Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Phân tích, đánh giá và đề xuất giải pháp tối ưu cân bằng giàn khoan tự nâng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực "Phân tích, đánh giá và đề xuất giải pháp tối ưu cân bằng giàn khoan tự nâng" được nghiên cứu với mục tiêu: Đánh giá các yếu tố gây ra sai số ảnh hưởng đến quá trình nâng hạ giàn; Xây dựng các giải thuật điều khiển cho hệ thống nâng hạ giàn dùng phần mềm MATLAB, lập trình điều khiển và thử nghiệm trên mô hình mô phỏng; Tính toán lựa chọn cấu hình, thiết kế hệ thống điều khiển nhằm duy trì ổn định cân bằng vị trí chính xác cho mô hình JuR.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Phân tích, đánh giá và đề xuất giải pháp tối ưu cân bằng giàn khoan tự nâng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH TRẦN TIẾN ĐẠT PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TỐI ƯU CÂN BẰNG GIÀN KHOAN TỰ NÂNG TÓM TẮT 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 TP. HỒ CHÍ MINH TRẦN TIẾN ĐẠT PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TỐI ƯU CÂN BẰNG GIÀN KHOAN TỰ NÂNG TÓM TẮT 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
1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hiện nay ở nước ta trong hầu hết các ngành công nghiệp như sản xuất khai thác dầu khí, sản xuất đường, chế biến, công nghệ thực phẩm, thép, thủy điện, nhiệt điện đang rất cần phát triển công nghệ tự động và tối ưu hoá toàn bộ hệ thống. Đặc biệt với sự phát triển của lý thuyết và công nghệ đã giúp con người linh hoạt hơn trong vận hành khai thác các nhà máy, hệ thống điều khiển, trên bờ cũng như ngoài khơi, qua đó giúp tăng khả năng tự động và làm việc độc lập của công trình ngoài khơi. Các giàn khoan tự nâng (Jack-up Rig – JuR) được sử dụng để thăm dò, khoan và khai thác tại các mỏ dầu khí ngoài khơi. Trên thực tế, sự kết hợp giữa tính cơ động và khả năng nâng thân giàn lên trên mực nước biển phục vụ như một giàn cố định, đã khiến JuR trở nên hấp dẫn trong ngành công nghiệp ngoài khơi hơn 50 năm qua [1]*(*. Tài liệu tham khảo được sử dụng lại theo Luận án, không thay đổi về thứ tự trích dẫn). Trong quá trình di chuyển và khai thác trên biển, các giàn khoan chịu tác động từ các yếu tố môi trường như sóng, gió, dòng chảy [3] và các sai số cơ khí [5]. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp và rất phức tạp tới hoạt động của giàn khoan như: làm dịch chuyển vị trí gây mất ổn định, rung lắc nguy hiểm đến người, trang thiết bị trên giàn, làm hư hỏng, phá hủy công trình, gây ra thiệt hại về kinh tế và môi trường biển. Trên thế giới đã ứng dụng các hệ thống điều khiển giám sát một cách hiệu quả cao cho nhiều loại thiết bị khác nhau, đặc biệt là trong các công trình ngoài khơi [6]. Tuy nhiên, hệ thống giám sát quá trình nâng hạ giàn vẫn đang dừng giải pháp cân bằng bán tự động mà chưa có sự hỗ trợ từ các giải pháp điều khiển cho việc cân bằng và ổn định giàn. Trong nghiên cứu lý thuyết, có nhiều công bố chủ yếu thử nghiệm trên các mô hình, các giải thuật điều khiển được giả lập trong điều kiện làm việc lý tưởng hoặc một vài tác động nhỏ từ bên ngoài nhưng chưa mang lại hiệu quả tốt. Việt Nam đã có thể chế tạo được JuR, nhưng hệ thống điều khiển giám sát thì vẫn chủ yếu phụ thuộc nước ngoài. Vì vậy, việc cân bằng JuR sử dụng ứng dụng tự động hóa và giải thuật điều khiển đang được quan tâm. Các nhà nghiên cứu xây dựng, mô phỏng trên Matlab cho các trường hợp hoạt động của hệ thống nâng hạ (Jacking system -JS) dưới các ảnh hưởng tác nhân môi trường như sóng biển [10] và sai số cơ khí, kết quả hiện đang dừng ở những giải thuật cơ bản, chưa có phương án đưa vào ứng dụng trong thực tế. Xuất phát từ những điểm nêu trên, việc nghiên cứu hệ thống điều khiển nâng hạ giàn khoan duy trì ổn định cân bằng cho mô hình JuR rất cần thiết, luận án đề xuất hướng nghiên cứu bù sai số với giải thuật mờ tối ưu bầy đàn và tự thích nghi trên nền lô-gíc mờ. 2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
2 Mục tiêu của luận án là xây dựng hệ thống điều khiển nâng hạ JuR nhằm duy trì ổn định cân bằng trong điều khiển nâng hạ giàn, cụ thể: - Đánh giá các yếu tố gây ra sai số ảnh hưởng đến quá trình nâng hạ giàn; - Phân tích, thiết lập cấu trúc và phương trình động lực học của giàn khoan, xây dựng mô hình vật lý; - Thiết kế mô hình trên máy tính và kiểm nghiệm bằng mô phỏng; - Xây dựng các giải thuật điều khiển cho hệ thống nâng hạ giàn dùng phần mềm MATLAB, lập trình điều khiển và thử nghiệm trên mô hình mô phỏng; - Tính toán lựa chọn cấu hình, thiết kế hệ thống điều khiển nhằm duy trì ổn định cân bằng vị trí chính xác cho mô hình JuR. 2.2. Đối tượng nghiên cứu Từ các mục tiêu của luận án nêu tại phần 2.1, luận án tập trung vào đối tượng nghiên cứu là Hệ thống nâng hạ giàn khoan và lý thuyết điều khiển thích nghi. Trong đó, thiết kế hệ thống điều khiển với giải thuật tối ưu và thích nghi trên nền lô-gíc mờ nhằm duy trì ổn định cân bằng cho hệ thống nâng hạ JuR là nhiệm vụ gắn liền với đối tượng nghiên cứu, cụ thể như sau: - Mô hình động học cùng với các phương trình toán học được phân tích, tính toán, lựa chọn thông số nhằm phục vụ cho quá trình nghiên cứu, mô phỏng và thử nghiệm giải thuật. - Hệ thống cơ khí: tính toán thiết kế, mô phỏng, và xây dựng mô hình vật lý (bao gồm phần cơ khí – điện – điều khiển) của JuR. - Hệ thống nhúng phục vụ điều khiển: tính toán thiết kế, mô phỏng thử nghiệm giải thuật trên máy tính và thiết kế board mạch phần cứng. - Giải thuật: Đề xuất giải thuật để mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng trên đối tượng. 