半潜式钻井平台推力分配优化算法研究.pdf
《半潜式钻井平台推力分配优化算法研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《半潜式钻井平台推力分配优化算法研究.pdf(84页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、中文摘要 摘要 随着石油开采事业向更深海域的进军,传统的锚泊定位系统已经不能满足深 海钻井平台正常作业的要求。动力定位系统具有不受海水深度影响、定位准确快 速、操作方便等优点,其定位技术成为近年来深海石油开采的关键技术之一。推 力分配作为动力定位系统的一个重要部分,需要满足推进器产生推力总值能够抵 消外界环境干扰力的基本要求,并且使系统功耗最小。 本文以配有8 个全回转推进器的“海洋石油9 8 1 “ 为对象,基于模拟退火粒子 群混合优化算法,对动力定位系统推力分配智能优化技术进行研究。本文的主要 工作有以下几个方面: 1 、在深入分析平台运动特性的基础上建立了半潜式钻井平台动力定位系统的 数
2、学模型,给出了风、浪、流等环境干扰力的计算方法,然后对模型进行了仿真 验证。仿真结果表明所建立数学模型的正确性。 2 、在深入分析推力分配系统工作原理的基础上,针对半潜式钻井平台推力执 行机构特点和推进器布局情况,建立推力分配的数学模型。 3 、针对粒子群优化算法易陷入局部最优的问题,结合模拟退火算法,设计模 拟退火粒子群混合优化算法,并采用基准测试函数对该算法进行了测试。结果表 明混合优化算法的有效性。 4 、针对推力优化分配问题,提出基于动态优化区域的模拟退火粒子群混合优 化算法。通过引入惩罚因子自适应权值,重新修订目标函数,提高推进器产生推 力跟踪控制指令的动态性能。 5 、基于M a
3、t l a b S i m u l i n k 仿真环境,搭建了半潜式钻井平台动力定位系统推力 分配仿真模型,并针对不同海况进行了推力分配仿真实验。仿真结果表明推力分 配优化算法的有效性。 最后,对本文的研究工作进行了系统全面的总结,并指明了今后的研究方向。 关键词:半潜式钻井平台;动力定位;推力分配;混合优化算法 心- 砂 一 英文摘要 A B S T R A C T A st h ed e v e l o p m e n to fo i le x p l o r a t i o nt od e e p e ro c e a n ,t h et r a d i t i o n a lm o
4、o r i n g p o s i t i o n i n gs y s t e mf o ro c e a ne n g i n e e r i n gs y s t e mc o u l dn o tm e e tn e wr e q u i r e m e n t so f n o r m a lo p e r a t i o nf o rd r i l l i n gp l a t f o r m D u et oi t si n d e p e n d e n c eo nd e p t ho fw a t e r , a c c u r a t ea n df a s t p o
5、s i t i o n i n g a n dc o n v e n i e n t o p e r a t i o n ,d y n a m i cp o s i t i o n i n g s y s t e m ( D P S ) b e c o m e sak e yt e c h n o l o g yt o s o l v et h e p r o b l e m o fd e e p - s e ao i l e x p l o i t a t i o n T h r u s ta l l o c a t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n
6、 tp a r to ft h eD P S T h et o t a lf o r c e g e n e r a l i z e db yt h r u s t e r ss h o u l dc o u n t e r a c te n v i r o n m e n ti n t e r f e r e n c e sa n dt h ep o w e r c o n s u m p t i o no ft h es y s t e mi sm i n i m i z e d F o c u s i n go nt h e “O f f s h o r eO i l9 81 ”w i
7、t he i g h ta z i m u t ht h r u s t e r s ,t h ei n t e l l i g e n t o p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yo ft h r u s ta l l o c a t i o ni ss t u d i e db a s e do nah y b r i do p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mw h i c hc o m b i n e st h es i m u l a t e da n n e a l i n g ( S A ) a
