Den marina offshoremarknaden

MarintronicsTM optimering av marina kraft- och automationssystem med industriell IT Trygve Lauvdal, Asgeir Sørensen, Alf-Kåre Ådnanes, Jann-Peter Strand, Jan Fredrik Hansen, Ole J. Sørdalen ABB är en ledande leverantör av elkraft- och automationssystem. Företaget erbjuder integrerade lösningar för den marina marknaden. Bland lösningarna kan nämnas elkraft-, automations- och positioneringssystem. Med Marintronics stärker ABB fördelarna för kunderna. Idag går det att välja en integrerad lösning från ABB som innehåller nya programvarufunktioner som minskar konstruktions- och driftskostnaderna. Samtidigt ökar tillförlitligheten och säkerheten under drift. De nya programvarufunktionerna är implementerade som analysverktyg för konstruktion och dynamik inom det totala integrerade systemet. De har formen av ett energiadministrationssystem, operatörsstöd och nya positioneringsfunktioner där kunskap om övriga systems struktur och dynamiska egenskaper utnyttjas. Den marina offshoremarknaden innefattar fartyg och plattformar för oljeprospektering, borrning, produktion, lastning, rörledningsläggning och service. Som regel kräver sådan verksamhet stora mängder energi, dyrbara installationer för energiproduktion, säker och tillförlitlig driftsutrustning och pålitlig driftstyrning. Summan av belastningarna från produktion, borrning, hjälpsystem, positionering och bostadsutrymmen gör att den installerade effekten typiskt ligger inom området 25 50 MW. Hela detta effektbehov fylls av ABB:s integrerade dieselelektriska lösning med kraftsystem, automation och positioneringssystem. Eftersom alla elenergiförbrukande laster (t.ex. positionering/framdrivning, borrning och automationsprocesser) är sammankopplade via ett gemensamt matningssystem finns det en enorm potential att minska energiförbrukningen och rökgasemissionerna och öka driftsäkerheten. Hemligheten är att utnyttja fördelarna med integration till det yttersta. Marintronics introducerar nya lösningar inom ramen för Industrial IT, med programvaruverktyg och funktioner som ger kunderna ett bredare urval då de jagar en funktionellt integrerad totallösning från ABB. Kostnaden för den övergripande konstruktionen av kraft-, automations- och positioneringssystem minskar tack vare analysförmågan i ett nytt programvaruverktyg. Verktyget står för ömsesidig interaktion mellan delsystemen i konstruktionsfasen och senare under driften av anläggningen. Följaktligen, genom att öka den totala stabiliteten sett till bättre förutsägbar prestanda för den installerade utrustningen, kan konstruktionen göras mindre konservativ och därmed mindre kostsam. Driftskost- 28 ABB tidning 1/2000

Information management Simulation Remote diagnostics Plant network Dynamic positioning network Safety systems Power management Fieldbus network Distributed control 1 Marintronics utnyttjar den fysiska nätverksintegreringen i olika ABB-system och -produkter. naderna minskar på grund av den förbättrade kraftsystemkonstruktionen för varje fartyg/plattform och det nya EMS-systemet (Energy Management System). Vidare tillkommer nya funktioner i positioneringssystemet, där processkunskapen också utnyttjas till fullo. Genom att använda kunskapen om kraftsystemet i positioneringssystemet, och om positionerings- och automationssystemen i EMS, kan energiförbrukningen och rökgasemissionen minskas. Driftsättningstiden och -kostnaden minskar på grund av omfattande förkonstruktion med en totalsystemsimulator. På motsvarande sätt gäller att den totala systemkunskapen kan återanvändas i programvaruverktyg för analys online och offline, liksom för operatörsupport. Detta ökar såväl den driftsmässiga tillgängligheten som säkerheten. För en översikt över ABB:s positioneringssystem hänvisas till referenslistan. Marintronics Marine Systems), operatörer (Smedvig Offshore) och oljebolag (Norsk Marintronics är ett internationellt F&U-projekt med deltagare från både Hydro). ABB Corporate Research, Finland och Norge. Det internationella projektkonsortiet består av leve- Norska tekniska högskolan (NTNU) forskningsinstitutet Marintek och rantörer av fartygsutrustning (ABB), är huvudsakliga F&U-partners i projektet, medan ABB Industri har det konstruktörer (Ulstein Ship Technology som är en del av Rolls Royce övergripande projektansvaret. 