Trên thực tế, giàn khoan ngoài khơi đã được thiết kế dựa trên nhiều yếu tố như: Sự phát triển khoa học công nghệ, kinh tế [13], sự cần thiết phải khai thác sâu hơn, các bể thử tự nhiên [14], [15], các hạn chế về môi trường [16]. Sự phát triển công nghệ với tốc độ cao và triển khai các hoạt động nghiên cứu mạnh mẽ hơn [17], [18], [19] được coi là các công trình nghiên cứu quan trọng cho các vấn đề nói trên, nhưng vốn đầu tư tốn kém và bắt buộc phải thay đổi hệ thống thiết kế. Gần đây, các vấn đề về kỹ thuật ngoài khơi đã thu hút sự chú ý đáng kể từ các nhà nghiên cứu trong cả lĩnh vực học thuật và công nghiệp nhằm mang lại lợi ích cho các công ty cung cấp dịch vụ và công ty cung cấp công nghệ [20], [21]. Cuối cùng, các hệ thống mới được thiết kế phải đảm bảo an toàn cho con người, môi trường biển và ven biển, và duy trì sự đầu tư rất đáng kể về thời gian và nguồn lực liên quan.
Các nhà nghiên cứu gần đây đã khảo sát về các giàn khoan ngoài khơi đã tập trung vào các vấn đề chung như sau:
- Hiệu quả, đặc điểm, phân loại và các khái niệm cấu trúc khác nhau (chẳng hạn như giàn cố định, và giàn nổi [23]);
- Hệ động lực, ứng dụng, và các công nghệ tương lai [23], [24];
- Các khía cạnh thực tế, tiêu chuẩn hóa và quy định [25];
- Hệ thống hỗ trợ trạm phát điện ngoài khơi, truyền tải, phân phối, tiêu thụ, tích trữ năng lượng, thăm dò ngoài khơi và môi trường [26]
- Động lực thân nổi trong ứng dụng của các công trình ngoài khơi [27], [28], những tiến bộ và xu hướng phát triển [23], [29], [30].
Ngoài ra, những nghiên cứu khác về các chủ đề cụ thể như phân tích phi tuyến tính cấu trúc giàn khoan [27], Hệ thống nâng hạ [31], Đánh giá dữ liệu và kỹ thuật [25], Định vị động (Dynamic positioning - DP) [32], Chân giàn [33], Hệ thống phản lực của đế chống lún [34], Bệ Spar nổi [16], Kiểm soát độ rung [36], Mô hình hóa và điều khiển [51], Hệ thống di chuyển và tải trọng, và các yếu tố ảnh hưởng đến vị trí chính xác của giàn khoan [32], [37].
188 trang |
Chia sẻ: Tuệ An 21 | Ngày: 08/11/2024 | Lượt xem: 55 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Phân tích, đánh giá và đề xuất giải pháp tối ưu cân bằng giàn khoan tự nâng, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRẦN TIẾN ĐẠT
PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
TỐI ƯU CÂN BẰNG GIÀN KHOAN TỰ NÂNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2024
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRẦN TIẾN ĐẠT
PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
TỐI ƯU CÂN BẰNG GIÀN KHOAN TỰ NÂNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116
NGƯỜI HƯỚNG DẪN: NGƯT. TS. LÊ VĂN VANG
PGS. TS. ĐẶNG XUÂN KIÊN
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2024
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài: “Phân tích, đánh giá và đề xuất giải
pháp tối ưu cân bằng giàn khoan tự nâng” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi
dưới sự hướng dẫn khoa học của NGƯT. TS. Lê Văn Vang và PGS. TS. Đặng Xuân
Kiên. Các kết luận và kết quả trình bày trong luận án mang tính trung thực, không thực
hiện sao chép dưới bất kỳ hình thức nào và từ bất kỳ nguồn tài liệu nào. Nội dung tham
khảo từ các tài liệu đều đã được trích dẫn, và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo
quy định.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 2 năm 2024
Nghiên cứu sinh
Trần Tiến Đạt
ii
LỜI CÁM ƠN
Sau thời gian tiến hành triển khai nghiên cứu và hoàn thành Luận án, Nghiên cứu
sinh xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới các thầy – NGƯT. TS. Lê Văn
Vang, PGS.TS Đặng Xuân Kiên đã dành nhiều tâm sức, thời gian để hướng dẫn và đóng
góp những ý kiến quý giá trong suốt quá trình nghiên cứu.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Giao
thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí đã tạo
điều kiện thuận lợi để Nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu.
Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy/cô trong hội đồng,
các nhà khoa học, các đồng nghiệp đã có các góp ý quý báu cho Nghiên cứu sinh trong
quá trình thực hiện Luận án này.
Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn tới Bố mẹ và gia đình, đã luôn động viên,
chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ Nghiên cứu sinh vượt qua khó khăn để hoàn thành Luận án.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình nghiên cứu, nhưng nghiên cứu
sinh nhận thấy mình vẫn còn thiếu kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn, nên luận án
không thể tránh khỏi thiếu sót và hạn chế.
Nghiên cứu sinh rất mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu từ các nhà khoa
học để hoàn thành luận án tốt nhất.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 2 năm 2024
Nghiên cứu sinh
Trần Tiến Đạt
iii
TÓM TẮT
Hiện nay, hầu hết các ngành công nghiệp như sản xuất khai thác dầu khí, sản xuất
nhựa đường, hóa dầu, các ngành thép, thủy điện, nhiệt điện, việc điều khiển tự động và
tối ưu hoá toàn bộ hệ thống là hết sức cần thiết. Đặc biệt với sự phát triển của lý thuyết
và công nghệ thông minh giúp con người linh hoạt hơn trong vận hành khai thác các nhà
máy, hệ thống tự động, qua đó tăng khả năng làm việc độc lập của các công trình ngoài
khơi. Trong bối cảnh đó, ngành công nghiệp ngoài khơi, hiện nay đang đóng vai trò
quan trọng trong kinh tế quốc gia cũng như các nước khác, và từng bước phát triển nhằm
tránh phụ thuộc công nghệ nước ngoài. Các nghiên cứu trong nước gần đây, với thành
tựu được ra đời từ cụm công trình khoa học và công nghệ cấp Nhà nước "Nghiên cứu
thiết kế chi tiết và ứng dụng công nghệ để chế tạo, lắp ráp và hạ thủy giàn khoan tự nâng
ở độ sâu 90m nước phù hợp với điều kiện Việt Nam", theo đánh giá của Hội đồng chuyên
ngành cấp nhà nước, là công trình có giá trị rất cao về công nghệ, được ứng dụng thành
công và có hiệu quả trong các công trình trọng điểm quốc gia. Các đề tài này tập trung
công nghệ để chế tạo, lắp ráp và hạ thủy giàn khoan tự nâng ở độ sâu 90m, các công
nghệ về điều khiển hoàn toàn sử dụng nước ngoài.
Thực tế khi khảo sát các thế hệ giàn khoan tự nâng (Jack-up Rig – JuR), các công
trình nghiên cứu trong và ngoài nước, phân tích tình hình ứng dụng công nghệ và học
thuật liên quan, cho thấy các nghiên cứu về hệ thống tự động phục vụ giàn khoan đang
được phát triển theo xu thế sử dụng trí tuệ nhân tạo trong tối ưu hóa nhằm đảm bảo an
toàn, tiết kiệm năng lượng, nâng cao độ chính xác và ổn định bền vững cho hệ thống.
