陳從磊 張多, 張建兵 連遠鋒
(1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院 北京市 100083)
(2.中國石油大學(北京)信息科學與工程學院 北京市 102249)
隨著深水油氣開發(fā)日趨繁榮,如何保障我國海洋油氣資源的安全開采,實現(xiàn)對石油生產(chǎn)的分析、預警與防治,成為現(xiàn)階段海上油氣安全生產(chǎn)的重要發(fā)展戰(zhàn)略[1]。由于海洋石油深水水下生產(chǎn)過程及其運作機理較為復雜并存在嚴重的安全風險,三維海洋工程模擬仿真與可視化作為模擬現(xiàn)實場景的重要手段,可直觀地展示海洋環(huán)境細節(jié),提升油氣工程工藝環(huán)節(jié)認知,為實現(xiàn)海洋油氣資源的勘探開發(fā)提供堅實的技術(shù)支撐[2]。
海洋石油深水水下生產(chǎn)虛擬可視化仿真系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬生產(chǎn)運行狀況,將仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進行實時讀取、評估與可視化展示,如圖1所示,由 3個模塊構(gòu)成。各模塊具體包括:
(1)系統(tǒng)設置模塊:水下生產(chǎn)作業(yè)仿真中,虛擬海洋環(huán)境應該為受訓人員提供不同區(qū)域、不同海況以及不同天氣狀況下的真實海洋環(huán)境。海上環(huán)境設置包括天空包圍盒、雨雪霧天氣等;海面環(huán)境設置包括海面風速、有義波高、海面流速、波浪周期等;海底環(huán)境設置包括海水密度、洋流大小、洋流方向和海底地形等。
(2)生產(chǎn)案例庫模塊:海上工程建設、投產(chǎn)及生產(chǎn)運行作業(yè)包括半潛式平臺上部組塊安裝、自由站立式立管安裝、水下采油樹安裝、水下管匯安裝、水下跨接管安裝、海底管道終端安裝、海底集輸管線安裝、水下生產(chǎn)系統(tǒng)投產(chǎn)試運行、密封圈更換、海底管道泄漏不停產(chǎn)維修等10個典型案例。
(3)評估決策模塊:為了實現(xiàn)生產(chǎn)運行過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和同步評價,采用工業(yè)自動化WinCC組態(tài)軟件,以交互式圖形化界面方式顯示理論期望值、傳感器實際測量值、故警報信息等仿真實驗信息[3]。通過將仿真數(shù)據(jù)輸入評價系統(tǒng),依據(jù)評估指標和操作流程來實現(xiàn)綜合評判。
海洋石油深水水下生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)硬件環(huán)境與接口規(guī)范如圖2所示。仿真系統(tǒng)采用標準HLA分布式架構(gòu),各仿真組件均遵循統(tǒng)一的接口規(guī)范接入仿真框架運行,具有良好的可擴展性[4]。系統(tǒng)從功能角度分為3個子系統(tǒng):
(1)仿真控制系統(tǒng),主要包括教練員站、移動數(shù)字控制端、評估模塊和仿真控制數(shù)據(jù)庫。教練員站負責從生產(chǎn)案例仿真庫中選擇水下案例并配置場景初始化參數(shù),在系統(tǒng)運行過程中發(fā)出指令對作業(yè)流程進行控制。移動數(shù)字控制端基于VAPS 軟件設計并定義吊機控制臺、絞車控制臺和ROV控制臺的圖形控制面板及數(shù)據(jù)鏈路[5],如圖3所示。虛擬儀表控制面板通過通信鏈路實現(xiàn)與視景仿真系統(tǒng)的完整數(shù)據(jù)流傳輸,體現(xiàn)了良好的靈活性、通用性和便捷性。
圖1:海洋石油深水水下生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)軟件模塊
圖2:系統(tǒng)的硬件環(huán)境與接口規(guī)范
(2)視景仿真系統(tǒng),主要包括動力解算服務器、模型視景生成器和實時監(jiān)測服務器。動力解算服務器在動力學空間中將動力學模型與幾何模型相關(guān)聯(lián),進行實時和較高精度的場景目標動力學解算,并將解算結(jié)果傳遞給視景仿真服務器中對應的場景和模型,進而得到逼真的動力學視景效果[6]。實時監(jiān)測服務器負責監(jiān)測生產(chǎn)案例的仿真操作運行狀態(tài)、接收模型運行參數(shù)、報警信息并發(fā)出處置命令。同時,視景仿真生成器采用三通道合成繪制,通過投影系統(tǒng)將畫面輸出到大屏。
(3)物理操作控制端,主要由吊機仿真子系統(tǒng)、絞車仿真子系統(tǒng)和ROV仿真子系統(tǒng)和三部分組成,如圖4所示。物理操作控制端通過OPC技術(shù)實現(xiàn)可編程邏輯控制器(PLC)與仿真服務器之間的通信,將模擬信號映射為參數(shù)指令,驅(qū)動視景仿真系統(tǒng)進行動力學解算及視景繪制。
圖3:數(shù)字移動操作控制端
圖4:物理操作控制端
圖5:水下管匯安裝過程仿真
圖6:海底管道不停產(chǎn)維修仿真
水下管匯安裝可視化仿真案例應用過程,如圖5所示。
整個案例分為 10個海上工程作業(yè)過程,包括:
(1)管匯安裝準備;
(2)吊機起吊管匯;
(3)旋轉(zhuǎn)吊機,將管匯置于海面上方;
(4)下放管匯通過飛濺區(qū);
(5)減慢放纜速度,將管匯下放至基盤上方;
(6)利用ROV將管匯與基盤上較高的樁腿對中;
(7)利用ROV調(diào)整管匯主體位置,使其與基盤另一樁腿對中;
(8)繼續(xù)下放并利用ROV將管匯主體和管匯基盤鎖緊;
(9)利用ROV解除索具;
(10)回收索具。
此案例能夠真實地模擬深水水下管匯下放的操作,現(xiàn)場沉浸感強。
海底管道不停產(chǎn)維修可視化仿真案例應用過程,如圖6所示。
整個案例分為 9個海上工程作業(yè)過程,包括:
(1)漏點檢測;
(2)海床基礎處理;
(3)管道表面處理;
(4)安裝三通并開孔;
(5)安裝水下封堵機和旁通管道;
(6)切除破損管段;
(7)連接替換管段;
(8)回收維修工具;
(9)連接替換管段。
海底原油管道泄漏基于計算流體動力學CFD方法計算泄漏擴散特性并根據(jù)粒子追蹤模型對溢油粒子的局部速度和位置進行預測,沿著時間軸迭代更新,實現(xiàn)海底管道溢油流場三維動態(tài)可視化。
本文通過對海上工程建設、投產(chǎn)及生產(chǎn)運行等作業(yè)場景多人協(xié)同作業(yè)分布式仿真系統(tǒng)分析,實現(xiàn)了立體、直觀的水下生產(chǎn)作業(yè)過程實時可視化仿真與評估。該系統(tǒng)可以用于工程人員的操作培訓與考核及對擬定維修方案進行演練,對提高施工效率和質(zhì)量以及災害應急輔助決策具有重要意義。