Hogyan működik a subsea BOP hidraulikus vezérlőrendszere?

A subsea BOP rendszer alapvető fontosságú a mélytengeri fúrási műveletek biztonságos környezetének biztosításában. A rendszer központjában a BOP vezérlőrendszer áll, amely egy komplex elektromechanikai hidraulikus összetett rendszer. A BOP megbízhatóságának növelése érdekében a rendszer általában teljes folyamatú redundáns kialakítást alkalmaz. Azonban ez a tervezés növeli az adatforgalmat és megnehezíti a hibajellemzők azonosítását, ami kihívásokat jelent a hibadiagnosztikai folyamatokban.

A subsea BOP vezérlőrendszerének hibadiagnosztikája nemcsak az adott rendszer, hanem más komplex, redundáns tervezéssel rendelkező vezérlőrendszerek hibáinak felismeréséhez is értékes információkat nyújthat. A rendszer egyik legfontosabb komponense a vezérlőrendszer, amely elektronikus vezérlőrendszerből, támogató hidraulikus vezérlőrendszerből és érzékelőkből áll. A hidraulikus vezérlőrendszer fő áramkörét a fő vezérlőszivattyú és a fő vezérlőszelep vezérli. Ez az áramkör további két ágra oszlik: egy magasnyomású és egy alacsonynyomású ágra, amelyeket egy sokszínűségi szeleppel választanak szét.

A teljes rendszert egy kettős redundáns vezérlőrendszer alkotja, amely kék és sárga dobozokra van osztva. Mindkét vezérlőegység önállóan végzi el a subsea BOP csoport összes szükséges funkcióját. Az ilyen nagy léptékű mérnöki berendezések, mint a BOP-ok esetében, mivel a legtöbb berendezés normál üzemmódban működik, az aktuális hibás adatokat gyakran hiányosak és kiegyensúlyozatlanok, ami megnehezíti a magas hűségű virtuális modellek kialakítását. Ezt a kihívást egy olyan kísérleti platform alkalmazásával oldották meg, amely a HYSY981 fúróplatform BOP vezérlőrendszerén alapul. A cél, hogy a már ismert áramkörök és jelek alapján előzetesen teljes adatokat gyűjtsenek a mérnöki rendszerből.

A kísérleti platformon összesen hét munkakörnyezetet szimuláltak, beleértve hat gyakori hibát és egy normál állapotot. Az egyes hibákat manuális szelepekkel és hibás alkatrészek kicserélésével generálták. A szimulációkat egy Intel Core i7-10700K processzorral (3,8 GHz), 32 GB DDR4 memóriával és egy NVIDIA RTX 3080 GPU-val ellátott munkaállomáson végezték. Ez a hardver konfiguráció biztosítja a számítási hatékonyságot a komplex szimulációk és mélytanulási edzés során.

A teljes adatfolyamat a következőképpen zajlik: először a virtuális modell viselkedését szimulálják normál és hibás üzemeltetési körülmények között. Ezt követően a kísérleti eszközből származó adatokat használják a virtuális modell pontosságának ellenőrzésére. Azután a virtuális adatokat bidirekcionális adatkonzisztencia-értékelési (BDCE) keretrendszerrel optimalizálják, amelyet valós adatként használnak. Végül az optimalizált virtuális adatokat és a kísérleti adatokat twin adatként kombinálják, hogy növeljék az adathalmaz sokféleségét és megbízhatóságát. Ezt az adatot használják a hibaészlelési modell betanítására és ellenőrzésére.

A virtuális modellek ellenőrzése során a modell alapvető összetevőit numerikus módon rekonstruálják, hogy a virtuális modell minél közelebb kerüljön az aktuális rendszerhez. A rendszer hidraulikus vezérlő rendszerének különböző alrendszereit alkalmazzák tesztelésre, például a meghajtó egység és a vezérlő egység modellezését. Az egyes komponensek, mint a hidraulikus ellenállás, a szelepek és a szabályozó mechanizmusok megfelelő működése az alkalmazott modellek segítségével biztosítható. Az eredményeket szimulációval ellenőrzik, és az elvárt viselkedést összehasonlítják a valós adatokkal. Az így kapott eredmények megerősítik, hogy a virtuális modell helyesen tükrözi a valós működést, és az előre jelzett viselkedés megegyezik a valós fizikai rendszerekével.

Hogyan érhetjük el az optimális érzékelő elhelyezést a hidraulikus rendszerek hibadiagnosztikájában?

