El software ayuda a desarrollar sistemas submarinos

Las operaciones de perforación en aguas profundas a menudo requieren energía hidráulica del lecho marino para activar las válvulas de prevención de reventones de emergencia (BOP) u otros dispositivos de control de flujo. Ocasionalmente, se pueden instalar grandes conjuntos de acumuladores precargados cerca de la válvula para proporcionar una fuente rápida de energía hidráulica. Sin embargo, en un estudio de aplicación reciente, la válvula de fondo de pozo se ubicó a 2000 pies por debajo de su fuente de energía hidráulica. Algunas de las preguntas que hacen los diseñadores de sistemas son:

  • ¿Cuánto tiempo se tarda en cargar la batería?
  • ¿Cuáles son los requisitos para cargar equipos?
  • ¿Cómo afecta el cumplimiento de la manguera al tiempo de respuesta requerido y al volumen de fluido?
  • ¿Habrá algún problema con los transitorios de golpe de ariete?
  • ¿Cómo afecta el cambio de temperatura la respuesta a la profundidad de operación?

Los sistemas hidráulicos suelen ser de naturaleza muy no lineal;Por lo tanto, la relación entre presión, temperatura, flujo y movimiento es compleja. Para sistemas críticos como las válvulas BOP, el diseño cuidadoso requiere el uso de simulación de software para predecir con precisión el rendimiento del sistema y explorar cómo responde el diseño a diferentes escenarios. Este proyecto selecciona el software Easy5 como herramienta de modelado.

Descripción general del software

El software de ingeniería Easy5 se utiliza para simular sistemas dinámicos caracterizados por ecuaciones diferenciales, diferenciales, algebraicas diferenciales y algebraicas. Esto cubre una amplia gama de aplicaciones, como mecánica, eléctrica, hidráulica, neumática, térmica, dinámica de gases, tren motriz, dinámica de vehículos, sistemas de control digital/analógico y más. Los modelos en Easy5 se representan en pantalla mediante bibliotecas de componentes específicos de la aplicación (como tuberías, válvulas, actuadores, celdas de combustible y engranajes) y bloques de modelado de propósito general (como sumadores, divisores, filtros de adelanto-atraso e integradores) . Las bibliotecas de aplicaciones avanzadas proporcionadas por MSC incluyen:

termohidráulica — Proporciona tuberías, orificios, válvulas hidráulicas, bombas, actuadores, intercambiadores de calor y tanques para modelar varios componentes hidráulicos. La biblioteca ha sido ampliamente utilizada en la industria aeroespacial, de vehículos todoterreno, de maquinaria pesada y de exploración de petróleo y gas. Toda la biblioteca utiliza formulaciones de fluidos compresibles para predecir con precisión el rendimiento transitorio.

dinámica de gases (incluidos los dispositivos neumáticos), incluidas las tuberías, las placas de orificio, las válvulas neumáticas, los compresores y los intercambiadores de calor. Si corresponde, el gas se puede tratar como un gas ideal o se puede usar una serie de modelos de gases no ideales.

Sistema eléctrico — Contiene motores de CA y CC, componentes de potencia y elementos de circuitos básicos para el análisis de accionamientos eléctricos, electrónica de potencia y transmisión de potencia.

También se encuentran disponibles bibliotecas de aplicaciones adicionales para modelar sistemas de guía aeroespacial, sistemas de propulsión de vehículos, motores de combustión interna y celdas de combustible. Los sistemas interdisciplinarios se pueden modelar fácilmente. Por ejemplo, las bibliotecas de sistemas termohidráulicos y eléctricos de Easy5 se pueden usar juntas para analizar sistemas electrohidráulicos.

Modelado y análisis de sistemas

Un módulo de carga que consta de una bomba de alta presión de 10 gpm, un depósito y válvulas y controles asociados se encuentra en una plataforma de perforación en el Mar del Norte. Estándar 10,000 psi, 1 pulgada. Una manguera conecta el módulo de carga a una bahía de energía BOP ubicada a 2 millas de distancia y 7,000 pies bajo el nivel del mar. El pozo terminado ubicado cerca de la cápsula BOP tiene una válvula de control de compuerta a una profundidad de 2000 pies y una profundidad de 9000 pies.

Muchos elementos del esquema hidráulico de ingeniería ISO estándar corresponden a los componentes disponibles en la biblioteca Easy5. Los iconos que representan los componentes se arrastran y sueltan en el monitor de la computadora y se asemejan a los del esquema.

Las conexiones de datos generalmente representan valores instantáneos de flujo, presión, niveles de señal y propiedades de fluidos, y se establecen haciendo clic en los componentes aguas arriba y aguas abajo. Dado que Easy5 establece automáticamente las conexiones de datos correctas, los diseñadores generalmente no se preocupan por la cantidad que se debe comunicar.