2.3. Phạm vi nghiên cứu Để hoàn thành các mục tiêu luận án, phạm vi nghiên cứu được giới hạn như sau: - Về lý thuyết: Phân tích được kết cấu cơ khí, phương trình động học và mô hình hóa tuyến tính đối tượng phục vụ cho mô phỏng và thực nghiệm giải thuật đề xuất. - Về mô hình: Thiết kế được mô hình toán và mô phỏng thử nghiệm; xây dựng được mô hình vật lý kết nối máy tính số để thực nghiệm lấy kết quả trong phòng thí nghiệm. - Về giải thuật: đề xuất được giải thuật mới phù hợp với hệ thống nâng hạ JuR, so sánh với giải thuật khác để làm rõ hiệu quả. - Về tiêu chuẩn cần đạt về độ ổn định của hệ thống: Tiêu chuẩn Lyapunov. 2.4. Phương pháp nghiên cứu
3 Nhằm thu được kết quả phù hợp với mục tiêu nghiên cứu trong phạm vi nêu trên, phương pháp nghiên cứu của luận án được xác định như sau: - Phân tích và đánh giá hiện trạng các nghiên cứu liên quan: Phân tích các công trình nghiên cứu giàn khoan tự nâng, phân tích ảnh hưởng của sai số cơ khí, nhiễu và các ảnh hưởng động học khác. - Xây dựng mô hình toán lý thuyết của hệ thống chuyển động của JuR ở chế độ nâng hạ: xây dựng mô hình toán tổng quát, mô hình toán rút gọn đã tuyến tính hóa, phân tích lực và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nâng hạ của JuR. - Mô phỏng: Mô hình toán được triển khai trên Matlab – Simulink với các chương trình con, chương trình nhúng viết trên m.file. - Nghiên cứu lý thuyết ổn định, áp dụng cho giàn khoan tự nâng: Dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov, kết quả mô phỏng đánh giá tính ổn định nhằm đạt được mục tiêu trong mục 2.1. - Thực nghiệm: Tính toán lựa chọn cấu hình, thiết kế, chế tạo hệ thống cơ-điện duy trì ổn định cân bằng vị trí chính xác cho mô hình JuR. 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Ý nghĩa khoa học: Luận án đã đề xuất các giải thuật tối ưu và thích nghi trên nền lô-gíc mờ bằng cách chứng minh toán học và mô phỏng trong các điều kiện giả lập, các kết quả được viết và công bố trên các tạp chí có uy tín trong nước và quốc tế minh chứng cho tính mới và ý nghĩa khoa học của các nội dung nghiên cứu cũng như kết quả đạt được. Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã nghiên cứu và xây dựng mô hình thực nghiệm, các kết quả thực nghiệm cho đáp ứng ổn định, có thể nghiên cứu để ứng dụng vào thực tiễn, chứng tỏ tiềm năng trong lĩnh vực cơ điện hàng hải cũng như cơ khí tự động hóa cho trang thiết bị ngoài khơi, tuy còn cần phải thử nghiệm và kiểm định ngoài thực tế thêm trước khi ứng dụng. Ngoài ra, các tài liệu tham khảo giúp Luận án hoạch định và liệt kê toàn diện các vấn đề liên quan đến cấu tạo và nguyên lý hoạt động của giàn khoan tự nâng, các hệ thống phục vụ, đi sâu phân tích đánh giá hệ thống nâng hạ. Các tài liệu mới, là nền tảng cho các nhà nghiên cứu tham khảo khi tìm hiểu về lĩnh vực này, có ý nghĩa phục vụ đào tạo và nghiên cứu. 4. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Luận án đã xây dựng và hệ thống hóa các vấn đề liên quan đến điều khiển tối ưu cho giàn khoan tự nâng. Các vấn đề liên quan đến sai số và nhiễu được chỉ rõ và mô hình hóa bằng toán học; - Đề xuất mô hình điều khiển tối ưu hóa cấu trúc mờ cho hệ thống nâng hạ với giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO). Mô hình này cho phép hệ thống tự lựa chọn các bộ luật mờ phù hợp với điều kiện làm việc, một cách làm “mềm hóa” giải thuật mờ, hiệu quả được kiểm nghiệm và so sánh bằng các kết quả mô phỏng;
4 - Mô hình điều khiển tối ưu thích nghi dựa trên nền tảng kỹ thuật mờ được thực nghiệm kiểm chứng so với các giải thuật được công bố tại thời điểm này, tính ổn định được xem là kết quả tốt hơn. 5. BỐ CỤC LUẬN ÁN Nội dung chính của luận án được tổ chức thành 5 chương cùng với kết luận và hướng nghiên cứu đề xuất. Bố cục cụ thể như sau: - Chương 1. Tổng quan về giàn khoan tự nâng; - Chương 2. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng quá trình nâng hạ giàn khoan tự nâng; - Chương 3. Giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của sai số và nhiễu trong quá trình ổn định và nâng hạ giàn khoan; - Chương 4. Điều khiển cân bằng giàn khoan tự nâng dựa trên giải thuật tối ưu bầy đàn; - Chương 5. Mô hình và thực nghiệm; - Kết luận và hướng nghiên cứu đề xuất.