2 Genom sin mellanteknik kommer ABB att noggrant utveckla en integrerad lösning som optimerar fartygets funktion och minskar dess livscykelkostnad. ABB tidning 1/2000 29

3 Design Testing Training External External Projektet stöds av Norska forskningsrådet (NFR) och ingår i Eureka på grund av dess betydande potential inom områdena energioptimering och minskad emission av CO x /NO x. Centralpunkten för projektet har varit att utnyttja den fysiska nätverksintegreringen i olika ABB-system och -produkter 1, liksom kunskapen om de dynamiska egenskaperna för de underliggande fysiska processerna och deras ömsesidiga samverkan. Denna funktionella integrering av kraftgenerering, kraftdistribution, automation, positionering och framdrivning för fartyg och olje- och gasplattformar är kärnan i Marintronicsprojektet 2. Därför kan ABB:s kompetens och förmåga inom automations- och kraftteknik utnyttjas till fullo och kombineras med processkunskap, till fromma för såväl kunder som miljö. Total anläggningssimulering Alla flytande och fasta offshoreinstallationer, oberoende av om de används för borrning, produktion eller service, har ett antal processer som utgör goda simuleringsmodeller. Numerisk simulering har visat sig vara det effektivaste analysverktyget vid konstruktion och verifiering av anläggningsprestanda och Operator Simulatoruppställning vid olika projektsteg 4 Gemensam simulatorkärna för olika typer av simulering Power data Vessel data Propulsion data External Operator Kernels Real-time Common Off-line robusthet, medan simulatorer även används i senare skeden, som i beslutsstödsystem för operatörerna för att garantera säker drift. Här talar vi i första hand om borrning, framdrivning, kemiska processer etc. För alla flytande offshoreanläggningar finns det två processer som simuleras i hög grad redan idag, nämligen fartygsrörelserna under inverkan av vind- och våglast och elkraftsystemet. Å ena sidan finns det diverse verktyg, vanligen konstruerade av elkraftindustrin och utnyttjade av denna, för att simulera elkraftsystemen. Å andra sidan har leverantörer av positioneringssystem, fartygskonstruktörer etc. sina egna fartygsmodeller för att prova styralgoritmer och/eller verifiera konstruktioner. Följaktligen har situationen för industrin hittills varit att simulering av fartygsrörelser och kraftsystem separeras såväl kompetensmässigt som verktygsmässigt. Så är fallet även om de båda kompetensområdena är starkt kopplade till varandra, eftersom styr- och framdrivningspropellrarna hör till huvudförbrukarna i kraftsystemet. Ett exempel på funktionell integration som har utvecklats inom ramen för Marintronics -konceptet är interaktionen mellan kraftadministrationssystemet (PMS, som styr kraftsystemet) och positioneringssystemet, i syfte att undvika oönskad lastfrånkoppling och, i värsta fall, blackout på grund av stor belastning från framdrivningspropellrarna. Så vitt känt finns det, förutom de simulatorer som utvecklats här, inga programvarupaket som kan användas för simulering av den totala farkostens automations- och kraftanläggning, även om en sådan produkt skulle vara av avgörande betydelse för att verifiera och optimera styrstrategierna och garantera Real-time Off-line 30 ABB tidning 1/2000

