Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ПОЛУПОГРУЖНЫХ ПЛАВУЧИХ
БУРОВЫХ ПЛАТФОРМАМ 12
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МОРСКИХ БУРОВЫХ УСТАНОВКАХ 12
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ УДЕРЖАНИЯ 14
1.3. ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К
ПОЛУПОГРУЖНЫМ ПЛАВУЧИМ БУРОВЫМ УСТАНОВКАМ 18
1.4. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЯЕМОЙ СИСТЕМЫ
ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ППБУ 20
1.4.1. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЯКОРНОЙ СИСТЕМЫ
УДЕРЖАНИЯ ППБУ 20
1.4.2. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ 23
1.5. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ
РЕГУЛИРУЕМОГО БЕСКОНТАКТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 28
1.6. ВЫВОДЫ 33
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ППБУ 35
2.1. ЗАКОНЫ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ 36
2.2. СИСТЕМА ПРЯМОГО ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ППБУ 38
2.3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АСИНХРОННОГО
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ 45
2.4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ СВЯЗИ И БЛОКА
НАГРУЗКИ ППБУ 48
2.4.1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ППБУ
2.4.2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ БЛОКА НАГРУЗКИ 52
2.5. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
ППБУ В СРЕДЕ SIMULINK-MATLAB 61
2.6. ВЫВОДЫ 69
3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЯКОРНЫХ ЛЕБЁДОК
ППБУ НА БАЗЕ БЕСКОНТАКТНОГО ПРИВОДА 70
3.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫХ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ППБУ НА
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АВТОНОМНОЙ СЕТИ 72
3.2. ПРИМЕНЕНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО ТОРМОЖЕНИЯ В
СИСТЕМЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ППБУ 78
3.2.1. ОЦЕНКА МОЩНОСТИ РЕКУПЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В
АВТОНОМНУЮ СЕТЬ ППБУ В РЕЖИМЕ КОМБИНИРОВАННОГО
ТОРМОЖЕНИЯ 79
3.2.2. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЖИМА КОМБИНИРОВАННОГО ТОРМОЖЕНИЯ
В СИСТЕМЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ППБУ 85
3.5. ВЫВОДЫ 88
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА МАКЕТЕ ЧАСТОТНО-
РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА СИСТЕМЫ
ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ППБУ 89
4.1. МАКЕТ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ППБУ 90
СОСТАВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА 90
СОСТАВ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА 91
4.1.3. СОСТАВ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
ЛАБОРАТОНОГО МАКЕТА 94
4.2. РАБОТА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА СИСТЕМЫ
ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ППБУ НА БАЗЕ АСИНХРОННОГО ЧАСТОТНО-
РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 98
4.3. ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ЛАБОРАТОРНОМ
МАКЕТЕ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ППБУ 102
4.4. ОЦЕНКА АДЕКВАТНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ПОЛУЧЕННЫХ
ТЕОРЕТИЧЕСКИМ И ЛАБОРАТОРНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ
СПОСОБАМИ 104
4.5. ВЫВОДЫ 108
5. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЧАСТОТНО-
РЕГУЛИРУЕМЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
ППБУ С ПРИМЕНЕНИЕМ АЛГОРИТМА НЕЧЁТКОЙ ЛОГИКИ 109
5.1. СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ППБУ С
ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ НЕЧЁТКОЙ ЛОГИКИ 111
5.1.1. СТРУКТУРА ВЫРАБОТКИ СИГНАЛОВ УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ППБУ НА
ОСНОВЕ НЕЧЁТКОГО УПРАВЛЕНИЯ 113
5.2. ТАБЛИЦА ЛИНГВИСТИЧЕСКИХ ПРАВИЛ НЕЧЁТКОГО ВЫВОДА 116
5.3. ВЫВОДЫ 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 128
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 138
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 155
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 160
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 163
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 165
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 168
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 170
Введение к работе
В Мировом океане сосредоточены огромные запасы энергетических, минеральных и пищевых ресурсов. Моря и океаны всё в большей мере включаются в производственную деятельность человечества.