8、 l g o r i t h ma n dp a r t i c l es w a l l T I o p t i m i z a t i o n ( P S O ) a l g o r i t h m T h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s : 1 T h em a t h e m a t i cm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em o v e m e n t p r i n c i p l e so f
9、s e m i s u b m e r s i b l ed r i l l i n gp l a t f o r m ,a n da l s ot h ec a l c u l a t i o nm o d e l so f e x t e m a lf o r c e ss u c ha sw i n d ,w a v e ,a n do c e a nc u r r e n ta r eg i v e n T h e ns i m u l a t i o n sa r e p r e s e n t e d t os h o wt h ec o r r e c t n e s so ft
10、 h em a t h e m a t i cm o d e l 2 B a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et h r u s ta l l o c a t i o ns y s t e m ,m a t h e m a t i cm o d e lo f t h r u s ta l l o c a t i o ni se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dl a y o u to ft h r u s t e r s 3 Ah
11、y b r i da l g o r i t h mi sp r o p o s e dc o m b i n gP S Ow i t hS A ,w h i c hC a ne f f e c t i v e l y s o l v et h ep r o b l e mo fr u n n i n gi n t ol o c a le x t r e m u me a s i l yf o rP S O ,a n db e n c h m a r k f u n c t i o n sa r eu s e dt od e m o n s t r a t et h ee f f e c t
12、i v e n e s so ft h eh y b r i da l g o r i t h m 4 T h eh y b r i do p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi su s e df o rt h et h r u s ta l l o c a t i o nb a s e do n d y n a m i co p t i m i z a t i o nr e g i o n T h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni sm o d i f i e db yi n t r o d u c i n gt
13、h e p e n a l t yt e r ma d a p t i v ew e i g h t ,a n dt h e r e f o r et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h r u s t g e n e r a t e db yt h r u s t e r sm e e t i n gc o n t r o lc o m m a n d i si m p r o v e d 5 T h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h et h r u s ta l l o c a t i o ni s
14、d e s i g n e df o rs e m i s u b m e r s i b l e d r i l l i n gp l a t f o r mb a s e do nM a t l a b S i m u l i n k , a n dt h e ns i m u l a t i o n sa r ep r o v i d e dt od e m o - 英文摘要 n s t r a t ei t se f f e c t i v e n e s sf o r t h eD Ps y s t e mi nd i f f e r e n to c e a n i cc o n
15、d i t i o n s F i n a l l y , r e s e a r c hw o r kp r e s e n t e di nt h et h e s i sh a sb e e nc o n c l u d e dc o m p r e h e n s i v e l y a n df u r t h e rr e s e a r c ha s p e c ti sp o i n t e do u t K e yW o r d s :S e m i s u b m e r s i b l eD r i l l i n gP l a t f o r m ;D y n a m
