Sistema Propulsivo

SISTEMAPROPULSIVOE

POSICIONAMENTODINMICO

Devemos levar em considerao no caso da nossa embarcao quando estivermosdimensionandoossistemasdepropulsoeposicionamentodinmicoosseguintespontos:

Primeiramenteessaumaembarcaodeperfuraoemguasprofundasqueutilizao posicionamento dinmico para a realizao de suas operaes. Portanto existemvrioscritrios e restries tanto a nvel prtico quanto em termos de regras e legislaes quedevemosobedecerparagarantirofuncionamentoadequadodasoperaes.

Oposicionamentodinmicofoiadotadoporseromaisadequadoparaperfuraesemguasprofundaseporissoadotadocomosoluoemumaescalaglobal.

Aocontrriodoquerealizadoparaocasodeembaraestpicasondeapropulsodimensionadaparaatingirdeterminadavelocidadedecruzeiro,baseandosenaresistnciaaoavanodaembarcao,nossoobjetivoeradimensionarumsistemadeposicionamentodinmicocomointuitodostationkeeping,ouseja,manteraembarcaoemumaposiofixa, compouca tolerncia a variaes.A velocidadede cruzeiro seria determinada comoumaconseqnciadiretadosistemadeDp,isto,utilizaramosumoumaispropulsoresdosistemadeDpparaafunodedeslocamento.Paraaseleodosistema, tivemosque levaremconsideraoalgunsaspectosnicosdeum navio sonda. Essa embarcao em questo deve manter a regio do moonpool(localizadanocentrodeflutuaodalinhadguadeoperao)praticamenteimvel,dessaforma impedindo que haja rompimento dos risers comprometendo completamente aoperaoecausandoriscoaomeioambiente.Como temospor intenocriarumaembarcao toverstilquantopossveledisponvelpara operar em praticamente qualquer condio de mar, optamos pela classificao dosistema de posicionamento dinmico mais rgido aplicado atualmente, sendo esta aclassificaoDP3.

Ao longoda explicao do processo de seleo dos thrusters iremos abordar a influnciadessaclassificaonasescolhasedecisestomadas.Uma embarcao nomar sujeita s foras do vento, das ondas e das correntes assimcomo das foras geradas pelo sistema propulsivo. A resposta da embarcao a estasforas, isto suas mudanas em posio, aproamento e velocidade, medida pelossistemasderefernciadeposio,pelogiroscpioepelossensoresdeposiovertical.Avelocidadeeosentidodoventosomedidospelossensoresdovento.Osistemacalculaodesvioentreaposio(real)medidadaembarcaoeaposiorequerida,ecalculaentoasforasqueosthrustersdevemproduzirafimfazerodesviotopequenocomopossvel.Almdisso,osistemacalculaas forasdevento,ondaecorrentequeagememcimadaembarcaoeapropulsorequeridaparaneutralizlos.Osistemacontrolaomovimentodaembarcaoemtrsgrausdeliberdadehorizontaissurge,swayeyaw.

Nossaprimeiraprecupaodefinir onmeroe a posio dos thrusters na embarcao,conforme pesquisamos pudemos perceber que no existe nenhuma regra que obrigue aumaescolhadeterminadaenemmesmoindicaesparatal,amaioriabaseiaseemtestescommodelosemtanquesenoquesetemfeitoatualmente.Para solucionarmos nosso problema, tivemos que dividilo em etapas, inicialmente nospreocupamosqueaembarcaomantivesseoaproamentoemdireoasondasdemaiorincidncia, ou seja, o sistema de posicionamento teria que responder adequadamente arealizao domovimento de yaw. Normalmente podese pensar que apenas um thrusterazimutal com giro reversvel, seria o suficiente para garantir essa funo. No entantoestaramos ferindo um princpio bsico desse tipo de embarcao, pois se tivssemossomenteumthrusterrealizandoessafuno,aregiodomoonpooltambmseriadeslocadae comprometeria a operao, issonos levaanecessariamente ter que adotar nomnimodois thruster, sendo um avante e um a r , sendo que cada um deles deveria serequidistanteemrelaoaocentrodomoonpool,mantendoomomentonessaregionulo,ealmdisso omais distante possvel, ou seja, omais a vante e a r possvel de formaaaumentar o momento e em consequencia diminuir a fora necessria a movimentao.Utilizandoomesmo raciocnionos concentramosnasmaiores solicitaesqueonavio irestar sujeito. Como o navio sofre grande influncia de correntes, ventos e das ondasfazendocomqueaembarcaotendaaummovimentodesurge,swayouumacombinaodas duas. Devemos nos assegurar de fornecer uma resposta adequada, por isso secolocssemos supostamente um thruster em um posio arbitrria qualquer querespondessearesultantedessasforasestaramosincorrendonovamenteemumerro,poisdependendodessaposioo thrusterao respondera fora iriaprovocarummomentona

