузки при бурении станками шпиндельного типа без компенсаторов вертикальных перемещений бурового снаряда, невозможность проведения комплекса скважинных геотехнических исследований и отбора монолитов вдавливанием из-за использования бурильной колонны геолого-разведочного сортамента диаметром 0,050 - 0,064 м. Единственный вид скважинных исследований, которые можно производить с этих судов, - это прессиометрия.
Технологический комплекс каждого судна состоит из буровой установки, системы для проведения скважинных геотехнологических исследований (статическое зондирование и пробоотбор) и донной пенетрационной установки. Использование бурового кондуктора (водоотделяющей колонны) на этих судах не предусмотрено. Привод основных буровых механизмов гидравлический, спускоподъемные операции механизированы.
Специализированных судов для бурения разведочных скважин на глубинах морей свыше 300 м в России в настоящее время нет.
Более перспективным типом судов для бурения разведочных скважин являются катамараны. По сравнению с однокорпусными судами такого же водоизмещения они имеют ряд преимуществ: более высокую остойчивость (амплитуда бортовой качки катамарана в 2-3 раза меньше, чем у одно-корпусных судов), что позволяет работать в лучших условиях при сильном волнении моря (коэффициент рабочего времени двухкорпусных судов больше, чем однокорпусных, минимум на 25 %); более удобную для работы по форме и значительно большую (на 50 %) полезную площадь палубы (поскольку ис- пользуется межкорпусное пространство), что дает возможность разместить на палубе необходимое количество тяжелого бурового оборудования; малую осадку и высокую маневренность (каждый корпус снабжен ходовым винтом), что способствует использованию их в условиях мелководного шельфа. Стоимость постройки однокорпусного судна со сравнимой площадью рабочей палубы на 20 - 30 % выше стоимости судна-катамарана.
 |
| Рис. 12- Буровое судно "Катамаран". |
Американская фирма "Ридинг энд Бэтес" построила буровое судно "Катамаран", состоящее из двух барж, скрепленных девятью балочными фермами (рис.12). Длина судна 79,25 м, ширина 38,1 м. С него можно бурить скважины глубиной до 6000 м при любой глубине моря. На судне установлены: буровая вышка высотой 43,25 м с грузоподъемной силой 4500 кН; ротор; двухбарабанная лебедка с приводом от двух дизелей; два буровых насоса с приводом от двух других дизелей; цементировочный агрегат; резервуары для глинистого раствора; восемь якорных лебедок с электроприводом от двух дизель-генераторов переменного тока мощностью по 350 кВт; жилые помещения для 110 человек.
Из буровых судов-катамаранов значительно меньших геометрических и энергетических параметров следует отметить отечественные катамараны "Геолог-1" и "Геолог Приморья", техническая характеристика которых приведена ниже.
"Геолог-1" "Геолог Приморья"
Водоизмещение, т....................... 330 791
Длина, м....................................... 24 35,1
Ширина, м.................................... 14 18,2
Осадка без груза, м...................... 1,5 3,26
Высота надводного борта, м 1,7 4,47
Мощность дизель-генераторов,
главных.................................. 2x106,7 2x225
вспомогательных.................. 2x50 2x50
Скорость хода, узлы................... 8 9
Мореходность, баллы................. 6 8
Условия работы:
удаление от берега, км.......... До 3 До 360
минимальная глубина мо-
ря, м......................................... 2 5
волнение моря, баллы............ 3 4
Минимальная глубина моря, на которой возможно бурение с катамарана, определяется величиной его осадки, максимальная - длиной якорных тросов. Возможные глубины бурения скважин зависят от типа установленных на катамаранах буровых установок.
Катамаран "Геолог-1" (рис.13) построен специально для инженерно-геологических изысканий в прибрежных акваториях Черного моря.
На катамаране смонтированы: установка УГБ-50М с электроприводом для бурения скважин глубиной до 30 м по породам ударным, колонковым и шнековым способами; подводная пенетрационно-каротажная станция ПСПК-69 для исследования физико-механических свойств мягких грунтов и установления литологического строения морского дна; сейсмоакустическая станция "Грунт" для непрерывного профилирования с целью получения сведений о литологическом строении морского дна по всей зоне между опорными скважинами. В точке исследования "Геолог-1" закрепляется четырьмя якорями, а на глубинах моря до 7 м - дополнительно двумя закольными сваями длиной по 8 м.