Từ đó, luận án đặt vấn đề nghiên cứu “Phân tích, đánh giá và đề xuất giải pháp tối ưu
cân bằng giàn khoan tự nâng” nhằm giải quyết các luận điểm có nội dung như sau: a)
Phân tích, tổng hợp cấu tạo, chức năng của các hệ thống điện – cơ trên JuR, đi sâu phân
tích chuyển động và mô hình toán học của hệ thống nâng hạ (Jacking system - JS), và
nhận dạng các yếu tố gây sai số và ảnh hưởng đến quá trình nâng hạ giàn trong quá trình
điều khiển, đặc biệt xem xét tới ảnh hưởng của tác động nhiễu môi trường, sai số cơ khí,
sai số thủy động học cùng với các ảnh hưởng không mong muốn khác; b) Bằng cách
phân tích toán học các yếu tố ảnh hưởng không mong muốn trong quá trình nâng hạ,
Luận án đề xuất các giải pháp tăng chất lượng, tính ổn định, sự an toàn, tiết kiệm năng
lượng cho hệ thống bằng khảo sát với phương pháp điều khiển vi tích phân tỉ lệ
iv
(Proportional integral derivative - PID) và mờ PID (Fuzzy PID); c) Dựa trên lô-gic mờ
(Fuzzy logic), bộ điều khiển mờ tối ưu bầy đàn (Fuzzy Particle swarm optimization -
FPSO) đề xuất giải pháp điều khiển có cấu trúc linh hoạt và các giá trị tham số của hàm
mờ được tối ưu hóa để không những thích nghi được sai số, tối ưu hóa cấu trúc điều
khiển mà còn đảm bảo tính ổn định bền vững cho hệ thống nâng hạ trong các chế độ
làm việc. Mục tiêu tối ưu năng lượng được cải tiến trên nền bộ FPSO bằng cách phát
triển thêm hàm mục tiêu mới cho quá trình tối ưu hóa cũng được trình bày trong nội
dung này. d) Cuối cùng, luận án đề xuất giải thuật mờ tự thích nghi dựa trên thuật toán
tối ưu bầy đàn PSO (PSO-SAFC). Kết quả là, SAFC thông qua tiêu chuẩn ổn định
Lyapunov luôn duy trì sự ổn định trong các điều kiện giả định, và do đó, điều khiển mờ
tự thích nghi PSO-SAFC được coi là đáp ứng tốt nhất với sai số và nhiễu không xác
định trong quá trình hệ thống làm việc.
Để thực hiện các mục tiêu trên, đầu tiên luận án tiến hành phân tích tổng quan
các giải pháp xử lý sai số cơ khí, động học, ảnh hưởng của môi trường và các kỹ thuật
hiện đại trong quá trình nâng hạ giàn khoan. Từ đó, xác định được các khó khăn trong
nghiên cứu đối tượng này chủ yếu gây bởi các yếu tố tác động không mong muốn đến
giàn, cơ bản bao gồm: sóng, gió, dòng chảy, các sai số mô hình và sai lệch tham số là
các nguyên nhân chính gây ra sự mất ổn định cho JS. Hơn nữa, bên cạnh việc giải quyết
trực tiếp các yếu tố nêu trên, luận án xác định phương án xử lý mềm cho phép hệ thống
thích nghi với mọi sự ảnh hưởng không mong muốn trong quá trình hoạt động, và logic
mờ được lựa chọn như một giải pháp tốt trong hướng nghiên cứu của luận án. Bằng cách
thử nghiệm giải thuật PID và PID mờ, bước đầu luận án khảo sát hệ thống với kết quả
mô phỏng cho thấy đáp ứng được nhưng chưa đạt chất lượng cao, đặc biệt khả năng
thích nghi còn thấp. Tiếp theo, thông qua phân tích mô hình hóa chuyển động của hệ
nâng hạ, luận án xây dựng bài toán tối ưu hóa cấu trúc điều khiển mờ cho JS với giải
thuật tối ưu bầy đàn (PSO), và mở rộng khảo sát trong các điều kiện làm việc, thu thập
các kết quả bằng mô phỏng đã cho thấy sự khả thi. Cũng trong hướng nghiên cứu này,
luận án đề xuất một hàm mục tiêu nhằm tiết kiệm năng lượng trong mô hình mờ dựa
trên tối ưu bầy đàn (FPSO) nâng cao, các kết quả mô phỏng cho thấy tính khả quan và
là tiền đề để phát triển giải thuật trọng tâm của luận án ở phần tiếp theo. Cuối cùng,
nhằm giúp hệ thống gia tăng sự ổn định và tự thích nghi trong quá trình điều khiển, luận
án đề xuất và phát triển giải pháp toàn diện hơn với mô hình mờ tự thích nghi dựa trên
v
thuật toán tối ưu bầy đàn. Trong đó, về mặt lý thuyết, bộ điều khiển đề xuất với các ràng
buộc được chứng minh ổn định tiệm cận với tiêu chuẩn Lyapunov. Sau khi thiết lập giải
thuật, kiểm nghiệm bằng mô phỏng Matlab, kết quả cho thấy đáp ứng của hệ thống đảm
bảo tính ổn định, chất lượng tốt trong hầu hết các trường hợp với các điều kiện thời tiết
khác nhau.