embarcao e logo uma tendncia a alterar o seu aproamento, diminuindo a eficincia etalvez at impedindo a operao dos thrusters que foram projetados para essa funo.Sendoassimaformamaisadequadaseriaautilizaodeumthrusterareoutroavanteparacontraporaresultantedasforasqueestoagindosobreele,impedindodessaformaqueosthrusterforcemonavioaummovimentodeyaw.Sendoassim,apenasnosrestaainclusodemaisdois thrusters,uma reoutroavanteparacumprirmoso requisitoderedundnciaexigidoporregra.Oponto de projeto a circunstncia emque todos os parmetros da hlice incluindo apotncia, o torque, o RPM, e a velocidade do inflow esto em seus valores nominais ouclassificados.Podemosdividirautilizaodethrustersnosseguintescasos:.Thrustersusadosapenasparastationkeeping. Thrustersusadospara stationkeepingepropulsodebaixavelocidade, isto , thrustersinstalados em unidades semi submersveis provendo propulso para operaes deposicionamentodinmicoeoperaesdetrnsitoembaixavelocidade(68ns).ThrustersutilizadosparastationkeepingdeNaviosSondadeposicionamentodinmico(DP)provendopropulsoparaasoperaesdeDPalmdautilizaoparaoperaesdetrnsitoemvelocidadesde1214ns.Stationkeepingevelocidadesdetrnsitoentre1214ns:Estecenriotpicoparaageraonovadesuperdrillshipscomposicionamentodinmicoe de outras embarcaes offshore com deveres similares da propulso. O tamanho dosistema da propulso determinado tipicamente pela operao de stationkeeping, enecessitaoperar torapidamentequantopraticvelnasua funosuperiordemobilidadeemcomparaocomumsemisubmersvel.Apergunta:ondeestopontodeprojetodahlicedothrusterparasatisfazerexignciadamissoparaotrnsito,assimcomoparaostationkeepingcomummnimodesacrifciosemambasasfunes.Seleodopropulsor

Pararealizarmosaseleodopropulsor,temosqueteremmenteaprincipalfunodo navio em questo, um navio de perfurao, sendo esta a funo de stationkeeping.Comoaembarcaopermaneceemmdiamaisde90%desuavidatilemoperaodeposicionamentodinmico,selecionarumpropulsordaformaconvencionalfocalizandoumadeterminada velocidade de cruzeiro, levaria a um dimensionamento pouco eficiente eacarretaria em maiores custos de operao. Algumas caractersticas prprias dospropulsores desse tipo de embarcao devem ser especificadas antes de comearmos oprocessodeseleodopropulsor.

Aprincipalcaractersticaemrelaoaospropulsoresdonaviodeperfurao,pornsidealizado,ofatodespossuirpropulsoresdotipoazimutal,sendoassimashlicesdos

propulsoresporseencontrarembemabaixodocascoficamaumadistnciaconsiderveldacamadalimitequecausaosefeitosquereduzemaeficinciadospropulsores.Essesefeitossorepresentadospelocoeficientedeesteiraecoeficientedereduodaforapropulsora,ou seja, no nosso presente caso ambos os coeficientes so considerados desprezveis eportantonulos.

