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深海半潜式平台上部模块布局关键技术综述

人气: 时间:2019-09-03 23:09 来源: 作者:

  

海洋平台作为海洋油气开采的关键设备,其设计和建造技术代表着国家海洋石油装备的最高水平。按照功能划分,海洋平台主要分为钻井平台和生产平台。钻井平台上装有钻井、动力、通讯、导航等设备,以及安全救生和人员生活设施。生产平台主要用于海洋油气的开采、处理和外输等。相比钻井平台,生产平台装有各种油气处理设备。按照海洋平台的运动形式划分,平台可分为固定式和浮动式。浮动式平台因其适用海域更为广阔,越来越多地被用于深海和偏远油气田的开发,而浮动式平台以半潜式平台最为常见。作为海洋油气开发的重要依托,深海半潜式平台具有较强的抗风浪能力、巨大的甲板面积和超大装载量,适应海域广阔,且具有稳定性好、运动性能佳等诸多优点 。因此,深海半潜式钻井平台和深海半潜式生产平台是目前深海油气开发的关键装备。


深海半潜式平台的处理量大、功能齐全、设备繁多,如何获得合理的设备和管路布置方案是深海半潜式平台设计的重要内容。平台利来最给力的老牌布局问题通常涉及平台作业工艺,平台稳性、安全逃生、操作维护等工程约束,并做到设备有序排列,管道短、无干涉,节约甲板空间,如何设计出符合工程约束且安全经济的平台布局方案也是目前平台设计的难点之一。以前,海洋平台布局方案的确定多依赖设计人员的经验,其设计周期长、效率低、工作量大且很难得到最优的布局方案。因此,针对深海半潜式平台上部模块开展布局优化方法研究是目前海洋工程界中重点关注的研究方向,对提高海洋平台的设计效率、节约设计成本、提高平台稳性以及合理空间利用率等方面具有重要意义。



1 海洋平台设备布局优化概述


 

海洋平台的设备布局属于复杂系统布局问题。海洋平台布局问题 是一种在给定的分层布局空间中合理地布置若干待布物,同时满足油气处理工艺流程、平台稳性、安全逃生路径、有序排列、管道短且无干涉,操作维护等工程约束,甲板空间占用少等的约束,属于某些评价指标达到最优或较优状态的多约束、多目标优化空间布局或三维布局问题。复杂三维布局涉及到机械、计算机和数学等多种学科交叉,理论描述复杂,建模和求解困难,难以达到工程实用,具有计算复杂性、工程复杂性和工程实用化三重难度。因此,对这些复杂工程系统的布局优化方法及其工程实用化途径和技术的研究已经成为亟待解决的问题。

目前,带性能约束的布局问题的求解方法主要有启发式算法,演化算法,人工智能方法 、图论法 、协同设计和多层优化 、虚拟设计等 、多学科方法以及成组技术等。


国外在带性能约束三维布局方面进行广泛系统研究,并 进 行 部 分 工 程 实 用 化。美 国 CarnergieMellon大学Cagan 教授研究了带性能约束的发动机舱、热力泵的布局设计问题,其采用惩罚函数法和数值优化算法,直接处理此类布局问题。Braun等采用多层协同优化方法处理单级轨道运载火箭的布局设计问题。美国Clemson大学Fadel 教授研究了一类卫星舱布局设计相类似的带性能约束的配置设计问题。



国内在带性能约束三维布局问题方面研究较早的是黄文奇、詹叔浩的拟物法,晏敏等提出的专家系统、方图法 。对三维布局研究较多是大连理工大学、西北工业大学和国防科技大学等,其中大连理工大学自1995年到2017年有多篇博士论文研究卫星、飞船等飞行器布局,设计方法主要有多种改进 遗 传算 法、人 机 交 互算法、协同算法等多种方法。