El modelo de software se divide en dos partes: la parte de inflado y el sistema de accionamiento de válvulas, como se muestra en la Figura 1 y la Figura 2.1 y 2 respectivamente. Ambos esquemas contienen componentes de software de la biblioteca térmica/hidráulica Easy5 que modelan las propiedades físicas de tanques, mangueras, tuberías, bombas, válvulas, orificios, actuadores y otros componentes en un sistema hidráulico. Las conexiones de datos están representadas por líneas en el dibujo;Las tuberías de fluido reales, como las tuberías, tienen sus propios iconos.

También se considera el módulo de volumen del fluido (glicol/agua/aceite miscible). Los efectos de profundidad y los cambios instantáneos de presión, temperatura y transferencia de calor contribuyen a la respuesta simulada. Los acumuladores están representados por componentes en la biblioteca de Easy5 Pneumatics, que utilizan ecuaciones de estado de gases reales. Ambas partes del modelo asumen que la manguera y otros componentes están inicialmente llenos de fluido a presión y temperatura ambiente.

secuencia de operaciones

Durante la carga, bombee fluido a 55 °F en el sistema hasta que la presión en el acumulador llegue a 8000 psia. En este punto, la válvula de suministro aísla el acumulador y la bomba de superficie se apaga. Los resultados de la simulación que se muestran en la Figura 3 indican que presurizar un acumulador (precargado con nitrógeno a 3000 psia) con 40 gal de fluido a 8000 psia requiere más de 200 gal de fluido a presión y temperatura atmosféricas.

Parte del fluido adicional se consume en la expansión cuando se presuriza la manguera, y parte se debe al aumento de la densidad con la presión y la disminución de la temperatura con la profundidad porque la temperatura ambiente del lecho marino no está por encima del punto de congelación. Cuando el fluido alcanza la presión de diseño del acumulador en unos 20 minutos, el controlador cierra la válvula de suministro;Luego, la presión cae a medida que el fluido se enfría. Esta acción reinicia el ciclo de llenado hasta que la presión finalmente se estabiliza en 30 minutos.

Para lograr la presión deseada, el umbral de la válvula de suministro debe establecerse ligeramente por encima de la presión deseada y la ganancia debe ajustarse para evitar ciclos repetidos de la bomba. Esto se hace ejecutando la simulación y cambiando los parámetros hasta que se cumplan los requisitos. Los datos de simulación muestran que la bomba requiere hasta 43 hp durante el ciclo de carga.

Se requiere un segundo modelo para estudiar el cierre de la válvula de compuerta en un pozo, como se muestra en la Figura 2. Los sensores cerca de la posición de la válvula determinan cuándo debe cerrarse la válvula. Una señal positiva abre la válvula principal de la cápsula BOP en el acumulador y envía fluido a alta presión 9,000 pies hacia abajo a través de una manguera de 2,000 pies y 1 pulgada.a la válvula. Luego, el actuador cierra la válvula de compuerta para sellar el pozo. La fuerza que debe vencerse para cerrar la puerta es variable. En este modelo, alrededor de 2,000 lbs. La fuerza está representada por la fricción de Coulomb (en oposición al movimiento) y los resortes. La pequeña cantidad de fluido que se usa para operar la válvula se ventila al medio ambiente a través de la válvula de retención.

Los resultados de la simulación de la secuencia de cierre, que se muestran en la Figura 4, muestran que la válvula solo tarda alrededor de 1/2 segundo en cerrar 10 pulgadas.perforación. Sin embargo, el significativo exceso de presión de 1000 psi (encerrado en un círculo en el gráfico) fue causado por un golpe de ariete transitorio entre el suministro de fluido y la válvula de control. La reducción del diámetro de apertura de la válvula de suministro no afecta significativamente el sobreimpulso. Colocar un acumulador cerca de la válvula de control reduciría el impacto, pero las consideraciones de espacio eliminan esta opción. Afortunadamente, un estudio paramétrico del modelo mostró que reducir el diámetro interior de la manguera de 1 pulgada a ½ pulgada redujo significativamente la presión máxima instantánea (curva roja en la Figura 4). Se tarda más en cerrar la válvula de compuerta cuando se reduce el flujo, pero esto es tolerable. Como beneficio adicional,Las mangueras de diámetro más pequeño brindan ahorros de costos significativos. El tiempo de simulación para cada caso es de solo unos minutos en una computadora portátil estándar, por lo que se pueden ejecutar múltiples experimentos de diseño de manera económica.

Revise los beneficios

Cuando se enfrentan a problemas desafiantes de control de potencia de fluidos, las herramientas de simulación como Easy5 brindan a los diseñadores ventajas significativas. La capacidad de crear rápidamente prototipos de sistemas y ejecutar estudios paramétricos es solo un aspecto. Se pueden crear bibliotecas de software personalizadas y reutilizables para capturar el conocimiento de ingenieros experimentados y ponerlas a disposición de otros diseñadores. Modele sistemas existentes y aísle e identifique problemas sin recurrir a pruebas físicas.

Claude Ginsburg y Daniel Thomas son ingenieros de desarrollo sénior Software MSC , Newport Beach, California. Para obtener más información, llame al (714) 540-8900.

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