en bränsleoptimal fartygsprestanda i kombination med högsta möjliga säkerhet. Inom ramen för Marintronics har en nyskapande total fartygssimulator tagits fram, som kombinerar tillgängliga resurser med hög kompetens inom områdena kraft, hydrodynamik och styrteori. Därför går det idag att samtidigt simulera elkraftsystemet och fartygets rörelser med sex frihetsgrader. Den totala fartygssimulatorn erbjuder flera fördelar. För det första är det en flexibel testbänk för avancerade integrerade styrstrategier, som t.ex. ABB Energy Management System, för att uppnå säker och ekonomisk konstruktion och drift. För det andra ger den integrerade fartygssimulatorn som används i laboratorieuppställningen möjlighet att genomföra PMS-konstruktion av de aktuella uppgifterna inom huset, vilket annars skulle ha fått göras på plats. 5 Enlinjeschema för simulering av kraftsystem Gemensamma simuleringsverktyg I processen att bygga ett nytt offshorefartyg, från konceptlösning till driftsättning, används datorsimulering för flera olika ändamål. De tre huvudområdena är följande: Konstruktionsverifiering Provning av programvara Operatörsutbildning Det är uppenbart att olika krav råder för datorsimulering inom de olika projektstegen. Av tradition olikartade parter är engagerade i utveckling och användning av de olika simuleringspaketen 3. Med tanke på att de underliggande kraven för alla de tre nämnda simuleringsverktygen är gemensamma, dvs. att förutsäga fartygets rörelse eller kraftsystemets prestanda med en önskad noggrannhet, har ABB utvecklat en gemensam simulator som kan användas inom alla projektsteg. Den nya installationen består av tre moduler: två realmoduler, varav en används för realtidssimulering och den andra för offlinesimulering, samt en gemensam styrmodul 4. De tre modulerna använder samma filformat och kan kombineras för att bilda två olika återkopplande system. Ett arbetar i realtid och ett arbetar offline. Samtliga moduler är självkonfigurerande utgående från processanläggningens parametrar. Exempelvis anpassar sig styrsystemet automatiskt till det givna antalet styrpropellrar. 6 Modell av ABB SAMI Megastar som används i kraftsystemsimuleringar ABB Integrated Vessel Simulator ABB Integrated Vessel Simulator har utvecklats inom ramen för Marintronics för att tillåta total simulering och integrering av befintliga simuleringsverktyg. Teknisk utmaning Den huvudsakliga tekniska utmaningen vid samtidig simulering av elektriska och mekaniska system är de olika fysiska egenskaperna. Dynamiken i ett mekaniskt system är långsam (tidskonstanterna är typiskt större än 1/10 s), medan elektriska system har snabb dynamik (tidskonstanterna understiger typiskt 1/10 s). Utgående från den kompetens kring elkraft som fanns i huset förbättrades kraftsystemmodellerna, medan den erforderliga noggrannheten i simuleringarna upprätthölls. Beskrivning För att skapa ett användargränssnitt som både skulle vara lättförståligt för kunderna och enkelt att använda har dra/släpp-principen utnyttjats. Utgående från ett elementbibliotek kan användaren rita upp ett kom- ABB tidning 1/2000 31

7 Bildskärmsutskrift av kraftsystemsida i ABB:s realtidssimulator, konfigurerad för borrplattformen West Venture plett enlinjeschema och använda övertonsstörningar och kortslut- detta för sina simuleringar. Bibliningsnivåoteket innefattar alla ABB:s kraftsystemprodukter som är relevanta för marina tillämpningar, som ställverk, generatorer, transformatorer, motorer, strömriktare etc. Dessutom kan parametrar specificeras för samtliga block. Exempelvis genom att dubbelklicka på ett strömriktarblock öppnas fönstret som visas i Samtidig integrering av kraftsystemdynamik och diverse tunga laster, som borrmotorer och styrpropellrar. Beräkningen