Como nossos propulsores so do tipo azimutal, resolvemos consultar o maiorfabricante,equaseexclusivo,dessetipodepropulsoreobtivemoscomorespostaasoluomaisutilizadaparanaviossemelhantesequejobtinhaumaboaaceitaonomercado.Othrusterazimutalqueiramosutilizar,seriaento:

Almdissoutilizamosaflexibilidadepermitidapornossomtododeprojetoeanalisamosumafrotadesemelhantesparatentarmosapartirdeladescobrirumapotnciaadequadadepropulso.

Emboraa informao sobreapotncia,nos tenha retornadovalores conflitantes,nosconcentramos em projetos mais recentes, sendo 6 no total e todos eles possuam umapotncia por thruster muito prximas e de acordo com o que consultamos junto aofornecedor.

ProjetosConsultados

DiscovererEnterpriseDiscovererSpirit

DiscovererDeepSeasDeepwaterPathfinder

Saipem10000WestNavionEsse thruster escolhido tem como finalidade a manuteno da posio durante a

operaodeposicionamentodinmico.Partimosentoparaoprocessointerativodeseleodo propulsor. Inicialmente precisvamos auferir a resistncia ao avano da nossaembarcaoeparatantoutilizamosomtodopropostoporJ.HoltroputilizandoaplanilhaHoltrop84deautoriadeHamiltonPicano,noentantoessevalorestimadoaindadeveseralterado para refletir a presena do moonpool no casco de nosso navio de acordo comalgumasrefernciasconsultadas,ondeforamrealizadostestesemtanquesparadeterminarumaestimativadessainfluncia.Sendoestaemmdiaiguala50%daresistnciatotal.

AbaixosegueoresultadoobtidopelaplanilhaHoltrop,jmencionada:

Ovaloremvermelhorepresentaarealresistnciadocascoquandolevadoemconsideraoapresenadomoonpool.

Apartirdoresultadoobtido,pudemoscalcularosseguintesrequerimentosdenossa

embarcaonacondioprevista.

PE=RTxVPotnciaefetiva

Pt=TxVaPotnciapropulsivaComoparaanossacondioV=Va,logoT=Rt.ComissoT=1775.5KNComodispomosde6thrustersazimutaisapropulsonecessriaparacadaumdelesserumsextodovaloracima,logo:T/Thruster=295.83KNDepossedessesvalores,passamosapesquisarqualtipodepropulsormaisadequadoanossainteno.Algumasfontes,comooPNAVolume2contminformaessobreopropulsoremtubulodefluxoaceleradoeapsumacuidadosaanlise,verificamosquesuaeficincianacondiodebollardpull,condioestademaisinteressenonossoobjetodeprojeto,maisaltadoqueaquelasencontradasnassriesconvencionalmenteadotadascomoasrieWageningenB470,emborasuaeficinciaemtrnsitosejaligeiramentemenor.Nonoscausousurpresaconstatarqueosnaviossemelhantesqueoperamnaatualidadeutilizamessetipodepropulsor.Quandoonavioencontrasenaposiodeperfuraoessefluxoaceleradoaumentaaforapropulsiva,enquantoemtrnsitodiminui.Encontramosinclusivenareferncia4,umgrficoquedemonstraacomparaoentreopropulsorutilizado,KA470in19ANozzle,eoWageningenB470.

RetiramosdiversosvaloresparaJ,KteKqparadiversosP/D.NoentantosforamretiradosP/Dmaioresdoque0.8,porquenocasodonossonavioaeficincianacondiodebollardpullmuitoimportanteesendoestadiretamenteproporcionalarelaoP/D,valoresbaixosdessarelaononosseriamconveniente.InicialmenteverificamososvaloresquenoatendiamaorequerimentodepropulsocalculadonaplanilhadoHoltropdeformaamelhoraraeficinciadenossaseleofizemosumainterpolaolinearcomoThrustdesejadoeapartirdaselecionamosopropulsorquepossuaumapotnciadefreiorequerida,adicionadadasmargensdemotoremar,menordaquela oferecida pelo thruster citado anteriormente (5500KW). Sobraram ento apenasalgumas opes e dentre elas foi escolhida a que possua maior eficincia em guasabertas,consultandosenovamenteogrficoKtKqJ.Para fazermos isso, pegamos o valor de Kt de cada hlice, verificamos o seu ponto deintercesso com a curva de Kt do P/D emquesto. Com esse ponto temos definido o J,entoseguimosverticalmenteatencontraracurvadeeficinciaemguasabertasdoP/Deretiramosovalordaeficincia.