5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIÀN KHOAN TỰ NÂNG 1.1 Tổng quan về giàn khoan Các JuR đã được sử dụng để thăm dò, khoan và khai thác tại các mỏ dầu khí ngoài khơi trong nhiều thập kỷ. Có nhiều phương pháp được sử dụng để cân đối giữa việc kiểm soát trong việc giảm thiểu các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình nâng hạ giàn khoan tự nâng. Tuy nhiên, việc nghiên cứu các thuật toán điều khiển hiện đại vẫn thôi thúc các nhà khoa học phát triển các thuật toán và ứng dụng giúp hệ thống hoạt động ổn định hơn, hệ thống điều khiển an toàn hơn. Hình 1.1 Các loại giàn khoan và độ sâu nước hoạt động [22] Trên thế giới có nhiều loại giàn khoan ngoài khơi như Hình 1.1 đã được thiết kế dựa trên các yếu tố khác nhau: sự phát triển khoa học, công nghệ, kinh tế [13], các hạn chế về môi trường [16]. Gần đây, kỹ thuật ngoài khơi đã thu hút sự chú ý đáng kể từ các nhà nghiên cứu trong cả học thuật và công nghiệp nhằm mang lại lợi ích cho các nhà cung cấp dịch vụ và công nghệ [20], [21] để đáp ứng các yêu cầu đối với một công trình ngoài khơi. Cuối cùng, các hệ thống được thiết kế mới phải đảm bảo an toàn cho con người, môi trường biển và ven biển. Tuy nhiên, các khảo sát gần đây về giàn khoan ngoài khơi đã tập trung vào các vấn đề chung, tức là lợi ích, đặc điểm, loại hình và các khái niệm cấu trúc khác nhau (chẳng hạn như giàn khoan cố định, giàn tự nâng, giàn bán tiềm thủy) [23]; động lực, tiềm năng, ứng dụng, thách thức, công nghệ hiện đại [23], [24]; phát điện ngoài khơi, truyền tải, phân phối, tiêu thụ, lưu trữ năng lượng, thăm dò ngoài khơi và môi trường [26], động lực đa vật thể trong các ứng dụng của cấu trúc ngoài khơi [27], [28], tiến bộ và xu hướng [23], [29 ], [30]. Ngoài ra, những nhà khoa học đã nghiên cứu các chủ đề cụ thể như phân tích phi tuyến tính của kết cấu giàn khoan [27], hệ thống nâng hạ bằng thanh răng-bánh răng [31], đánh giá dữ liệu và kỹ thuật [25], định vị động [32], chân giàn khoan [33], hệ thống đế chống lún (spudcan) [34], phương tiện nổi dạng Spar [35], mô hình hóa và điều khiển [24], hệ thống vận chuyển và các yếu tố ảnh hưởng đến việc định vị vị trí chính xác cho giàn khoan
6 [32], [ 37]. Có thể nhận thấy rằng các vấn đề chung về giàn khoan đã khá đầy đủ, trong khi vấn đề cụ thể về các thách thức trong mô hình hóa và chiến lược kiểm soát năng lượng cho giàn khoan vẫn chưa được nghiên cứu. 1.2 Các hệ thống thường dùng trong nâng hạ giàn khoan 1.2.1 Mô tả hoạt động của giàn Để giàn khoan di chuyển đến vị trí lắp đặt làm việc trong điều kiện an toàn, quy trình hoạt động bao gồm các bước thực hiện chi tiết như sau: - Đến vị trí: Giàn khoan có thể tự hành trên thân giàn hoặc được vận chuyển như hàng hóa trên tàu khác. - Hạ thấp chân: Giàn khoan giữ cho thân giàn ở một vị trí cố định, và chân của nó hạ dần xuống dưới đáy biển bằng cách sử dụng hệ thống thanh răng-bánh răng. - Hoạt động cắm chân vào nền đáy biển: mục đích của quy trình là cung cấp tải cho chân giàn lên đến mức tải được xác định trước. Sau khi đạt đến độ sâu tối đa dưới đáy biển, tải trọng bổ sung (thường là nước dằn) sẽ được xả ra. - Hoạt động nâng thân giàn đến vị trí làm việc: thân giàn được nâng lên vị trí cao hơn từ mặt nước đến vị trí làm việc, đảm bảo khoảng cách giữa thân giàn và mặt nước. Hệ thống cố định dùng để cố định chân khi thân giàn đến vị trí làm việc. 1.2.2 Hệ thống nâng hạ giàn khoan sử dụng cơ khí Giàn khoan tự nâng ba chân loại nhỏ sẽ có 36 bánh răng trong khi các thiết bị lớn hơn có 54 bánh răng và các thiết bị trong môi trường khắc nghiệt lớn hơn có thể có tới 72 bánh răng. Hình 1.2 cho thấy sự sắp xếp chính của hai bộ truyền động, việc chia sẻ tải giữa các bánh răng rất quan trọng để phân bổ tải đều trên tất cả các bánh răng. Hình 1.2. Bố trí của hai hệ truyền động chính (GustoMSC jacking unit) [55] 1.2.3 Hệ thống nâng hạ giàn khoan sử dụng thủy lực Trên thực tế, có không ít giàn khoan tự nâng sử dụng hệ thống nâng giàn bằng thủy lực, như Hình 1.3 của công ty Keppel, khi làm việc tại các vùng nước biển nông. Hệ thống kiểu này không phải đối tượng nghiên cứu của luận án.