A hidraulikus rendszerek megfelelő működése elengedhetetlen azok biztonságos és megbízható működéséhez. Különösen fontos a mélytengeri alkalmazások esetében, mint például a tenger alatti BOP (Blowout Preventer) hidraulikus rendszere. E rendszerek hibáinak gyors felismerése és kezelése kulcsfontosságú a drága és veszélyes katasztrófák elkerülésében. A helyes érzékelő elhelyezés, mint az optimális diagnosztikai eredmények elérésének alapja, nem csupán az érzékelők számát, hanem azok elrendezését is figyelembe kell venni.

A gyakorlatban, amikor egy hidraulikus vezérlőrendszer optimális érzékelő elhelyezését vizsgáljuk, a cél egy olyan elrendezés megtalálása, amely minimalizálja a hibák detektálásának idejét, ugyanakkor biztosítja a rendszer megbízhatóságát és biztonságát. A hidraulikus rendszerek érzékelő elhelyezésének optimalizálása figyelembe kell vegye a különböző komponensek munkafeltételeit, mint a nyomás, használati frekvencia és külső környezeti tényezők. Az optimális elrendezés biztosítja, hogy a hibák gyorsan felismerhetők legyenek, még akkor is, ha azok ritkán vagy váratlanul fordulnak elő.

A következő szakaszokban megvizsgáljuk a tenger alatti BOP rendszerének érzékelő elhelyezését. A NOV 3000 m vízmélységű BOP-ja, amelyet a HYSY-981 hordoz, a vizsgált rendszer, és az optimális érzékelő elhelyezés javítása érdekében alkalmazott módszertani megközelítések. A rendszer három fő részből áll: egy sárga egységből, egy kék egységből és egy vészhelyzeti hidraulikus tartalék rendszert (EHBS). A két fő vezérlő egység redundáns, azaz ha az egyik meghibásodik, a másik átveszi annak működését, biztosítva ezzel a folyamatos működést.

A hidraulikus vezérlőrendszer érzékelőinek elhelyezésének optimalizálására javasolt új módszerek a hidraulikus komponensek különböző nyomás- és használati jellemzőit figyelembe veszik. Az elméleti modellek szerint az optimális elhelyezéshez a legjobb eredményeket a szenzorok elosztása biztosítja, figyelembe véve a rendszer komponenseinek különböző terhelését és élettartamát. Az érzékelők hatékonysága nagyban függ a komponenstől, amelyet figyelnek, és az alkalmazott módszer eredményeként a rendszer diagnosztikai képességei jelentősen javulnak, ha megfelelő számú és elrendezésű érzékelőt alkalmazunk.

A kutatás során végzett Monte Carlo szimulációk alapján kiderült, hogy az optimális érzékelő elhelyezés javíthatja a hibadiagnózist, csökkentve a hibák felismeréséhez szükséges időt (MTTD), így növelve a rendszer megbízhatóságát. Az érzékelők száma és azok elhelyezése alapvetően meghatározza a rendszer hibadiagnosztikai hatékonyságát. A kutatásban használt módszer egy "széleskörű eloszlású érzékelő elhelyezési rendszert" is figyelembe vesz, amely a gyakorlatban gyakran alkalmazott, de a kutatás során kiderült, hogy nem a leghatékonyabb. Az optimális elrendezés 10%-kal növelheti a diagnosztikai hatékonyságot a hagyományos megoldásokhoz képest, miközben jelentősen csökkenti az érzékelők számát.

Fontos, hogy a rendszer megbízhatóságának növelése érdekében az érzékelők nemcsak számos helyen, hanem az egyes komponensek működési jellemzői szerint legyenek elhelyezve. A javasolt eljárás nemcsak csökkenti az érzékelők számát, hanem maximalizálja azok hatékonyságát, figyelembe véve az egyes hidraulikus komponensek eltérő működési körülményeit. A gyakorlatban a javasolt elrendezés stabil diagnosztikai eredményeket biztosít, és a rendszer bármely hibája gyorsan észlelhető.

A szimulációk során figyelembe vett különböző környezeti és rendszerállapotok, mint a különböző nyomások és a gyakori használat, kulcsfontosságúak a rendszer élettartama és megbízhatósága szempontjából. A modellek alapján az érzékelők optimális elhelyezése a rendszer stabilitását és diagnosztikai képességét nagy mértékben javítja. Az ilyen típusú hidraulikus rendszerek esetén különösen fontos, hogy az érzékelők elhelyezése figyelembe vegye az egyes komponensek különböző működési körülményeit, hogy a diagnosztikai hatékonyság maximálisan kihasználható legyen.