Несамоходные плавучие буровые установки создают, используя в качестве основания, не предназначенные для бурения несамоходные суда (баржи, плашкоуты, шаланды), деревянные плоты или специально изготовленные для бурения металлические понтоны, катамараны и тримараны.
Из несамоходных судов чаще всего используют баржи. Из всего многообразия типов барж не все пригодны для производства буровых работ на море. Наиболее удобна сухогрузная баржа с открывающимися в днище люками, благодаря чему буровой станок можно установить в центре баржи. Перед производством работ баржу загружают балластом для придания ей большей остойчивости.
Иногда для бурения применяют две однотипные баржи, спаренные поперечными брусьями. Образуется катамаран с зазором между баржами, в котором размещается устье скважины. Спаривание барж позволяет применять тяжелые буровые установки и вести бурение в неблагоприятных гидродинамических условиях моря.
Буровые плоты наиболее доступны в изготовлении. Тяжелые плоты глубоко погружены в воду. Это повышает их остойчивость, но увеличивает осадку и не исключает захлестывание оборудования даже небольшой волной. Со временем плоты теряют свою плавучесть, и срок службы их сравнительно небольшой.
Буровые металлические понтоны по водоизмещению делят на легкие площадью 30-40 м 2 и тяжелые площадью 60-70 м 2 . Остойчивость понтонов невысокая, и используют их преимущественно на закрытых акваториях при волнении моря до 2 баллов.
В России при бурении на шельфе дальневосточных морей широкое применение получили катамараны типа "Амур" и тримараны типа "Приморец", представляющие собой суда маломерного флота с ограничением плавания по волновому состоянию моря до 5 баллов. Первые несамоходные. Вторые могут передвигаться самостоятельно со скоростью до 4 узлов в тихую погоду на небольшие расстояния в пределах разведываемой бухты. Однако их тоже относят к несамоходным, так как условия работы в подавляющем большинстве случаев вынуждают использовать для их буксировки вспомогательные суда. Указанные катамараны и тримараны разработаны СКВ АО "Дальморгеология" для бурения ударно-забивным и вращательным способами разведочных скважин конкретных параметров и имеют следующие технические характеристики:
Катамаран Тримаран
"Амур" "Приморец"
Длина, м...................................... 13,6 18,60
Ширина, м.................................. 9,0 11,80
Высота борта, м......................... 1,5 1,85
Осадка, м.................................... 0,8 0,95
Водоизмещение, т...................... 40 65
Число и масса (кг) якорей......... 4x150 4x250
Грузоподъемная сила буро-
вой вышки, кН............................ 200 300
Параметры скважины, м:
глубина по воде.................... 25 50
глубина по породам.............. 25 50
Максимальный диаметр по
колонне обсадных труб............. 0,146/0,166 0,219/0,243
Рис. 14- Плавучие буровые установки АО "Дальморгеология":
а - ПБУ "Амур": 1 - якорная лебедка, 2 - рубка, 3 - буровая лебедка, 4 - буровая вышка; б - ПБУ "Приморец": 1 - надстройка, 2 - буровая вышка, 3 - буровая лебедка, 4 - талевая лебедка, 5 - вибратор, 6 - вращатель
Тримаран "Приморец" - ПБУ с тремя корпусами серийных судов, соединенными плоским мостом из стального проката (рис.14, б ). Ходовой двигатель и винторулевое устройство размещены в среднем корпусе, смещенном в корму относительно боковых. Дизель-генератор и промывочный насос расположены в двух параллельных боковых корпусах тримарана. На палубе в кормовой части установки находится надстройка бытовых и служебных помещений, в носовой - размещено буровое оборудование, содержащее Л-образную буровую вышку, лебедку для ударно-забивного бурения, талевую оснастку и лебедку для подъема труб, вращатель и вибратор.
В палубе ПБУ "Амур" и "Приморец" имеются П-образные вырезы для отхода установки от скважины без извлечения обсадных труб на время шторма, плохой видимости или ремонта и последующего подхода к скважине для продолжения бурения. Непотопляемость и устойчивость этих установок сохраняются при затоплении любого одного отсека.