7 Hình 1.3. Nâng hạ giàn sử dụng hệ thống thủy lực 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nâng hạ giàn khoan. 1.3.1 Tải tác động lên giàn Tải trọng tác động lên giàn khoan bao gồm: a. Tải cố định - Trọng lượng của thân giàn và các thiết bị liên quan được đặt vĩnh viễn trên giàn. - Lực thủy tĩnh tác dụng lên các bộ phận bên dưới mực nước và tạo áp lực. b. Tải động - Tải trọng này bao gồm trọng lượng của tất cả các thiết bị hoặc vật liệu không cố định, cũng như các lực được tạo ra trong quá trình vận hành thiết bị. - Cơ sở sản xuất, khu nhà ở, đồ đạc, hệ thống hỗ trợ quá trình sinh hoạt của người, sân bay trực thăng, vật tư tiêu hao, chất lỏng và các vật dụng khác. - Lực sinh ra trong quá trình vận hành, khoan, thả neo, hạ cánh trực thăng, vận hành cẩu, nâng hạ giàn khoan. c. Tải lắp đặt - Nói chung, đây là những tải trọng xảy ra trong quá trình chế tạo và lắp đặt giàn hoặc các thiết bị lên giàn. d. Tổ hợp tải trọng Các tổ hợp tải trọng được xác định bởi quá trình thiết kế - Vận hành bình thường. - Vận hành khắc nghiệt. - Động đất phải được áp dụng tách biệt với các áp lực môi trường khác. 1.3.2 Tải môi trường Tải trọng môi trường là tải trọng do gió, sóng, dòng chảy và các ngoại lực khác gây ra. a. Tải trọng gió: Tải trọng gió được xem là quan trọng nhất trong thiết kế giàn khoan. Hơn nữa, ảnh hưởng của tốc độ và hướng gió sẽ thay đổi đối với các tình huống làm việc trên các giàn khoan khác nhau phải được xem xét một cách kỹ lưỡng
8 b. Tải trọng sóng: Sóng biển là hiện tượng vật lý xảy ra ở lớp nước gần bề mặt biển. Các lực tác dụng lên kết cấu gây ra bởi chuyển động của nước dưới tác động của gió trên bề mặt biển. Việc xác định các lực đòi hỏi phải lý tưởng hóa biên dạng bề mặt sóng và động học sóng được đưa ra bởi một lý thuyết sóng thích hợp. Trong luận án này sử dụng mô hình sóng được giới thiệu bởi T.I. Fossen [10]. c. Dòng chảy: Dòng chảy là sự chuyển động định hướng liên tục của nước biển đổ vào đại dương. Dòng chảy phát sinh bởi những lực tác động như từ trường trái đất, gió, nhiệt độ, độ mặn của muối và lực hấp dẫn mặt trăng. d. Hiệu ứng khuếch đại thủy động học: Rung động cho kết cấu của giàn cùng các liên kết của chân giàn chủ yếu do các hoạt động định kỳ của sóng và dòng chảy sẽ gây ra. e. Tải động đất: Tải trọng động đất phải được tính toán bằng cách sử dụng mã thích hợp cho quốc gia nơi đặt giàn khoan. f. Đặc điểm môi trường tại vùng biển Đông của Việt Nam: Vùng biển Việt Nam có hai chế độ sóng được hình thành bởi hai chế độ gió khác nhau: gió mùa Đông Bắc và gió mùa Tây Nam. Trong mùa đông, vùng biển Việt Nam trực tiếp chịu ảnh hưởng của sóng và gió hướng Đông Bắc. Trung bình, độ cao và chu kỳ sóng mùa đông này khá lớn, với độ cao khoảng 2-3 m và chu kỳ khoảng 10-11 giây. 1.3.3 Phân tích sai số cơ khí a. Sai số dạng và vị trí bề mặt tiếp xúc: Sai số hình dạng và vị trí của bề mặt tiếp xúc sẽ ảnh hưởng đến sai số truyền động, sai số tích lũy của bề mặt lắp ghép như bánh răng, trục, và vòng đệm. Tổng các sai số thành phần được xếp chồng từ các sai số hình học khác nhau và tác động lên hệ truyền động[81]. b. Lỗi lắp ráp ổ trục: Các lỗi lắp ráp ổ trục ảnh hưởng đến độ chính xác của trục quay. Khi ổ trục được lắp với trục, các sai số hình học của các bộ phận sẽ được cộng thêm vào các vòng bên trong và bên ngoài của ổ trục, chẳng hạn như sai số về độ đồng trục và độ trụ của trục, ổ trục. 1.3.4 Giải pháp xử lý sai số và sự thay đổi tải bất định Giải pháp xử lý sai số và sự thay đổi tải bất định có thể xem xét như sau: - Xử lý bằng thiết kế: Sai số của hệ cơ học chủ yếu bao gồm sai số hình học, sai số biến dạng lực, sai