Liên quan đến thử nghiệm nhằm kiểm chứng lý thuyết và hướng tới áp dụng giải
thuật đề xuất vào thực tế, luận án tiến hành xây dựng mô hình vật lý (theo mô hình thuộc
đề tài cấp Bộ giao thông vận tải, một dạng giàn khoan tự nâng với hệ thống truyền động
3 chân). Trung tâm điều khiển được lập trình nhúng trên Matlab thông qua vi xử lý
STM32F746NG. Bộ xử lý trung tâm nhận giá trị vị trí và hướng di chuyển của thân giàn
khoan, đọc vị trí và hướng thực tế, căn cứ đưa ra lệnh điều khiển hệ thống điện –cơ đưa
thân giàn đến điểm đặt. Kết quả thử nghiệm bước đầu thành công với giải thuật mờ PID
và FPSO. Cuối cùng, tốc độ xử lý của STM32F746NG chính là một nhược điểm khi hệ
thống chạy cùng lúc nhiều giải thuật tốn thời gian xử lý như PSO và Fuzzy, giải thuật
nhúng để khảo sát trên các vi xử lý tốc độ cao hơn để đánh giá và đây cũng là một trong
các hướng phát triển của Luận án.
Từ khóa – Giàn khoan tự nâng, sai số cơ khí, tiết kiệm năng lượng, tối ưu bầy
đàn, logic mờ, kỹ thuật điều khiển, cơ khí chính xác, khuếch đại động học.
vi
ABSTRACT
Currently, the automatic control and optimization of the comprehensive system
are essential in the majority of sectors, including oil and gas production and exploitation,
asphalt manufacture, petrochemicals, steel industries, hydroelectricity, and thermal
power. The ability to operate independently of off-shore work has increased, especially
with the development of intelligence theory and technology, which has helped
individuals be more flexible in running and utilizing factories and automation systems.
In that light, the offshore sector, which is extremely important to the national economy
as well as the economies of other nations, is progressively growing to reduce reliance
on overseas technology. According to the assessment of the Specialized Council, recent
domestic studies with scientific and technological achievements born from the state-
level Science and Technology project cluster "Researching detailed design and
manufacture, assembly and launch technology of jackup rig under 90m water in
accordance with the conditions of Vietnam" have very high value in terms of science
and technology successfully and effectively applied in national key projects.
It is possible to view the studies on the automated process supporting the rig by
investigating various jack-up rig generations, local and international research projects,
analyzing the application of associated technologies, and academics. Drilling is being
developed following the current trend of applying artificial intelligence in optimization
to guarantee safety, save energy, increase accuracy, and guarantee system stability. The
thesis then states the research question, "Analyzing, assessing and proposing optimized
solutions for balancing the jack-up rig" to address the issues listed below: a) Analyze
and synthesize the motion and mathematical model of the JS, as well as the structure
and operation of the electromechanical systems on the jack-up rig, and pinpoint the
errors-causing variables that influence the lifting and lowering process during the
control process, particularly taking into account the influence of environmental
disturbance, mechanical error, and hydrodynamic error, as with other undesirable
effects; b) By mathematical analysis of undesirable affecting factors in the lifting and
lowering process, the thesis creates recommendations for improving quality, stability,
safety, and energy savings for the system through a fuzzy PID and PID control
techniques to survey; c) The fuzzy controller PSO (FPSO), which is based on fuzzy
vii
logic, offers a control solution with a flexible structure and optimized parameter values
of the fuzzy function to not only adapt to errors, optimize the control structure, but also
ensure sustainable stability for the lifting system in operating modes. This material also
includes an enhanced energy optimization objective based on the FPSO suite that was
created by developing a new objective function for the optimization process.