av styrpropellerlasten bygger på fullständiga tidsdomänsimuleringar för positionering. Tidsserieanalyser av olika system, som matning, positionering och borrning. Styrförmågediagram där tillgänglig effekt för varje enskild styrpropellermotor beaktas. Primär analys av kraftsystemets 5 6 Enkel generering av realtidsversion för test och demonstration av programkod. Ett exempel på en display av ett reellt kraftsystem i realtidsversion visas i 7. Verifiering. Där ABB Industri har nyligen levererat kan strömriktarmodellen specificeras till spänning och effekt. automation och positioneringssys- en totallösning, inklusive elkraft, Simulatorn har följande egenskaper: tem, till borrplattformen West Venture av typen semi-submersible. Plattformen tillhör Smedvig Offshore. Den byggdes av Hitachi Zosen, Ariake i Japan och stod klar för drift i början av år 2000 8. Under provning till havs i Japan (september 1999) och Norge (december 1999) loggades mätdata från kraftsystem, styrpropellrar och fartygsrörelser. Uppmätta data jämfördes med datorsimuleringarna. Simulatorn visade utmärkt överensstämmelse med uppmätta värden för samtliga simulerade anläggningsparametrar. 9 visar två exempel, nämligen bränsleförbrukning för generatorerna 1 och 2 och varvtalet i styrpropeller 1. Dessutom har dynamiken för varje kraftsystemkomponent verifierats med simuleringarna i den extremt noggranna kraftsystemsimulatorn SimPow. Styrning av styrpropellrarnas vridmoment En viktig funktion i ABB:s positioneringsstyrsystem är regulatorn för styrpropellrarnas vridmoment, som minskar störningarna på kraftsystemet samtidigt som positioneringsnoggrannheten förbättras. Denna funktion ökar fördelarna med ett integrerat kraft- och positioneringssystem från ABB. 8 West Ventureborrplattformen av typ semi-submersible 32 ABB tidning 1/2000

900 800 700 600 F[kg/h] a 500 300 n[rpm] 400 200 0 0 200 400 600 800 0 200 400 600 800 t[s] b t[s] 9 Verifiering av kraftsystemsimulator. Plottning a visar den simulerade och uppmätta bränsleförbrukningen (F) för generatorerna 1 och 2, medan plottning b visar simulerade och uppmätta varvtal (n) för styrpropeller 1. Röd Simulerat Blå Uppmätt t Tid RPM input Positioneringsregulatorn beräknar kraftbörvärden för rullning och svajning samt moment i girar. Allokeringsalgoritmer för styrpropellrarna fastställer motsvarande kraft och riktning från varje styrpropelleraggregat, för att uppfylla positioneringsregulatorns kommandon. I konventionella system har signalerna för den slutliga propellerbladvinkeln eller varvtalsbörvärdet (RPM) fastställts från stationär propellerkraft till varvtals/bladvinkelrelationer, vilka bygger på information om styrpropelleraggregatets karakteristik och data från dragkraftprov vid kaj som utförts av styrpropellertillverkaren. Dessa förhållanden kan senare modifieras under prov till havs. Emellertid påverkas de starkt av lokala vattenflöden kring propellerbladen, skrovkonstruktion, driftfilosofi, fartygsrörelser, vågor och vattenströmmar. I konventionella positioneringssystem tar reglersystemet ingen hänsyn till variationer i dessa förhållanden. Detta resulterar i minskad nog- 10 Olika inneboende egenskaper för konventionell varvtalsreglering och vridmomentreglering Variable torque Power Torque input Constant torque Power grannhet och responstid vid positionering. Dessutom kan variationerna leda till försämring av prestanda och stabilitet i elkraftsystemet på grund av oönskade toppar och dalar som orsakas av fluktuationer i kraftuttaget från propelleraxlarna. De oförutsägbara lastvariationerna tvingar operatören att ha mera effekt tillgänglig än vad som egentligen skulle vara nödvändigt, och därför kommer dieselgeneratorerna i genomsnitt att arbeta flera timmar vid lägre effekt. Detta