Применение различного рода плавучих объектов (ПО), удерживаемых якорными системами, в первую очередь связано с решением воднотранспортных проблем. В мировой практике судостроения происходит интенсивный рост размеров судов. Водоизмещение отдельных судов для перевозки рудных материалов достигает 150 тыс. т и более (осадка до 17 м), современные танкеры достигают водоизмещения до 500 тыс. т (длина - 400 м, ширина - 65 м, осадка - 26 - 30 м). Проектируются танкеры с водоизмещением до 1 млн. т и более [50] (длина до 440 - 480 м, ширина 75 - 80 м, осадка 35 - 40 м). Многие из современных, даже крупных мировых портов, не могут принимать крупнотоннажные суда вследствие малых глубин и малых плановых размеров акваторий. Значительное дноуглубление акваторий существующих портов, а также расширение портовых акваторий вдоль береговых линий далеко не всегда возможно. Развитие портов за счёт выдвижений их акваторий в море требует строительства дорогостоящих глубоководных морских гидротехнических сооружений.
Строительство стационарных портовых гидросооружений по экономическим, да и техническим, причинам целесообразно только до определённых глубин. Более экономичны при больших глубинах плавучие сооружения с якорными системами удержания. Получили распространение различные плавучие установки на якорях, в первую очередь причальные сооружения в виде плавучих причалов, устанавливаемых по типу пирсов, а также одноточечные плавучие рейдовые причалы. Рассматриваются проекты создания комплексов плавучих средств для обслуживания танкерного, рыбопромыслового и других флотов. Экономическое обоснование [17, 31, 44]
показало предпочтительность применения плавучих сооружений по отношению к стационарным.
Применение ПО широко связано с проблемами освоения материковых шельфов и богатств вод Мирового океана, в котором имеются неисчерпаемые запасы энергии, сырья и белковых веществ. Водная оболочка занимает основную часть (70,8 %) поверхности Земли, осваиваются материковые шельфы, производится добыча разнообразных полезных ископаемых. К шельфам относятся прибрежные части дна морей и океанов с незначительными уклонами дна и глубинами до 200 м, далее за морской границей материковых шельфов располагается материковый склон, который опускается до глубин в среднем 2400 м, ещё далее располагается ложе океана.
Площадь шельфов составляет около 19 % от площади поверхности всей суши, или 7,6 % от площади поверхности Мирового океана, а их ширина может быть различной (от нескольких километров до 1200 км, в среднем 50 - 80 км). К территории России прилегает значительная часть площади мирового шельфа. В наших северных морях ширина шельфов измеряется сотнями километров. Отдельные моря полностью расположены в зоне материковых шельфов (Балтийское, некоторые из наших северных морей (рис.ві)), а у берегов Камчатки ширина шельфа измеряется десятками километров. Значительные запасы минерального и белкового сырья сосредоточены также на банках морей и океанов.
В 1974 г. 16,0 % мировой добычи нефти и 10 % природного газа обеспечивалось морскими разработками. По зарубежным данным добыча нефти на морских акваториях в 1980 г. составила 22,9 % и к 2020 г. вырастет до 65 % от всей добываемой в мире [17]. В настоящее время в морях Северного Ледовитого океана разведано 62,5 трлн. кубометров газа, 9 млрд. тонн нефти и на берегу - 3,5 млрд. тонн, что составляет 25% мировых запасов
Условные обозначения
иэоевть*. м
..." грвнмца so**» спорных
эвеноажинеских иитврасов
Месторождений
Рис.ві. Северная шельфовая зона России
углеводородов. Только с Приразломного нефтяного месторождения в Печорском море, разработка проекта освоения которого ведется АО "Росшельф" и РАО "Газпром", планируется вывозить ежегодно до 7 млн. тонн нефти. Велики запасы природного газа на Штокмановском газоконденсатном месторождении в Баренцевом море и на месторождениях в Карском море. Также перспективны районы моря Лаптевых и Охотского моря [113].
Самыми перспективными районами для освоения остаются: шельф о.Сахалин (рис.в2) - по предварительным данным запасы нефти составляют 20 млн.т, газа 690 млрд.куб.м и шельф Баренцева моря - запасы нефти - 70 млн.т, газа - 2013 млрд.куб.м (рис.вЗ).
