9-06-2016

Rozwój prac projektowych przemysłowego systemu wydobywania konkrecji

z dna Oceanu Spokojnego poprzez realizację projektów

badawczo-rozwojowych

prof. dr hab. inż. Tadeusz Szelangiewicz

przygotowanie prezentacji: dr hab. inż. Katarzyna Żelazny

9-06-2016

Plan prezentacji

1. Koncepcja przemysłowego kompleksu wydobywczo-transportowego

2. Projekt koncepcyjny statku wydobywczego z hydrauliczną instalacją wydobywczą

3. Projekt koncepcyjny agregatu zbierającego konkrecje

4. Projekty badawczo-rozwojowe wspierające projektowanie i budowę przemysłowego kompleksu wydobywania i transportu polimetalicznych konkrecji

5. Wnioski

9-06-2016

1. Przemysłowy kompleks wydobywczo-transportowy

1 – statek wydobywczy, 2 – statki transportowe, 3 – statek zaopatrzeniowy, 4 – statek obsługi technicznej, 5 – baza lądowa

9-06-2016

Warunki zewnętrzne mające wpływ na parametry projektowe kompleksu

wydobywczo-transportowego

- Bardzo wysokie koszty inwestycyjne (budowa kompleksu wydobywczo-transportowego),

- Bardzo duża roczna wydajność wydobywania (miliony ton/rok)

- Bardzo duże trudności techniczne – wydobywanie konkrecji z dna oceanicznego z głębokości 4000 5000 m,

- Konieczność precyzyjnego, zdalnego sterowania agregatem zbierającym konkrecje z bardzo urozmaiconej powierzchni dna oceanicznego,

- Oczekiwana bardzo wysoka niezawodność i ochrona środowiska morskiego,

- Możliwość występowania niesprzyjających parametrów środowiska morskiego (wiatr, falowanie).

9-06-2016

Cel procesu projektowego

Poszukiwanie optymalnych parametrów projektowo-eksploatacyjnych kompleksu wydobywczo-transportowego dla założeń:

• roczna wydajność systemu wydobywczo-transportowego, (administracyjne decyzje ISA),

• koszt wydobycia 1 tony urobku na pokład statku,

• jednostkowy koszt eksploatacji kompleksu wydobywczo-transportowego,

• światowy koszt metali (lub koncentratów metali możliwych do uzyskania z wydobywanych konkrecji),

• jednostkowy koszt przeróbki konkrecji w zakładzie lądowym.

9-06-2016

Wynik analiz optymalizacyjnych

• Agregat zbierający konkrecje z dna: szerokość i prędkość przemieszczania się, wydajność i efektywność zbierania konkrecji z dna,

• Statek wydobywczy: nośność, wymiary i moc siłowni,

• Instalacja wydobywcza (hydrauliczna): średnica rurociągu, prędkość przepływu mieszaniny konkrecji w wodzie, moc pomp, wydajność teoretyczna,

• Hydrauliczna instalacja przeładunkowa: wydajność przeładowywania, moc pomp,

• Statki transportowe: nośność, prędkość i ich liczba,

• Środowisko morskie: maksymalne parametry wiatrów i falowania, przy których będzie prowadzony proces wydobywania konkrecji i ich przeładunek na statki transportowe.

9-06-2016

2. Projekt koncepcyjny statku wydobywczego z hydrauliczną

instalacją wydobywczą

9-06-2016

Wizualizacja projektu koncepcyjnego statku wydobywczego

Widok perspektywiczny statku wydobywczego

Widok boczny statku wydobywczego

9-06-2016

Magazyn rur wydobywczych

na pokładzie nad ładownią rufową

Widok na pokład – jedna z rufowych ładowni

9-06-2016

3. Projekt koncepcyjny agregatu zbierającego konkrecje

9-06-2016

Wizualizacja projektu koncepcyjnego agregatu zbierającego konkrecje

9-06-2016

4. Projekty badawczo-rozwojowe wspierające projektowanie i budowę

przemysłowego kompleksu wydobywania i transportu polimetalicznych konkrecji

Zadanie 1 – optymalizacja parametrów projektowo-eksploatacyjnych przemysłowego kompleksu wydobywczo-transportowego

Zadanie 2 – analiza komputerowa ruchu układu: agregat zbierający konkrecje, rurowa instalacja wydobywcza, statek wydobywczy w środowisku morskim,

Zadanie 3 – opracowanie projektów, budowa i testy doświadczalnych prototypowych instalacji wydobywczych

9-06-2016

4.1. Zadanie 1 – optymalizacja systemu wydobywczo-transportowego

• Matematyczny model agregatu zbierającego konkrecje: szerokość i prędkość ruchu agregatu, moc napędu, właściwości manewrowe, teoretyczna efektywność zbierania,

• Matematyczny model hydraulicznej instalacji wydobywczej: średnica rury, moc pomp wydobywczych, teoretyczna efektywność wydobywania,

• Matematyczny model statku wydobywczego: wymiary statku, moc siłowni (elektrowni), nośność,

• Matematyczny model hydraulicznej instalacji przeładunkowej: wydajność przeładowywania, moc pomp przeładunkowych, teoretyczna wydajność przeładunku,

• Matematyczny model statków transportowych: wymiary statków, nośność, prędkość, moc napędu, liczba statków transportowych.