số nhiệt và sai số động. - Xử lý bằng thi công, chế tạo: Công nghệ của Việt Nam chưa đáp ứng được nên với các hệ thống này trong quá trình thi công còn nhiều sai sót từ khâu thiết kế cho đến khi cấu thành hệ động lực. - Xử lý bằng phương pháp mềm: giải thuật thông minh, chính xác trong tự động hóa nhằm bù sai số, thích nghi với mọi sự biến đổi nội tại và ngoại vi là phương pháp hiện đại, cũng là hướng nghiên cứu đề xuất trong luận án. 1.4 Mô tả toán học tổng quát cho hệ thống nâng hạ giàn khoan 1.4.1 Kết cấu thân giàn Thân giàn khoan cũng cung cấp độ nổi cần thiết để giữ cho nó không bị chìm khi đang nổi. Hơn nữa, thông số kỹ thuật của thân giàn có thể thay đổi dựa trên các
9 chế độ hoạt động khác nhau của thiết bị [8], [27]. Tải trọng gió, dòng chảy và sóng thường hướng vào thân giàn. Ngoài ra, mạn khô của thiết bị giàn khoan tự nâng có ảnh hưởng lớn nhất đến độ ổn định nổi của nó. Khi đến vị trí làm việc, thân giàn sẽ được nâng đến độ cao cần thiết so với mặt biển. Theo quy định, chiều dài và độ sâu của thân giàn càng lớn thì tải trọng boong và thiết bị mà thiết bị giàn khoan có thể mang theo càng nhiều. 1.4.2 Kết cấu chân và đế chống lún Nói chung, giàn khoan tự nâng có thể được phân thành hai loại cơ bản theo kết cấu chân, bao gồm: hệ thống chân độc lập và hệ thống chân có giá đỡ chữ A như mô tả trên hình 1.4 [55]. Ngoài ra, giàn khoan tự nâng dạng giàn cũng được hỗ trợ bởi các thiết bị ổn định dựa trên các đế chống lún dưới đáy biển. Đầu nhọn của spudcan được đẩy xuống đáy biển để giúp giàn khoan ổn định hơn trong quá trình hoạt động. Hình 1.4. Chân chữ A và chân độc lập [55] 1.4.3 Kết cấu Công xôn Công xôn (Cantilever) là kết cấu quan trọng của giàn tự nâng, thường có ba điều kiện làm việc: khoan, bão, và tải trước. Giàn khoan tự nâng chủ yếu có thể được chia thành hai loại: giàn khoan tự nâng công xôn và giàn khoan tự nâng rãnh (slot jack-up). Giàn khoan tự nâng kiểu công xôn tăng phạm vi hoạt động và cải thiện hiệu quả làm việc bằng cách tự vươn ra khỏi thân giàn. Vì vậy, giàn khoan tự nâng công xôn trở nên phổ biến hơn. 1.5 Mô hình toán chuyển động nâng - hạ của giàn khoan tự nâng Các chuyển động của giàn khoan và lực tác động trình bày trên hình 1.5 bao gồm: Giàn dao động dọc theo phương X, dao động ngang theo phương Y, chuyển động lên xuống theo phương Z. Lắc dọc và ngang quanh trục X, Y. Xoay quanh trục thẳng đứng Z. Trong chế độ nâng hạ, giàn được truyền động bởi các động cơ điện gắn trên thân của giàn, các động cơ trên mỗi trục được tính như một nhóm hoạt động đồng bộ, các động cơ cùng loại, hoạt động đồng tốc và có thông số như nhau. Theo
10 sơ đồ mô tả hình 1.5, ta có các thành phần lực tác động lên thân giàn được tính trong hệ phương trình vi phân mô tả động học như sau [63], [64]: 𝐻 𝑑 2 𝑥(𝑡) 𝑑𝑥(𝑡) 𝐻 [𝑀 ] 2 + 𝐵 + [𝑀 ] 𝑔𝑥(𝑡) = {𝐹 𝐿 } + {𝑅 𝐿 } = 𝑘𝜏(𝑡) + 𝜏 𝑛ℎ (𝑡) (1.1) 𝑑𝑡 𝑑𝑡 Tổng các thành phần mô men của nhiễu bao gồm sóng, gió, dòng chảy và nhiễu ngoại tương ứng. 𝜏 𝑛ℎ (𝑡) = 𝜏 𝑠ó𝑛𝑔 (𝑡) + 𝜏 𝑔𝑖ó (𝑡) + 𝜏 𝑑ò𝑛𝑔 𝑐ℎả𝑦 (𝑡) + 𝜏1 (𝑡) (1.2) Hình 1.5. Mô tả chuyển động của giàn khoan tự nâng[22] Khi đưa giàn khoan đến vị trí cần khoan bằng các phương tiện kéo thì tiến hành hạ giàn khoan. Đầu tiên hạ chân giàn, sau đó tiến hành nâng thân chính giàn khoan lên chiều cao thiết kế để đảm bảo an toàn khi làm việc. Tùy theo trọng lượng của giàn và thiết bị trên giàn mà tốc độ nâng có thể từ 5m/h đến 20m/h. Khi nâng giàn lên được 50mm đầu tiên thì dừng lại, lúc này trọng lượng của giàn khoan tập trung ở ba chân giàn thì các kỹ sư phải thực hiện đo đạc các thông số tại vị trí của các chân giàn, bơm nước biển vào các két nước dằn để đảm bảo