Катамаран "Амур" - ПБУ с двумя параллельными корпусами серийных краболовных ботов, соединенными в верхней части плоским мостом из стального проката, образующим общую палубу (рис.14, а ). Энергосиловое и вспомогательное оборудование установки расположено в корпусах катамарана, что увеличило рабочую площадку. На палубе установлены А-образная буровая вышка, лебедка для ударно-забивного бурения, вибратор, обсадные трубы, рабочий инструмент, рубка, четыре якорные лебедки.
Осн.: 2. [ 74-77 ], 3.
Доп.: 7.
Контрольные вопросы:
1. Для чего и на какие глубины предназначены БС?
2. Конструкция бурового судна.
3. Отличительная особенность в конструкции ППБУ от БС.
4. С помощью чего удерживаются БС?
5. Что можно отнести кпреимуществам БС?
Основное назначение систем стабилизации БС - предотвращение его горизонтальных смещений от устья скважины на величины выше допустимых во избежание поломки обсадных и бурильных труб. В то же время некоторые типы систем стабилизации при правильной технологии их использования обеспечивают также существенное уменьшение качки БС.
Влияние типа и параметров системы стабилизации судна на его качку и дрейф
Основное назначение систем стабилизации БС - предотвращение его горизонтальных смещений от устья скважины на величины выше допустимых во избежание
поломки обсадных и бурильных труб. В то же время некоторые типы систем стабилизации при правильной технологии их использования обеспечивают также
существенное уменьшение качки БС.
Стабилизация БС при помощи закольных свай полностью исключает его дрейф и уменьшает качку. Однако область эффективного использования закольных свай
ограничена глубинами воды до 8 м и волнением моря до 3 баллов.
Якорная система проявляет максимальную удерживающую способность при горизонтальном приложении к якорю усилия от троса. Установлено, что если угол
приложения нагрузки больше 12° от горизонтали, то удерживающая способность якоря значительно уменьшается. Если принять, что якорный трос вытянут в
прямую линию, то его длина для получения такого угла наклона должна быть в 4,8 раза больше глубины воды в месте бурения.
Однако никакими усилиями наклонно направленный трос невозможно вытянуть в прямую линию, под действием силы тяжести он всегда провисает, и это уменьшает
угол наклона его при подходе к якорю. Поэтому длину заброшенного в воду якорного троса рекомендуют принимать при безветренной погоде, отсутствии сильных
течений и колебаний уровня воды больше глубины акватории в 3-4 раза, а при работе в неблагоприятных погодных условиях - в 2-3 раза. Для увеличения
удерживающей силы и улучшения амортизационных свойств якорной системы рекомендуется к якорному тросу в нескольких метрах от якоря подвешивать специальный
груз или между якорем и тросом устанавливать тяжелую цепь длиной 2-3 м.
Сила внезапных нагрузок от ветра и волнения расходуется прежде всего на уменьшение провеса якорного троса. Одновременно с уменьшением провеса троса увеличивается сила его натяжения, которая создает момент, препятствующий наклону судна. Таким образом, длинный якорный трос демпфирует внезапные нагрузки и уменьшает бортовую, килевую и вертикальную качку судна.
Успокоители качки судов
Работа успокоителей качки судов основана на том, что они создают стабилизирующий момент только при возникновении отклоняющего момента, т.е. когда судно
уже получило угловое наклонение, отличающееся от его значения на тихой воде. Поэтому полностью исключить качку БС успокоители не могут. Тем не менее
успокоители качки частично компенсируют возмущающий момент при качке судна, вследствие чего уменьшаются ее амплитуда, скорость и ускорение. Это
благоприятно сказывается на работе судовых механизмов и самочувствии находящихся на судне людей.
По принципу управления работой успокоители качки делятся на пассивные и активные. Пассивные не имеют искусственного управления стабилизирующим моментом
и не требуют каких-либо специальных источников энергии. Активные успокоители осуществляют изменение стабилизирующего момента с помощью специальных
механизмов. В качестве успокоителей качки используют боковые и торцевые кили, управляемые боковые рули, пассивные и активные успокоительные гироскопы и
цистерны.
Боковые и торцевые кили представляют собой длинные пластины, устанавливаемые на корпусе БС ниже ватерлинии. Кили создают дополнительное сопротивление при бортовой и продольной качке и способствуют
значительному уменьшению амплитуды колебаний (на период качки боковые и торцевые кили не влияют). Применение боковых килей рациональной площади приводит к
уменьшению амплитуды бортовой качки быстро движущегося судна на 20 - 30 % (при больших размерах площади килей до 50 %). Конструктивно кили являются
простейшими пассивными успокоителями. Однако их использование приводит к некоторой потере скорости хода судна.