innebär i sin tur ökad motorförslitning och ökade underhållskostnader. I ABB:s koncept används styrpropelleraggregatens vridmoment och propellerkrafter för att mappa vridmoment- och effektbehovet och därmed för att styra framdrivnings- och styrpropellrar. Börvärdet till styrpropellrarna är ett momentvärde istället för ett RPM/bladvinkelvärde. Detta angreppssätt minskar ovannämnda problem. Prestanda och stabilitet för det elektriska kraftnätet förbättras avsevärt, samtidigt som förslitningen på framdrivningsutrustningen minskar och positioneringsnoggrannheten ökar 10. ABB tidning 1/2000 33

Present to operator 11 Principen för expertsystemet ABB:s expertsystem Send to shore Gather and analyze data from processes and equipment Tillgängligheten för processdata och signaler, samt processens kunskap om det totala integrerade fysiska systemet och styrsystemet, utnyttjas för utveckling av nya expertsystem. Dessa innehåller funktioner för såväl online- som offlineanalys 11. Huvuduppgiften för onlineexpertsystemet är att utvärdera möjligheten för den aktuella systemkonfigurationen (inklusive kraftproduktion och -distribution, positionering och process) att lösa de aktuella uppgifterna. Hänsyn ska tas till specifika operatörsbeslut, händelser och systemhaverier. Bland viktiga funktioner kan nämnas varningar och larm som presenteras vid operatörsstationen i fall då ett fel eller en operatörsinmatning skulle orsaka ett allvarligt fel, exempelvis positionsavvikelse eller överbelastning av kraftsystemet. Dessutom skall operatören förses med prestandakurvor för de olika systemen, vid operatörsstationerna. För positioneringssystemet skulle en sådan kurva typiskt bestå av en illustration av de genomsnittliga vind- och vågkrafterna i förhållande till den maximala hållkraften hos styrpropellrarna vid de olika riktningarna för ett medelvärde av vind- och vågkrafter. Operatören använder denna information för att generera tillräcklig effekt med minsta möjliga bränsleåtgång. Offlineexpertsystemet samlar och analyserar alla relevanta data från processer och utrustning ombord på fartyget. Resultatet av analyserna görs tillgänglig för operatören via funktioner för plottning, trendkurvor och statistisk analys. Dessutom kan data användas för optimering av prestanda, säkerhet och diagnostik samt underhållsplanering på land (via satellit). Referenser [1] T.I. Fossen: Guidance and of Ocean Vehicles. John Wiley and Sons Ltd, 1994. [2] J.P. Strand, A.J. Sørensen, T.I. Fossen: Modelling and control of thruster assisted position mooring systems for ships. 4th IFAC Conference on Manoeuvring and of Marine Craft (MCMC 97), Brijuni, Croatia, 160 165, 1997. [3] O.J. Sørdalen: Optimal thrust allocation for marine vessels. IFAC J. of Engineering Practice, vol 5, no 9, 1223 1231, 1997. [4] A.J. Sørensen, S.I. Sagatun, T.I. Fossen: Design of a dynamic positioning system using model-based control. IFAC J. of Engineering Practice, vol 4, no 3, 359 368, 1996. [5] A.J. Sørensen, A.K. Ådnanes, T.I. Fossen, J.P. Strand: A new method of thruster control in positioning of ships based on power control. 4th IFAC Conference on Manoeuvring and of Marine Craft (MCMC 97), Brijuni, Croatia, 172 179, 1997. [6] A. J. Sørensen, A.K. Ådnanes, T. Lauvdal, O. J. Sørdalen: Integrerad styrpropellerstyrning totallösningar för kraftgenerering och automation inom den marina sektorn, ABB Tidning 1 99, 11 20. Författare Trygve Lauvdal Asgeir Sørensen Alf-Kåre Ådnanes Jann-Peter Strand Jan Fredrik Hansen ABB Industri PO box 6540 NO-0501 Oslo / Norway E-mail: trygve.lauvdal@no.abb.com Telefax: +47 22 87 2900 Ole J. Sørdalen ABB Corporate Research Bergervein 12 NO-1361 Billingstad / Norway E-post: ole.j.soerdalen@no.abb.com Telefax: +47 66 84 3541 34 ABB tidning 1/2000