cân bằng. Sau đó, thân giàn tiếp tục được nâng dần đến độ cao mong muốn. Khi chân giàn ổn định sẽ tạo ra một diện tích làm việc giống như giàn cố định, nhưng trong quá trình làm việc giàn khoan phải luôn được xử lý để đảm bảo cân bằng. 1.6 Kết luận chương 1 Trong chương này, luận án đã mô tả tổng quan về giàn khoan, trong đó các hệ thống thường dùng trong nâng hạ giàn khoan kèm với hoạt động của một số hệ thống quan trọng điển hình được đề cập, đi sâu phân tích kết cấu của các dạng hệ thống nâng hạ cơ khí, điện cơ, và điện thủy lực. Bằng phân tích đặc điểm của hệ thống nâng hạ trong quá trình làm việc, có thể cho thấy rằng quá trình hoạt động cho loại giàn 3 chân điển hình này, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng, sự ổn định và độ chính xác của hệ thống rất nhiều, trong đó phải kể đến nhiễu môi trường, ảnh hưởng động học và sai số nội tại. Các giải pháp nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của sai số và nhiễu trong quá trình ổn định và nâng hạ giàn khoan sẽ được trình bày chi tiết ở nội dung tiếp theo tại chương 2 của luận án.
11 CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG CỦA SAI SỐ VÀ NHIỄU TRONG QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH VÀ NÂNG HẠ GIÀN KHOAN 2.1 Tổng quan các nghiên cứu gần đây về quá trình nâng hạ và các cơ cấu phục vụ Hệ thống thanh răng và bánh răng thường được chế tạo và sản xuất cho các hệ thống nâng công suất lớn, bao gồm các bộ phận nâng và điều khiển nâng. Dựa vào đó, các hệ thống được tính toán để phù hợp với thiết bị được cung cấp cho các giàn khoan tự nâng khác nhau. Liên quan đến các nghiên cứu gần đây về thanh răng và bánh răng của hệ thống nâng, vấn đề phân tích ứng suất và độ cứng của một bánh răng có 7 răng được thảo luận bởi [31], các tác giả trong [105] đã trình bày động lực học hỗn loạn do lực Casimir. Hơn nữa, các nghiên cứu lý thuyết đã được thực hiện [118] bằng cách sử dụng mô hình mài mòn răng từ sự cọ xát của các bánh răng trong hệ thống siêu trọng. Cuối cùng, phân tích tải trọng và ứng suất cho một bánh răng bị hỏng của giàn tự nâng trong [5], tác giả đã chỉ ra các vấn đề gặp phải để giải thích cho bánh răng bị hỏng. 2.2 Phân tích xu hướng nghiên cứu ứng dụng logic mờ cho hệ thống nâng hạ giàn khoan tự nâng Hệ thống di chuyển giàn khoan và hệ thống nâng hạ là hai hệ thống điều khiển quan trọng nhất đối với JuR. Nhiều nhà nghiên cứu đã tiến hành tạo ra các hệ thống có công nghệ cao dựa trên trí tuệ nhân tạo. Một số phương pháp điều khiển nâng cao được đề xuất như Mờ (Fuzzy), Mờ lai (Hybrid Fuzzy), Thích nghi mờ (Fuzzy Adaptive), và Tối ưu hóa bầy đàn (PSO), đã được nghiên cứu và cho thấy tính hiệu quả cũng như sự ổn định của chúng [92]. Trong khi đó, một số bộ điều khiển truyền thống như PID và bộ điều chỉnh bậc hai tuyến tính (LQR) vẫn được sử dụng cho các hệ thống nâng hạ giàn trên các thế hệ cũ. Gần đây, điều khiển mờ đã nhận được nhiều kết quả đổi mới trong các công bố của [8] nhằm giải quyết các vấn đề về tính chất không thể đoán trước và nhiễu trong quá trình làm việc của hệ thống. 2.3 Ứng dụng lô-gíc mờ nhằm tăng khả năng thích nghi với ảnh hưởng của sai số Trong phần này, hai bộ điều khiển được lựa chọn để khảo sát ổn định động học cho giàn khoan tự nâng là PID và Fuzzy-PID nhằm đánh giá và kiểm tra tính ổn định của đối tượng trong điều kiện làm việc thực tế, trong đó các tình huống liên quan đến điều kiện biển tại thời điểm điều khiển được phân tích. Các sai lệch cơ học ảnh hưởng đến mô hình toán của thân giàn cũng như hệ số truyền lực cũng được khảo sát để xác định mức độ ảnh hưởng của các sai số này đến quá trình nâng hạ.