Oclculodapotnciarequeridadomotorquefoiutilizadofoisugeridoapartirdeumareferncia para motores eltricos, onde a relao entre potncia de freio e potnciaentregueaseguinte:

Segundoessesvalores:PB=PD/0.85

ComoPD=2xxQxNOnde,Q=TorquedopropulsorN=RotaodopropulsorDepois de forma a refletirmos a vida til de nossa embarcao e sendo o nosso navioproposto para operar emqualquer regio selecionamos as piores condies propostas demargens.Margemdemarutilizada35%Margemdemotorutilizada10%Margemderotaoutilizada3%

Porfim,teremosarelao:PB=((2xxQxN)x1.35)/0.85Arotaotambmsermodificadapararefletirasmargenscitadas,passandoaterovalor:N=151RPMDevemosressaltarqueparaobtermosumresultadomaispreciso, repetimososprocessosdescritosacimapara3velocidadesdiferente,sendoelas12,13e14ns.Avelocidadede12nsembora tivesseapresentadoumapotncia requeridamenordoqueapotnciadomotor, acreditvamos poder nos aproximar mais do valor nominal domotor e com issoestimar com maior preciso a velocidade do navio e o propulsor ideal. Para tantoverificamos a velocidade de 13 e 14 ns. A velocidade de 14 ns obteve uma potnciarequerida maior do que a do motor por ns selecionado para o Thruster requerido eportantofoidescartada,noentantoavelocidadede13nsatingiutodososrequisitoseseaproximoumais do valor da potncia domotor e portanto essa velocidade foi a definidacomoavelocidadedeoperaodonavioemtrnsito.

UmaanlisedecavitaofoifeitaparaumpropulsordaSrieBondenohouveproblemas.

Estandoaprobabilidadedecavitarinferiora5%.

OperaodoThruster

Esta seo pertence interao operacional entre o thruster, o sistema de controle dothruster e o sistema de potnica. O objetivo desta seo desenvolver um guia para aoperaoeficientedo thrusterpara thrusterscomashlicesdePassocontrolvel eparathrusterscomashlicesdepassofixo.OsistemadapropulsodeumaembarcaodoDPfeito sobmedida para fornecer foras de stationkeeping para um senrio omais severopossveldentrodoespecificadopeloproprietriooupelooperadordaembarcao.Duranteamaioriadeseutempooperando,aembarcaodoDPoperaemcondiesambientaisquesobemmenosseverasdoqueessasusadascomoabasedoprojetoparaapotnciaeosistema de propulso. Em conseqncia, durante a maioria de seu tempo operando, aembarcaodeposicionamentodinmicooperaosistemadepropulsonacargaparcial.Osistema de potncia equipado tipicamente com uma instalao mltipla de de Dieselgeradores o nmero dos geradores em linha selecionado (na maior parte

automaticamente pelo sistema de gerncia de potncia) de acordo com a demanda deenergia da embarcao. Em conseqncia, os geradores domotor operamse em cargasrelativamente elevadas, em condies demelhor eficincia de combustvel.O sistemadapropulso consiste em uma instalaomltipla dos thrusters. Durante a maioria de seutempooperacional,somenteumapartedacapacidadeinstaladadapropulsorequerida.Ooperadortemduasescolhasbsicas:OperartodososthrustersnabaixacargarequeridaouOperarpoucosthrusteremaltacargaO seguinte pertence ao cenrio operando recomendado para thrusters com Passo fixo,assimcomoparathrusterscomhlicesdepassovarivel.Asrecomendaesfocalizamnaeficincia da operao outras consideraes da operao do thruster (tais como aredundncia) devem ser avaliadas caso a caso. Para simplificar o assunto, somente ascondies do bollard pull (zero de inflow ou velocidade atual) so discutidasentretanto, os princpios da operao so similares para operaes do stationkeeping emvelocidadesreais.