16、i cP o s i t i o n i n g ;T h r u s t A l l o c a t i o n ;H y b r i dO p t i m i z a t i o nA l g o r i t h m , - U - 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 半潜式钻井平台推力分配方法研究现状2 1 3 本文主要研究工作4 第2 章半潜式钻井平台动力定位系统的数学模型5 2 1 半潜式钻井平台动力定位系统5 2 2 半潜式钻井平台动力定位数学模型6 2 3 环境载荷模型10 2 3 1 风载荷1 0 2 3 2 波浪载荷1 2 2 3 3 流载荷1 3
17、2 4 推力分配P I D 控制器设计1 3 2 5 半潜式钻井平台定位仿真1 4 2 6 本章小节1 9 第3 章半潜式钻井平台推力分配优化算法研究2 0 3 1 半潜式钻井平台推力分配系统2 0 3 1 1 推力分配原理2 0 3 1 2 推力分配执行机构2 1 3 1 3 推力分配数学模型2 2 3 2 模拟退火粒子群混合优化算法2 5 3 2 1 标准粒子群优化算法2 5 3 2 2 模拟退火优化算法3 5 3 2 3 模拟退火粒子群混合优化算法4 1 3 3 基于混合优化算法的推力分配实现4 5 3 3 1 推力分配动态优化区域4 5 3 3 2 推力优化分配的目标函数4 6 3 3
18、 3 推力优化分配算法实现4 8 3 4 本章小结。5 0 第4 章半潜式钻井平台推力优化分配仿真研究5 1 4 1 不同海况时的推力分配仿真5 1 4 2 不同目标函数参数的仿真分析。6 5 目录 4 3 本章小结6 6 结论6 7 参考文献6 9 附录A 风力参数表:7 3 致j 射7 7 半潜式钻井平台推力分配优化算法研究 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 随着陆地和近海油气资源的日益枯竭,大规模开发利用深海油气资源便成为 了时代的新主题,而且正逐步成为世界各国科技竞争的焦点。国际上一般将水深 超过+ 3 0 0 米海域的油气资源定义为深水油气,1 5 0 0 米水深以上为超水深。据
19、有关 资料显示,我国海上石油资源量约为4 5 0 多亿吨,天然气资源量约为1 4 万亿立方 米,其中南海以占有油气资源总量的三分之一居首,而且将近7 0 蕴藏于深海区 域。因此,深海油气资源的开发是我国未来能源战略的重中之重,海洋油气开发 设备的建设与研制成为保障这一能源战略的关键之一。 海洋油气资源的开发是从浅海逐渐过渡到深海的。早期的海洋石油开发主要 是面向近海海域,传统的导管架和重力式等平台就可以满足其钻采需求,此时的 钻井平台主要使用锚泊定位方式。直至上世纪6 0 年代深海油气才逐渐被开发。开 发深海油气资源所面临的海洋环境更加严峻,因此需要更为先进和可靠的设备来 完成,此时出现的钻采
20、设备主要有:张力腿平台( T L P ) 、S p a r 、半潜式平台 ( S e m i s u b m e r s i b l e ) 等。其中,半潜式平台是深海钻井作业中最主要的一种平台, 主要由浮体、立柱、甲板及上层建筑所组成,应用动力定位系统进行钻井作业。 传统的锚泊定位是依靠抛入海底的锚对海底淤泥的抓力来抵抗作业平台所受到的 外界干扰力,因此这种定位方式结构简单,不需要其它复杂的控制设备或推进设 备,经济性好。但是锚泊定位的缺点同它的优点一样明显:抛锚、起锚费时费 力,机动性比较差,且锚泊系统的抓底力会随着水深的增加而减弱,同时对定位 工具锚链的要求也变得更高,相应地定位费用剧增
21、【2 0 1 。而动力定位方式只需依赖 于自身的推进器系统不需要借助外力,应用这种方式定位的钻井平台建造和维持 费用较高,不过可控性和可操纵性比较强,而且具有广泛的适用性和良好的机动 性,即使在更深的海域,同样可以承担钻井和生产任务,其定位成本也不会随着 水深增加而增加,因此动力定位系统的研究意义显得越来越明显。 第1 章绪论 半潜式钻井平台动力定位系统主要由三部分组成:测量系统,控制系统及推 力分配系统【l 】。作为系统的主要组成部分,推力分配是将系统控制器计算得到的 推力和推力矩控制指令经过推力分配方程转换为推进器执行信号,然后传送给平 台上的各个推进器,以抵消外界环境干扰力的过程【2 1
22、 。如果推进器能够产生任何 方向并且任何大小的推力,那么仅用两个推进器就可以满足推力系统的需求。但 是推进器是一个机械设备,受诸多因素的影响不可能产生无限制大小的推力,并 且平台工作时的可靠性能是必须加以考虑的,所以半潜式钻井平台配置的推进器 数目不能过少,一般情况下多于5 个,此时的推力系统是一个过驱动系统,就需 要考虑推力分配逻辑问题。 综上所述,推力分配在半潜式钻井平台定位系统中有着举足轻重的作用,它 提供给平台定位所需的推力以抵消外部环境干扰力,同时决定着定位系统的可控 性,及系统的功率消耗。但是,能否将控制指令快速准确地分配给推力系统的各 个推进器,并且达到整个半潜式钻井平台定位系统
23、功耗最小,取决于推力分配算 法的优劣,因此对于推力分配的优化算法研究显得尤为重要。 1 2 半潜式钻井平台推力分配方法研究现状 半潜式钻井平台定位系统中,推力分配是指针对定位系统中的多个推进器, 在允许的时间里,同时在考虑诸多物理约束的条件下,计算出安装在平台上的每 个推进器应该在什么方向上产生多大的推力,而且找出可能的多个推力和方向组 合中最好的那一种分配,并产生相应的执行指令。基于推力优化分配目标函数的 不同,目前国内外对推力优化分配方法的研究主要分为两大类: 1 、未考虑避免奇异值 早期的推力优化分配目标函数均是以功耗为主,同时考虑推力误差线性约束 或是是将推力误差转化为惩罚项加入到目标
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 半潜式 钻井平台 推力 分配 优化 算法 研究
链接地址:https://www.31doc.com/p-3580689.html