12 Hình 2.1 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PID và FPID cho mô hình JuR Sơ đồ thiết kế trên Matlab các giải thuật Fuzzy-PID so sánh với PID, cho hệ thống nâng hạ để khảo sát trên Hình 2.1 thử nghiệm với trường hợp có nhiễu tác động. 2.4 Kết quả mô phỏng Sơ đồ thiết kế trên Matlab các giải thuật Fuzzy-PID so sánh với PID trong trường hợp có nhiễu, sai số cùng tác động như trên Hình 2.1. Kết quả mô phỏng và so sánh trên Hình 2.2, Hình 2.3 và được tổng hợp trong bảng 2.1. Hình 2.2 Kết quả mô phỏng hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu
13 Hình 2.3 Kết quả mô phỏng hệ thống khi có ảnh hưởng của sai số cơ khí Bảng 2.1 Tổng hợp các điều kiện làm việc Sai số Bộ điều khiển Tình trạng biển PID Fuzzy-PID cơ khí khác Lý tưởng Không Đáp ứng Đáp ứng Có sóng gió Không Không đáp ứng Đáp ứng Chưa khảo sát Có sóng gió Có Không đáp ứng Đáp ứng kém 2.5 Tổng kết chương 2 Tổng quan về trang bị điện – cơ và hệ thống tự động phục vụ cho giàn khoan tự nâng, đi sâu phân tích hệ thống nâng hạ. Nhận thấy logic mờ phù hợp với mục tiêu giảm thiểu sai số và tăng khả năng thích nghi, luận án lựa chọn giải pháp thiết kế bộ điều khiển Fuzzy-PID và mô phỏng kiểm nghiệm. Kết quả mô phỏng và đánh giá cho thấy Fuzzy–PID là giải pháp chấp nhận được nhưng chưa toàn diện, việc thiết kế luật mờ vẫn dựa trên kinh nghiệm của nhà thiết kế và am hiểu tính chất của đối tượng, điều này dẫn tới sự phụ thuộc và tính chủ quan cao. Để tiếp tục phát triển nghiên cứu nhằm đạt được mục tiêu và những luận điểm khoa học mới cho đề tài, luận án lựa chọn giải thuật mờ tối ưu bầy đàn như một phương án hữu hiệu, được trình bày ở chương 3.
14 CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG GIÀN KHOAN TỰ NÂNG DỰA TRÊN GIẢI THUẬT MỜ TỐI ƯU BẦY ĐÀN (F-PSO) 3.1 Phân tích xu hướng nghiên cứu Có thể thấy, có rất nhiều thách thức liên quan đến mô hình, phương pháp và ứng dụng của giàn khoan tự nâng, cũng như các mối quan tâm về tài chính, nhưng tất cả đều xoay quanh hai câu hỏi: 1) nên cải thiện chỉ số hệ thống nào (chất lượng, chi phí đơn vị, lịch trình, tỷ lệ hàng giờ, an toàn, thông tin liên lạc và công nghệ) và 2) giải pháp nào nên được sử dụng để đảm bảo giàn khoan tự nâng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt trong khi vẫn giữ chi phí vận hành và bảo trì ở mức thấp nhất có thể. Do tính chất tương đồng nên chúng ta có thể áp dụng rất nhiều ý tưởng mới vào hệ thống nâng nếu coi nó như một hệ thống thang máy. Theo đó, với những tính chất như vậy, chương này tập trung vào các thách thức liên quan đến điều khiển thích ứng logic mờ, trong đó thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) được sử dụng như một dạng trí tuệ nhân tạo để cải thiện khả năng thích ứng điều khiển tự động của các bộ điều khiển mờ. 3.2 Khuếch đại động học trong hàm truyền của hệ thống nâng Giả thuyết 1 [A2]: Hệ thống thanh răng – bánh răng của giàn khoan tự nâng là hệ thống một bậc tự do (SDOF) ở chế độ nâng. Khoảng dịch chuyển hệ số khuếch đại động học của hệ thanh răng – bánh răng giảm chấn chịu tải trọng bước do đó được tính bằng tỷ lệ của phản ứng động so với phản hồi tĩnh. 𝑥(𝑡) = 𝐷𝐴𝐹. 𝑥 𝑝 (𝑡) (3.1) Khoảng dao động tắt dần của hệ thanh răng – bánh răng có thể được xác định dựa trên tích phân Duhamel như sau: 𝜏(𝑡) 𝜁𝑠𝑖𝑛 𝜔 𝑛 √1 − 𝜁 2 𝑡 𝑥(𝑡) = [1 − 𝑒 −𝜁𝜔 𝑛 𝑡 (𝑐𝑜𝑠 𝜔 𝑛 √1 − 𝜁 2 𝑡 + )] (3.2) 𝑘 √1 − 𝜁 2 3.3 Tối ưu hóa hàm mờ bằng giải thuật FPSO 3.3.1 Bài toán tối ưu cân bằng giàn khoan bằng giải thuật FPSO Trong điều kiện môi trường, các tác động thay đổi theo thời gian làm cho vị trí của hệ thống thanh răng – bánh răng bị sai lệch. Luận án đề xuất bộ điều khiển FPSO có cấu trúc linh hoạt và các giá trị tham số được tối ưu hóa để khắc phục vị trí sai số. Mục tiêu của giải pháp đề xuất là hiệu chỉnh cơ cấu điều khiển thích ứng với sai số hệ thống do tác động môi trường gây ra bởi hệ số 𝛿 𝜆 .