Управляемые бортовые рули представляют собой крылья малого удлинения, которые выступают с обоих бортов судна и снабжены механизмами, обеспечивающими их
поворот, выдвижение из корпуса и уборку внутрь него. Такие рули относятся к активным успокоителям качки. Боковые управляемые рули особенно эффективно
действуют при высокой скорости хода судна, снижая амплитуду бортовой качки в несколько раз. Благодаря этому повышается скорость судна на волнении, несмотря
на то что выдвинутые рули увеличивают сопротивление его движению на тихой воде.
Действие гироскопического успокоителя качки основано на том, что массивный гироскоп при быстром вращении противодействует изменению направления своей
оси вращения в пространстве. Гироскопические успокоители бывают пассивными и активными. Они одинаково эффективно умеряют качку на ходу судна и в дрейфе.
К недостаткам гироскопических успокоителей относятся значительная масса, неудобство расположения, большая стоимость, сложность устройства в
эксплуатации, расшатывание связей корпуса и опасность значительных его повреждений при аварии гироскопа. Как показала проектная проработка, выполненная
американскими специалистами применительно к судну типа AGOR-3 (водоизмещение -1400 т), масса гироскопического успокоителя должна быть около 70 т, для его
размещения потребуются площади объемом -145 м3, а потребляемая мощность составит 260 кВт, т.е. 35 % общей мощности ЭУ судна.
Успокоительные цистерны бывают пассивными и активными. Конструктивно эти успокоители представляют собой специальные сообщающиеся цистерны с
переливающейся в них водой, расположенные по бортам судна. Принцип действия такого успокоителя состоит в том, что при качке переливание воды из цистерны
одного борта в цистерну другого отстает от наклонения судна. Тем самым создается стабилизирующий момент, противодействующий наклонению судна.
Активные успокоительные цистерны обеспечивают почти полное успокоение бортовой качки судна при всех соотношениях между ее периодом и периодом волны
(т.е. при нерегулярном волнении). Они эффективно действуют на ходу и в дрейфе судна, но требуют сложного и дорогого оборудования (насос или воздуходувка,
приборы управления), дополнительных затрат мощности для его привода. Например, мощность двигателя насоса активных цистерн, установленных на
научно-исследовательском судне "Метеор" (ФРГ), равна 110 кВт.
Пассивные успокоительные цистерны малоэффективны в условиях нерегулярного волнения, и их эффективность зависит от нагрузки судна. В то же время
наибольшее распространение для уменьшения бортовой качки на научно-исследовательских судах получила система стабилизации типа Флюм, в основе которой лежит
принцип работы пассивных успокоительных цистерн. Главными элементами системы Флюм являются три цистерны: две бортовые и одна средняя, соединенные между
собой каналами и снабженные клапанами вентиляции. Примерно на половину своей высоты цистерны и каналы заполнены водой.
Принцип действия системы заключается в следующем: вода перетекает из средней цистерны в бортовую или наоборот таким образом, чтобы уровень воды в
средней цистерне при наклонении судна оставался постоянным. Перетекающая вода создает при этом восстанавливающий момент, который демпфирует бортовую качку.
Изменяя количество воды в цистернах, можно увеличивать или уменьшать метацентрическую высоту, что особенно важно для буровых судов. У БС значение
метацентрической высоты в процессе бурения может колебаться до 30 - 50 % в зависимости от расхода запасов топлива и, главным образом, от того, где
находится буровой снаряд - в скважине или на палубе судна.
Система Флюм отличается простотой и высокой эффективностью, низкими начальными и эксплуатационными затратами, относительно небольшими размерами и
массой (0,7 - 3 % от водоизмещения), возможностью использования топлива в качестве рабочей жидкости. В обычных условиях она, по данным компании "Матсон",
снижает амплитуду бортовой качки на 75 - 80 %, а при условиях, близких к резонансу, - до 90 %. При испытаниях системы на модели достигнуто уменьшение
амплитуды бортовой качки в 2-3 раза. Эффект от применения системы Флюм был настолько значительным, что установка бортовых килей существенно не влияла на уменьшение бортовой качки модели.