Operaodeumahlicedepassofixo

Duranteaoperaodebollardpull,aeficinciarealdeumahlicezero.Paraestarazo,apropulso por a unidade de ppotncia (propulso especfica) usada como um valorsubstituto. Na teoria, a propulso gerada por uma hlice acelerando o lquido em quetrabalha. Isto significa omesmo quemudana nomomento.Mais sobre este assunto nocaptulomaisthrustersemcargamaisbaixaparamaiseficinciaporHowardShatto.

Duranteaoperaodebollardpull,apropulsodohliceumafunododimetrodahlice,darotaodohlice,dadensidadedagua,edocoeficientedapropulso.Estecoeficienteespecficoparaoprojetoparticulardalminadahliceeumaconstanteparaaoperaodebollardpull.Duranteobollardpull,humrelacionamentomatemticodiretosimplesentreosvaloresacimaalistados.Figura1mostraumclculoparaapropulsodahliceemfunodapotnciadahliceeindicaqueapropulsoespecfica(relaodethrust/power)aumentaassintoticamentecomareduodepotncia.Istoconcluisimplesmentequeapropulsoespecficaaumentacomacargadiminuindo.ParaaoperaodeembarcaoDP,aconclusoacimaqueaoperaoutilizandotodososthrustersnonvelmaisbaixopossveldepotnciarendeapropulsomaiselevadaporpotnciafornecida.

Economianocustocomcombustvel

Depois das concluses acima, bvio que a operaodeum thruster emumnvelmais

baixodecargaresultaemcustosdecombustvelmaisbaixosporpropulsogeradadoqueaoperao de um thruster em carga total. O seguinte exemplo demonstra este fato e apresentadonafigura2.EstegrficomostraoconsumodecombustveldeumdrillshipDPgrande equipado com thrusters de 6x5000 quilowatt. A coluna esquerda representa oscustosde combustvel anuaisdaembarcaooperandocomcargade50%,gerandoestapropulso atravs da operao de trs thrusters com carga 100% a coluna mdiarepresentaoscustosdecombustvelparaamesmaexignciadepropulso,masoperandotodososseisthrustersem50%decargaeacolunadireitarepresentaadiferenaentreascolunasumaeconomiadecustode$1.74milhesporano.Estegrficodeveserusadoparademonstrarsomenteoimpactodocustodasopesdaoperaodothruster.Muitosoutrosfatoresnecessitamserconsideradosafimalcanaradecisocorretadurantevriascondiesoperacionais

Operaodeumahlicedepassocontrolvel

O advento de sistemas de controle varivel da velocidade(VSD) para os motores A. C.forneceua indstriaoffshoreapraticabilidadeparautilizar thrustersmecanicamentemaissimpleseconseqentementedemaisconfianacomhlicesdepassofixoparaaplicaesde potncia elevada. Antes da disponibilidade de sistemas da A.C. de VSD, omotor D.Ccontrolado SCR com campo de derivao era o nica controle eltrico que permitia ocontrole de rotao de zero velocidade total. As limitaes na voltagem limitaram ossistemas de D.C. a aproximadamente 3000kW por controlador. A maioria dos maiselevados, assim como muitos thrusters menores, foram equipados com controladoreseltricosdaA.C.develocidadeconstanteocontroledapropulsofoiconseguidovariandoopasso do hlice. Poucas unidades offshore recentemente construdas so equipados comhlicesdepassovarivel,masmuitosthrustersdehlicedepassocontrolvelestoaindaem operao, a estes esto dirigidos este captulo. Os princpios hydrodinamicos bsicos