9-06-2016

Cel zadania 1

Dla:

• zakładanych rocznych wydajności wydobywania konkrecji,

• zakładanych parametrów pogodowych, przy których będą prowadzone prace wydobywcze lub przeładunkowe,

przeprowadzenie wielokryterialnej optymalizacji wybór parametrów projektowo-eksploatacyjnych, dla których będą najniższe koszty wydobycia i transportu konkrecji.

9-06-2016

4.2. Zadanie 2 - Symulacje komputerowe ruchu systemu wydobywczego

y1

y

x1

xśrednia droga statku wynikająca

ze średniego ruchu agregatu

zbierającego

kołysania statku o częstości fali

w płaszczyźnie poziomej

średnia pozycja statku wynikająca ze

śledzenia pozycji agregatu zbierającego

chwilowa pozycja statku

z uwzględnieniem kołysań

stabilizowany kurs

i prędkość statku

względem trajektorii

ruchu agregatu

zbierającego

VC

HWVA

rdo

p

dop

V

V – prędkość ruchu statku nad złożem

utrzymywana z dokładnością V,

– kurs statku, utrzymywany

z dokładnością Vdop,

rdop – dopuszczalne odchylenie od

zadanej trajektorii ruchu statku,

VA – prędkość wiatru,

VC – prędkość prądu powierzchnio-

wego,

HW – wysokość fali

Statek nad złożem

9-06-2016

Dynamika rurowej instalacji wydobywczej

1 – statek wydobywczy, 2 – pionowa rura wydobywcza, 3 – pompy głębinowe,

4 – bufor, 5– poziomy elastyczny rurociąg transportowy, 6 – denny agregat zbierający,

V – prędkość statku wydobywczego, VAD – prędkość dennego agregatu zbierającego

konkrecje, VC(z, C) – prędkość prądu głębinowego, której wartość zależy od

głębokości wody „z” i geograficznego kierunku C prądu

średnia statyczna krzywizna

rury instalacji wydobywczej

chwilowa dynamiczna krzywizna

rury instalacji wydobywczej

3

1

6 4

V

y z

VAD

Vc (z, c)

x

z

x

5

2

y

z

Vc (z, c)lokalna linia

pionu

odchylenie dolnego

końca rury od pionu

9-06-2016

Wzajemne położenie dolnego końca rurociągu wydobywczego (bufora) i agregatu

zbierającego

1 – agregat zbierający konkrecje

2 – elastyczny, poziomy rurociąg

3 – dolny koniec pionowego rurociągu

3

2

1

RMIN

RMAX

b

3

2

9-06-2016

Cel zadania 2

• analiza oddziaływania i wzajemnego położenia elementów systemu wydobywczego na naprężenie, odkształcenie instalacji wydobywczej,

• analiza zagrożeń występujących podczas ruchu statku z instalacją wydobywczą i agregatu zbierającego konkrecje,

• analiza efektywności zbierania konkrecji z dna oceanicznego.

9-06-2016

4.3. Zadanie 3 - Badanie doświadczalne prototypów systemu wydobywczego

Etap I – wykonanie projektu, budowa i testy systemu wydobywczego na małej głębokości ~ 300 m (morze Bałtyckie)

Etap II – wykonanie projektu, budowa i testy systemu wydobywczego na głębokości 4.000 m (Pacyfik, rejon Clarion-Clipperton).

9-06-2016

Etap I: System wydobywczy na małą głębokość

1. ponton wydobywczy

2. rura wydobywcza

3. agregat zbierający konkrecje

4. kablolina zasilająca agregat

5. lina stalowa do wleczenia agregatu

6. obciążniki liny

7. lina holownicza

8. holownik

1

2

3

4

5

6

7

8

9-06-2016

Cel testów etapu I:

• badanie efektywności zbierania konkrecji za pomocą agregatu wleczonego po dnie morskim,

• badanie agregatu z własnym napędem sterowanym z pokładu platformy,

• badanie: urządzeń zbierających, wstępnego oczyszczenia i podawania konkrecji do rurociągu wydobywczego,

• badanie systemu pompowego do transportu pionowego,

• badanie systemu monitorowania środowiska morskiego oraz ruchu agregatu zbierającego konkrecje.