在海洋平台布局设计领域,国内的研究处于初期阶段,中国石油大学在该领域进行了一定研究。岳吉祥针对深水钻机系统的设备布局,提出基于生产流程层次分解布局法。杨轶普提出空间向心法,基于钻井工艺流程,以钻井中心为核心将平台划分为 4 大层次,不同层次进行总体布局规划。鲁桂荣建立了半潜式钻井平台上甲板钻井设备布局的数学模型,并用遗传算法完成了布局优化。魏可可在鲁桂荣的基础上,进一步完善了半潜式钻井平台上甲板钻井设备布置的数学模型,应用遗传 - 模拟退火算法对钻井平台布局问题进行求解。田雪等将遗传算法与模拟退火算法结合,求解深水钻井平台上甲板布局问题,如图 1 所示。王逢德等针对海洋钻机系统布局优化问题,提出一种杂交动态惯性权重粒子群算法,并将约束条件作为目标函数,获得的布局方案完全符合钻井作业要求,并且该方案主辅井口布置合理,占用空间小。吴磊等通过在基本遗传算法中融合父子三分排位和直接选择机制,设计了一种自适应遗传算法,并将其应用于半潜式钻井平台钻井设备布局优化问题,通过仿真结果可知,该方法所获得布局方案的横向偏移量满足设计要求。此外,针对带有中心块的二维矩形块最小化问题,吴磊等分别提出 2 种不同的改进启发式中心块布局算法,并利用该算法求解了半潜式生产平台油气水处理系统设备布局优化问题,验证了所提算法的实用性和高效性。


目前,海洋平台的设备布局方案在实际设计时主要依赖设计师经验而定,理论依据和指导相对较为缺乏。以半潜式生产平台为例,此平台是集聚大量设备、管路的复杂大系统,甲板层数多,甲板布局涉及采油、外输、油气处理、动力、安全和公用设施等诸多系统设备,并尤以油气处理系统的布局最为复杂和重要。总体布局既要满足油气生产的需要,又要满足平台总体性能的需要。

 

2 管路布局优化概述

 

管路布局设计是指在满足各种约束的前提下,规划出一条连接起点与终点路径的过程。设计过程中,管路与舱壁、设备、过道、已铺设管路等不发生干涉,并且满足物理约束、经济约束、安全约束、维修约束、操作约束等各项性能约束条件。由于布局空间及约束的复杂性,管路布局设计在技术上一直是一个难点。


管路布局设计问题的研究经历了由二维布管发展到三维布管,简单约束发展到多目标、多约束,单管路发展到分支管路、多管路的过程。CY Lee提出了一种求解平面上两点间最短路径的方法———迷宫算法,Lee 算法或网格扩散法,本质是基于波扩散原理的逐点搜索法。Chang PY等提出一种迷宫路由算法,应用于芯片布线设计,以满足纳米布线规则;陈鹰等应用该方法求解液压管路的布局问题;樊江等对迷宫法进行改进,并结合最小斯坦纳树生成法求解航空发动机外部管路布局问题。为克服迷宫法的缺陷, Hightow -er提出逃逸算法;Schmidt- Traub 将此方法应用于厂房管路布局;Burdorf也应用该方法成功求得厂房中最优管路。Zhu算法又称动态规划法,最早将其 应 用 于 管 路 布 局 设 计 的 是 David Zhu 和Jean - Claude Latombe ,其思想是基于机器人的路径寻优,管路路径为机器人走过的路径。



智能优化算法作为一种新兴的优化技术,近年来受到了越来越广泛的重视。智能优化算法在处理复杂的多约束非线性优化问题时具有很好的鲁棒性,目前已被成功应用于很多优化问题中。因此,应用智能优化算法解决管路布局问题也逐渐成为近年来管路布局领域的一个热点研究方向 。密歇根大学的John H.Holland科研组,受生物界自然选择和进化的启发,提出了遗传算法。经过多年发展,遗传算法因其鲁棒性、并行性和随机性,已被广泛应用于求解管路布局优化问题,结果显示了遗传算法的有效性和高效性。最典型的是日本的 TeruakiIto,其应用于二维管路布局设计,并取得良好进展。国内最早将遗传算法应用于管路布局的是樊江教授,他将其应用于航空发电机管路布局设计;伊鹏等将遗传算法应用于海上平台泥浆管汇布局设计;沈龙泽在其基础上对遗传算法进行改进,提出基于可控干预的模拟退火遗传管路布局算法,完成泥浆管汇布局设计;高跃峰基于遗传算法,对船舶机舱管路的自动布置方法进行研究;王运龙等 基于人机合作理论,通过改进遗传算法,将人工解与算法解结合起来,对船舶管路三维布置问题进行优化。