aplicamsetantohlicedepassofixocomoshlicesdepassocontrolvelentretanto,aoperaodeumthrustercomhlicetpicadepassovariveldiferenteecausaperdasdepropulsoduranteoperaesdebaixacarga.Ahlicedepassocontrolveloperandocomrotaoconstanteconsomeenergiaparasuperarasperdasdafricodaslminasdahlicesobre toda a escala de operao, mesmo numa posio da lmina para propulso embollard pull, visto que as perdas da frico de uma hlice de passo fixo so zero empropulsoemcondiodebollardpull(erotaozero).Emconseqnciadisso,ahlicedepasso controlvel menos eficiente numa escala mais baixa de propulso do que umahlicedepasso fixo.A figura3comparaasexignciasdepotnciadeambosostiposdahliceemfunodapropulsodohlice.Ahlicedepassocontrolvelconsome18%desuapotncia em propulso de bollard pull enquanto a hlice de passo fixo no consumepotncia neste momento. As duas curvas do desempenho fundem somente no pontomximodepropulso.Asdiferenas sonestemomentomarginais e, so negligenciadasconseqentemente.Opontode18%umvalorrealmedidoemumainstalaorecenteeuma figura muito conservadora. O aumento da aspereza de superfcie das lminas dahlice, desgasteda cavitao, sujeira devido ao crescimentomarinho, danosmenores dalmina,etc. contribuiaumaumentodestevalorde18%sobreo tempo(at40% foramconstatados).

InteraoentreosthrusterseosistemadeposicionamentodinmicoOs elementos ambientais, tais como o vento, a corrente, e as derivas das ondas geramforas e momentos na embarcao. Os thrusters tm que gerar foras e momentoscontrrios para criar um equilbrio de fora e de momento. A lgica do alocamento dapropulsodo controlador doDP calcula o valor e o sentido requerido para cada thrusterestabelecerforasemomentoscontrrios.OLoop fechadodosistemadecontroledoDPpara um thruster de hlice de passo fixo encontra o seguinte problema: o controle idealseriaocontroledaforaproduzidaporcadathrustereutilizarumamedidadaforacomofeedback.contadorosistemadecontroleclosedloopdoDPparaumthrusterdahlicedo

FP enfrenta um problema que o controle ideal deveria controlar a fora gerou por cadathrustereusarumamedidada foracomoogabarito.,entretanto,naopraticvelparacomandardiretamenteafora(presso)ouparamedirapressoeuslacomoumsinalderealimentao. O thruster com a hlice do PC que operase na velocidade constante limitadoaongulodopassocomoovalordocontroleopoderdomotordemovimentaousado almemmuitos casos.No exemplo do thruster dahlice do FP dirigido por umVSD, o nico valor do controle o thruster RPM. Muitos sistemas do DP usam o RPMtambmcomoovalordogabarito.Osvaloresopcionaisquepodemserusadoscomoosinalderealimentaosotorquedomotor(corrente,ampres)oupoderdomotor(quilowatt).Aseguinteseodescrevealgumasdascaractersticasedasdiferenasqueaplicamestesvaloresdogabarito.

SeleodomotorAseleodomotorparaonossocasopassaaterumaetapadiferentedoquevisto

convencionalmenteemnaviosmercantis.Afinal,devemosselecionarumcontraladoreltricodotipoA/Cdevelocidadevarivel,poisserelequecontrolararotaodopropulsorqueestarconstantementesendoalteradaparamanteronavioemposiofixa.

ParafazerusodavantagemdaeficinciadeumsistemadapropulsodeAC/AC,osmotoressynchronousdeC.A.sousadosemcadathruster.Osmotoressynchronoussoopadroemergentedaindstrianapropulsoeltricaporqueousodecontrolessolidstatepermitiu que sejam usados com confiana sem afetar a freqncia da eletricidade norestantedaenergiadonavio.Dadoasexignciasdo torquedos thrusters,estesmotoresdevemsercapazesdeproduzir5.5megawattsdepotnciacadaumemumaescalade100a465RPM.Comarelaodaengrenagemde3:1dothruster,osmotoresmodelodeABBAMZ900produzemestapotncia,mostradonafiguraabaixo:

Anlisepreliminardosistemadeposicionamentodinmicostationkeeping,sugeridaporRiddleSteddumTransocean(Houston)eRobertP.Herrmann

Consultant(Houston)

NmeroHSSCUmataxaadimensionalparaaperformancedosistemadeposicionamentodinmico

Tendoencontradoumvalorsuperiora1,pudemosseguiradiantenosprocessosdeprojeto,noentantoumaanlisemaisprecisasserpossvelnumeventualtestedomodeloemtanque.