15 Hình 3.1 Cấu trúc bộ điều khiển FPSO cho hệ thống nâng hạ 3.3.2 Kết quả mô phỏng Trong phần này, luận án trình bày so sánh các kết quả thu được khi sử dụng bộ điều khiển FPID và FPSO, và sơ đồ mô phỏng theo hoạt động môi trường được thể hiện trong Hình 3.2, Hình 3.3 và 3.4. Bộ điều khiển FPSO đề xuất được thực hiện trên mô hình giàn khoan TamDao05 trong hai trường hợp nghiên cứu tương ứng với các cấp sóng gió khác nhau. Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển FPSO và FPID cho mô hình giàn khoan
16 Hình 3.3 Vị trí thực tế, lực điều khiển và lực môi trường trong trạng thái biển cấp 1 Hình 3.4 Vị trí thực tế, lực điều khiển và lực môi trường trong trạng thái biển cấp 3 Hiệu suất các động cơ thực hiện nâng hạ của bộ điều khiển FPID đạt yêu cầu trong trường hợp 1, nhưng không đạt yêu cầu trong trường hợp 2, trong khi bộ điều khiển FPSO thể hiện hiệu suất điều khiển đạt yêu cầu tương tự trong từng trường hợp. 3.4 Giải thuật mờ tự thích nghi dựa trên thuật toán tối ưu bầy đàn PSO - SAFC
17 Bộ điều khiển FPSO còn hạn chế như đã nêu trong mục 3.3, tiếp theo, luận án đề xuất giải thuật Mờ tự thích nghi dựa trên thuật toán tối ưu bầy đàn nhằm đạt được những mục tiêu sau: - Mục tiêu tối ưu nhằm không những thích nghi được sai số mô hình, tối ưu hóa cấu trúc điều khiển mà còn đảm bảo tính ổn định bền vững tổng thể; - Chứng minh tính ổn định bằng đánh giá Lyapunov; - Mô phỏng kiểm chứng đạt kết quả tốt. 3.4.1 Các giả thiết, ràng buộc và giới hạn của bài toán Nhận định 1 [A2]: Theo Society of Naval Architects and Marine Engineers [34], trường hợp giàn khoan có khối lượng > 2500 Tấn ta có điều kiện 𝜁 < 0.07 và 𝑡 > 0.124. Nhận định 2 [A2]: Biến động sai số trên mỗi bước răng của bánh răng được mô phỏng bằng cách sử dụng Monte Carlo, sử dụng phân phối chuẩn (phân phối chuẩn chỉ ra rằng các kết quả được phân bổ đều xung quanh giá trị trung bình). Giả thuyết 2 [A2]: Trong trường hợp Giả thuyết 1 được thỏa mãn, DAF được giới hạn trong khoảng 0 < 𝐷𝐴𝐹 < 2. Giả thuyết 3 [A2]: Trên vòng chia bánh răng, sai số tuyến tính của bước răng bị ràng buộc và chuyển thành sai số góc. Giả thuyết 4 [A2]: Giả định rằng giá trị tối đa của sai số đối với trạng thái điều khiển và thông thường được hiểu hoặc có thể được xác định cho từng trạng thái. 3.4.2 Triển khai giải thuật mờ tự thích nghi dựa trên thuật toán tối ưu bầy đàn PSO-SAFC với các giả thuyết và ràng buộc Hình 3.5 Cấu trúc giải thuật đề xuất PSO – SAFC
18 Luận án áp dụng thuật toán PSO để hiệu chỉnh tham số của MF vì thuật toán này dễ triển khai và hiệu quả về mặt tính toán. Trong nghiên cứu này, thuật toán PSO được sử dụng để tìm bộ điều khiển tham số tối ưu để vận hành đối tượng phi tuyến giàn khoan trong các điều kiện của Giả thuyết 1, 2, 3 và 4. Việc xác định hệ số tối ưu λi dựa trên thuật toán PSO [137], để xử lý với việc nâng cao chất lượng điều khiển trong môi trường thay đổi theo thời gian. 3.4.3 Mô phỏng Phương pháp PSO-SAFC được thực hiện trên mô hình giàn khoan TamDao05 trong hai trường hợp nghiên cứu. Trường hợp 1: Kết quả mô phỏng áp dụng bộ điều khiển FPID và PSO-SAFC như Hình 3.6. Bảng 3.1 trình bày kết quả so sánh được thực hiện giữa phương pháp được đề xuất với phương pháp của bộ điều khiển mờ [139] và bộ điều khiển FPID [92] và bộ điều khiển mờ thích ứng (AFC) [124]. Bảng 3.1 So sánh hiệu quả của một số giải pháp cho trường hợp 1 Số hàm Thời gian đáp Độ giao Giải pháp Độ vọt lố liên thuộc ứng động Fuzzy [139] 69 7.0 s 6.5 cm 0.050 cm FPID [92] 69 6.5 s 5.5 cm 0.035 cm AFC [124] 69 4.5 s 5.0 cm 0.045 cm PSO-SAFC 69 2.5 s 3.5 cm 0.020 cm Hình 3.6 Hiệu suất của nghiên cứu trường hợp 1 của hai bộ điều khiển (a) Vị trí thực tế của giàn khoan. (b) Lực điều khiển FPID và PSO-SAFC. (c) Tổng lực từ môi trường.