^----------- т—-^- ---------^-----
: ": ".-::' ?" v
Рис.в2. Прогнозируемые данные о запасах углеводородного сырья на
шельфе о.Сахалин
соглашениях о разделе продукции» (от 07.01.1999г. №19-ФЗ; 18.01.2001г.№75-ФЗ и 06.06.2003г. №65-ФЗ), законом «О нефти и газе», законом «О континентальном шельфе РФ», а также целевой федеральной программой по созданию российской нормативно-методической базы по освоению углеводородных месторождений континентального шельфа (постановление
Правительства РФ №1469 от 07.12.1996г.), будут осваиваться шельфы Баренцева моря и о.Сахалин [45, 112].
.,...:.-,: «**-»
Рис.вЗ. Прогнозируемые данные о запасах углеводородного сырья на
шельфе Баренцева моря
Для работ на шельфах и банках с целью разведки и добычи нефти и газа применяют как стационарные сооружения (в том числе погружные и самоподъёмные платформы, которые при эксплуатации опираются на морское дно), так и плавучие полупогружые платформы (установки) и буровые суда. Стационарные сооружения применяют при глубинах до 90 - 100 м, что обусловлено техническими возможностями возведения и работы конструкций в условиях больших глубин при значительных нагрузках от волн и ветра. Полупогружные морские плавучие установки широко применяются при глубинах до 200 - 300 м [78], при дооборудовании считается возможным их использование на глубинах до 500 - 600 м. Буровые суда с динамической системой стабилизации используются при больших глубинах. Сейчас наибольшее применение для работ на шельфах и банках получили полу погружные установки с якорными системами позиционирования.
Для добычи россыпных полезных ископаемых со дна шельфов и банок используют различные плавучие установки с якорными системами позиционирования: одно- и многоковшовые драги, землесосы, эжекторные и эрлифтные установки. Сейчас различные страны ведут промышленные и пробные разработки (глубины от 10 до 200 - 300 м): железных руд (Канада, Новая Гвинея, Папуа, Филиппины, Япония); каменного угля (Англия, Канада, Япония, Чили); марганца (Канада, США); олова (Англия, Индонезия, Малайзия, Таиланд); фосфатов (Австралия, Индия, Мексика, США, Южно-Африканская республика); титана (Австралия, Германия, США, Филиппины); циркония (Австралия); серы (США); золота (у побережий Аляски, Тасмании, Филиппин, Южной Африки); алмазов (у южных и юго-западных берегов Африки) и других ископаемых. В дальнейшем большое значение будет иметь добыча железо-марганцевых конкреций, которые содержат в основном железо и марганец, а/ кроме того включают медь, никель, кобальт, алюминий, свинец, магний, цинк и др. У нас железо-марганцевые месторождения обнаружены на Чёрном, Азовском, Балтийском, Баренцевом и других морях. Поиск и опытная добыча олова и титана осуществляются на Балтийском, Чёрном, Японском морях и в море Лаптевых.
Промышленное значение имеет добыча из морской воды более 10 химических элементов. Потребности в броме в большинстве стран практически полностью удовлетворяются добычей из морей, потребности в магнии удовлетворяются за счёт добычи из морских вод, например, в США более чем на 50 %, а в Англии на 80 %. Из вод морей и океанов добывают огромное количество поваренной соли, с помощью которых удовлетворяется 30 % мировых потребностей, а также значительные количества натрия, калия и других элементов. В водах Мирового океана находятся огромные количества ядерного топлива, только запасов урана около 3 млрд. т. Энергии такого количества урана хватило бы на тысячи лет. Для добычи ископаемых из вод
морей и океанов применяют плавучие промышленные установки разнообразных конструкций и назначений.
Различные плавучие установки применяют также для добычи из морей и океанов пищевых ресурсов для человечества. В водах Мирового океана развиваются многие тысячи видов животного и растительного миров (животные, рыбы, моллюски, планктоны, водоросли и др.). Из океанов и морей обеспечивается добыча значительного количества биомассы для пищевой, парфюмерной и фармацевтической промышленности.
В целом же в морском деле плавучие объекты на якорях имеют самое разнообразное назначение и получили широкое распространение, а для их судоремонта используют плавучие доки. Они позволяют доковать различные плавучие средства и, в том числе, наиболее крупные из современных судов. Якорные системы доков должны быть надёжными, так как этим обеспечивается сохранность как самих дорогостоящих доков, так и докуемых судов. Широко применяют плавучие станции для гидрометеорологических, океанологических, биологических и других исследований. Такие объекты устанавливают на якорях при глубинах от десятков метров до нескольких километров.