9-06-2016

Wstępny harmonogram realizacji projektu – etap I1. projekt techniczny systemu wydobywczego – 6 miesięcy

2. opracowanie harmonogramu i zakresu testów wydobywczych – 2 m-ce

3. przygotowanie lądowej bazy dla systemu wydobywczego (hala magazynowa, warsztat) – 8 miesięcy

4. wykonanie wszystkich elementów systemu wydobywczego – 12 miesięcy,

5. przebudowa pływającej platformy, instalacja systemu wydobywczego – 10 miesięcy

6. testy wydobywcze: - z agregatem bez własnego napędu – 2 miesiące,- z agregatem z własnym napędem – 3 miesiące,

7. opracowanie wyników testów i wytycznych do budowy pilotowego systemu wydobywczego – 3 miesiące

0

1

2

3

4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

1

2

3

45 6a 76b

9-06-2016

Wstępne parametry prób etapu I:

• całkowity czas realizacji projektu – 30 miesięcy

• czas trwania prób – 5 miesięcy

• ilość wydobytych konkrecji – 10 ton

• kosztorys projektu:

- projekt i budowa systemu wydobywczego,

instalacja na pływającej platformie – 22 mln Euro

- wykonanie prób (wynajęcie holownika) – 1 mln Euro

9-06-2016

Etap II: Pilotowy system wydobywczy

1. statek wydobywczy

2. rurociąg wydobywczy,

3. elastyczny odcinek

rurociągu wydobywczego,

4. agregat zbierający

konkrecje,

5. bufor,

6. pompy głębinowe,

9-06-2016

Cel testów pilotowego systemu wydobywczego:

• badanie systemu zbierania i podnoszenia konkrecji z dużych głębokości,

• badanie napędu i sterowania agregatu zbierającego konkrecje,

• badanie dynamiki i wzajemnego położenia agregatu zbierającego konkrecje, rurowej instalacji wydobywczej i statku wydobywczego,

• badanie efektywności zbierania i podnoszenia konkrecji z dna oceanicznego,

• monitorowanie środowiska morskiego podczas wydobycia konkrecji,

• monitorowanie rozchodzenia się iłów dennych oraz wody morskiej podnoszonej z dna razem z konkrecjami.

9-06-2016

Wstępny harmonogram realizacji projektu pilotowego wydobycia konkrecji

1. projekt techniczny systemu wydobywczego – 12 miesięcy

2. opracowanie harmonogramu i zakresu testów wydobywczych – 4 m-ce,

3. wykonanie wszystkich elementów systemu wydobywczego – 16 miesięcy,

4. zakup używanego statku wiertniczego i projekt techniczny jego przebudowy – 8 miesięcy

5. przebudowa statku wiertniczego, instalacja systemu wydobywczego – 12 miesięcy

6. pilotowe testy wydobywcze – 6 miesięcy

7. opracowanie wyników testów i wytycznych do budowy przemysłowego kompleksu wydobywczo-transportowego – 2 miesiące

0

1

2

3

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44

1

2

3

4 5 6 7

9-06-2016

Wstępne parametry prób:

• całkowity czas realizacji projektu – 44 miesiące

• czas trwania prób – 6 miesięcy

• ilość wydobytych konkrecji – 20.000 ton

• kosztorys projektu:

- projekt i budowa systemu wydobywczego

– 90 mln Euro

- wykonanie prób (eksploatacja statku) – 10 mln Euro

9-06-2016

5. Wnioski:

1. Dalsze prace projektowe nad przemysłowym kompleksem wydobywczo-transportowym wymagają finansowania projektów badawczo-rozwojowych:

- w zakresie modelowania matematycznego i

symulacji komputerowych zadania 1 i 2,

- w zakresie budowy prototypów i testów w

środowisku morskim zadanie 3.

2. Projekty w zadaniu 1 i 2 oraz w zadaniu 3 mogą być prowadzone równolegle.

9-06-2016

3. Wszystkie projekty badawczo-rozwojowe (zadania 1, 2 i 3) mogą w całości być zrealizowane w Polsce – są odpowiednie zespoły badawcze, wykonawcy urządzeń dla prototypowych instalacji wydobywczych oraz baza do przeprowadzenia doświadczeń.

4. Realizacja zaproponowanych projektów badawczo-rozwojowych pozwoli na rozpoczęcie projektowania i budowy przemysłowego kompleksu wydobywczo-transportowego do eksploatacji podwodnych złóż konkrecji.

9-06-2016