M.Dorigo等人首先提出蚁群算法,其思想来源于自然蚁群觅食行为。范小宁首先将蚁群算法应用于船舶管路布局优化设计中,将布局空间栅格化处理,建立蚁群管路布局系统,提出信息素更新方式、局部搜索方法,并与协同进化算法结合,构建了解决多管路布局的多蚁群协作式协同进化算法;邬君将蚁群算法与协同进化算法结合,应用于分支管路布局优化设计;曲艳峰等提出一种动态蚁群算法,应用于三维管路布局,提高了收敛速度、增强了全局寻优能力;田雪基于蚁群算法设计了满足多个约束条件的三维管路布局优化方法,并将其成功应用于半潜式生产平台,如图 3 所示。此外,付宜利等分别应用粒子群算法与混浊算法对机电产品的管线布局问题进行了研究,并通过仿真试验验证了算法的有效性。柳强等应用粒子群算法对航空发动机的管路布局问题进行了探索。华盛顿大学的Park和Storch 设计了一种满足几何约束的单元生成法,其在改进中独特地引入了方向导引的概念。在对待分支管路的问题上,其将分支管路划分为End - forked和 Middle - forked两种类型进行处理,并依据管路布局过程中的物理约束、生产及安装约束及经济约束等建立管路评价目标函数,最终构建了船舶管路路径规划体系。



管汇布局设计是管汇系统设计步骤中的首要部分,占具时间较长,在海洋平台上,由于平台空间有限,管路数量众多、紧凑,约束条件复杂等原因,在实际管汇布局设计中主要依靠设计人员的经验,反复思考,进行手工设计,造成设计周期长,精度低,工作量繁重,滞后于其它先进的设计技术,影响了管汇系统的设计效率和性能,制约了我国海洋平台的发展进程。



3 布局方案评价体系概述


 

海洋平台布局的合理性关乎到平台的作业效率、安全性和可靠性,必须给予重视。在进行平台布局时,设计者需要综合考虑各方案的钻井效率、质量分布、安全性、经济性和自动化程度等因素,建立布局方案的评价体系,从多种备选方案中优选出最佳方案。


国外相关研究开展较早,且已形成产品投入实际应用。英国格拉斯哥斯特拉思克莱德大学 A.I.Olcer 等人针对滚装船的舱室划分设计问题,提出了一种新的多目标决策方法,采用模糊多属性群决策方法对解集中的方案进行评价与排序。波兰格但斯克工业大学Zbigniew Kowalski等人将案例推理方法应用于船舶机舱布局设计专家系统,通过计算相似度选用母型方案。



哈尔滨工程大学的马中亚 、张广磊等运用层次分析法和模糊综合评价法对民船和舰船总布置进行赋权分析和综合评价。中国舰船研究设计中心的王健、陈立等基于改进的蚁群算法,提出针对舰船总布置的综合评估算法。李俊华等在文献中提出基于重心排序的模糊综合评价方法,应用于舱室布置方案的综合评价。李康等人在犹豫模糊语言和直觉模糊语言的基础上,提出了双犹豫模糊语言决策方法,给出了权重未知情况下的钻井平台布局多属性决策方案。



关于建立布局方案评价指标体系中指标的确定,目前也是一个尚在探讨的问题,指标考虑太多,评价体系会变得相当复杂,其中指标的量纲不同,有的指标也难以定量,指标太少又影响评价结果的客观性和可信度,因此建立一个既可信又有可操作性的海洋平台布局方案评价指标体系仍然有较大的难度。


4 关键技术与发展趋势

 

通过对海洋平台设备布局优化、管路布局优化和布局方案评价体系进行概述,结合海洋平台布局的总体发展趋势,可以预见深海半潜式平台上部模块布局还要在以下两个方面进行改进。
1 ) 复杂的三维布局问题求解困难在于存在组合爆炸,如何将现有三维布局优化方法和其他优化算法成功地应用于求解多约束多目标海洋平台的三维布局优化问题仍有待解决。
2 ) 设备布局设计与管路布局设计之间相互作用,相互影响,将其分成两个独立的设计模块,通过组合方式所获取的设计方案可能不是全局最优方案,设备布局与管路布局的协同优化方法有待研究。




5 结语


 

本文概述了国内外海洋平台布局的研究现状,对目前存在的问题进行了分析,并提出了深海半潜式平台上部模块布局中有待解决的两个关键技术。总体来说,深海半潜式平台已经得到了越来越多的应用,通过开展深海半潜式平台上部模块布局研究工作,获得更为高效合理的深海半潜式平台上部模块布局方法,将是未来海洋石油装备领域的关键问题之一。