The thesis examines methods for handling mechanical faults, kinematics,
environmental factors, and recent approaches in lifting and lowering the rig to achieve
the aforementioned goals. Then, it was determined that the challenges in studying this
item were mostly brought on by elements that had negative impacts on the rig, including
waves, wind, currents, and model flaws. The primary reasons for the lifting system's
instability are parameter variation, and in addition to explicitly addressing the concerns,
the thesis determines fuzzy logic as a soft handling option that enables the system to
adjust to any undesired effects during operation and chosen as a feasible prospect in the
thesis's study direction. The system was evaluated by using the fuzzy PID and PID
algorithms, and simulation results indicated that the system was receptive but not of high
quality, particularly the adaptability remained inadequate. The thesis then implements
the issue of optimizing the fuzzy control structure for the JS with the particle swarm
optimization algorithm (PSO), expanding the study in operational conditions, and
gathering results by simulation has demonstrated its effectiveness. In keeping with this
line of research, the thesis suggests an objective function for energy conservation in the
advanced FPSO model. The satisfactory simulation findings serve as a basis for the
development of the FPSO's fundamental algorithm in the next section. The thesis
proposes and develops a more complete solution using a self-adaptive fuzzy model
based on the swarm optimization algorithm to support the system in increasing stability
and self-adaptation in the control process. Theoretically, the proposed controller with
established constraints is stable in regards to the Lyapunov criteria as an asymptotic
outcome. The results of algorithm testing on a Matlab simulation demonstrate that the
system's reaction generally guarantees stability and excellent quality under a variety of
weather situations.
The thesis goes on to develop a physical model (based on the experiment model
under the Ministry of Transport's project, a kind of jack-up rig) concerning the
viii
experiment to test the theory and the application of the proposed algorithm in practice
by selecting STM32F746NG microprocessor-based embedded control system for
Matlab. The central processor receives the rig body's position value and movement
direction, reads the actual position and direction, and then sends orders to command the
electromechanical system to move the rig body to the designated location. The fuzzy
PID and FPSO algorithms showed promising preferably results. Last but not least, the
STM32F746NG's processing speed is a weakness when the system employs several
time-consuming algorithms like PSO and Fuzzy, which must be integrated to conduct a
study on other faster processors for evaluation, and this is also one of the thesis's
development directions.
Keywords – Jack-up Rig, mechanical error, energy saving, particle swarm
optimization, fuzzy logic, control engineering, precision mechanics, dynamic
amplification factor.
ix
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i
LỜI CÁM ƠN................................................................................................................. ii
TÓM TẮT...................................................................................................................... iii
ABSTRACT ...................................................................................................................vi
MỤC LỤC ......................................................................................................................ix
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. xiii
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................xvi
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .......................................................... xvii
DANH MỤC CÁC HÀM VÀ BIẾN SỐ................................................................... xviii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài...........................................................................................1
2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ....................................2
2.1. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................3
2.2. Đối tượng nghiên cứu ...........................................................................................3
2.3. Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................3
2.4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................4
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................4
4. Đóng góp mới của luận án...................................................,...................................5
5. Bố cục luận án .........................................................................................................5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIÀN KHOAN TỰ NÂNG ......................................6
1.1. Tổng quan về giàn khoan .....................................................................................6
1.2. Các hệ thống thường dùng trong nâng hạ giàn khoan........................................13
1.2.1. Mô tả hoạt động của giàn ............................................................................13
1.2.2. Hệ thống nâng hạ giàn khoan sử dụng cơ khí .............................................17
1.2.3. Hệ thống nâng hạ giàn khoan sử dụng thủy lực ..........................................20
1.3. Mô tả toán học tổng quát cho hệ thống nâng hạ giàn khoan ..............................20
1.3.1. Kết cấu thân giàn .........................................................................................20
1.3.2. Kết cấu chân và đế chống lún......................................................................22
1.3.3. Kết cấu Công xôn ........................................................................................25
1.3.4. Hệ phương trình toán học tổng quát chuyển động theo 3 trục của hệ thống
nâng hạ...................................................................................................................26
x
1.4. Mô hình toán chuyển động nâng - hạ rút gọn của JuR ....................................... 30
1.5. Đặc điểm của hệ thống nâng hạ trong quá trình làm việc .................................. 33
1.6. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 34
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH NÂNG HẠ
....................................................................................................................................... 35
2.1. Tải tác động lên giàn khoan................................................................................ 35
2.1.1. Tải cố định ................................................................................................... 35
2.1.2. Tải động ....................................................................................................... 36
2.1.3. Tải lắp