Влияние соотношения главных размерений судна на параметры его качки
Для уменьшения килевой и вертикальной качки целесообразно проектировать суда, длина которых была бы больше длины волны, при которой с них
предусматривают осуществлять бурение (при волнении 4 балла длина волны составляет 25 - 40 м, 5 баллов - 40 - 75 м). На точке бурения БС следует
устанавливать носом на волну. Однако в процессе бурения скважины направление ветровой волны может меняться по
141 нескольку раз. А так как изменять положение судна на скважине синхронно с изменением направления волны трудно, то судно может оказаться в положении
бортом на волну. При этом существенно усиливается дрейф и снижается остойчивость судна, т.е. у него увеличиваются углы крена от действия кренящих нагрузок.
Повышение остойчивости судна достигается снижением его центра тяжести. Однако при этом ухудшаются условия работы и обитания людей, так как бортовая
качка становится стремительнее, порывистее и тяжелее.
Для улучшения условий обитания на судне период его бортовой качки необходимо увеличивать. Как следует из выражения, сделать это можно уменьшением
метацентрической высоты судна или увеличением его ширины. Уменьшение ме-тацентрической высоты судов достигается заострением обводов в подводной части
корпуса и преимущественно повышением центра тяжести судна. Последнее улучшает условия обитания на судне, но делает его, как уже отмечалось, менее
остойчивым.
Повышается остойчивость судна и улучшаются условия обитания на нем при увеличении ширины БС. Исходя из режима работы судна (стоянка на точке бурения
составляет 85-90 % всего времени), ширину его корпуса можно увеличивать до любых необходимых размеров. Наряду с этим форма и ширина корпуса не должны
создавать больших сопротивлений движению судна по воде со скоростью 1 0- 1 4 узлов.
Следовательно, при различном влиянии изменения мета-центрической высоты судна на его остойчивость и условия обитания, а ширины на остойчивость и
скорость хода БС должно быть спроектировано таким образом, чтобы при достаточной остойчивости период качки был максимальным. В работе отмечается, что амплитуда бортовой качки плавучей буровой установки при бурении не должна быть более 5 - 7° с периодом в десятки секунд.
Обычно относительная метацентрическая высота (отношение метацентрической высоты к максимальной ширине корпуса) для грузовых и пассажирских судов при
полном водоизмещении составляет примерно 0,05; для научно-исследовательских судов (НИС) она достигает 0,082 . Период качки однокорпусного НИС шириной 1
2 м (среднее значение ширины специализированных судов для геологических и геофизических исследований шельфа по), вычисленный по формуле при
указанном значении относительной метацен-трической высоты, составляет всего 9,4-10,3 с, что явно недостаточно для нормальных условий обитания на судне
людей.
Изложенное свидетельствует, что мероприятия по уменьшению качки БС путем выбора его центра тяжести, формы обводов и размеров корпуса имеют ограниченное
значение и недостаточно эффективны в условиях волнения, постоянно изменяющегося по силе и направлению.
Методы уменьшения амплитуды и силы воздействующих на судно волн
Наиболее мобильными устройствами, защищающими БС от больших волн, являются волнорезы, или волноломы. Их действие основано на том, что по мере удаления
от поверхности в глубь моря сила волн затухает по закону hx = h / е5,5(х/X)0′8,
где h и hx - высота ветровой волны на поверхности моря и на глубине х от поверхности соответственно; X - длина волны.
Расчеты показывают, что 75 % энергии волны моря приходится на его поверхностный слой, глубина которого составляет 10 % от длины волны; на глубине моря,
равной половине длины волны, ветровое волнение практически отсутствует.
Обычно волнорезами служат обладающие положительной плавучестью цилиндрические емкости, которые шарнирно соединяют между собой или помещают в сетчатую
оболочку, располагают в несколько рядов вокруг судна или со стороны волнения и раскрепляют якорями.
Для эффективной работы волнорезов оси цилиндрических емкостей должны находиться ниже уровня воды, где энергия волны максимальная. Для этого расчетную
часть каждой емкости заполняют морской водой, а оставшуюся часть - сжатым воздухом. Эффективность волнореза повышается с увеличением диаметров его
цилиндрических емкостей. Экспериментально с помощью волнорезов специалисты буровых компаний Англии уменьшали амплитуду волны с 9 до 1,5 м.
