Problemstellung
Das Offshore-Ölfeld in der Petschorasee ist ein Projekt eines großen russischen Unternehmens zur Ölgewinnung auf dem arktischen Schelf. Weil sie für das Nordpolargebiet entwickelt worden ist, kann die Plattform unter extremen Wetterbedingungen eingesetzt werden und maximale Eislasten überstehen, was sie einzigartig macht und zu einem aus technischer Sicht komplexen Projekt.
Die erste Beladung eines arktischen Tankschiffes erfolgte im April 2014. Bis 2021 plant der Plattformbetreiber einer Erhöhung der Ölproduktion auf fünf Millionen Tonnen. Die gewonnenen Erfahrungen zeigten jedoch, dass ein maritimes Transportsystem für den Ölexport und die Lieferung von Versorgungsladungen zur und von der Plattform verbessert werden sollten. Unter Berücksichtigung der Veränderlichkeit der Wetter- und Eisbedingungen im arktischen Meer war es notwendig, die Effektivität, die Beständigkeit und Sicherheit des maritimen Transportsystems zu erhöhen.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, untersuchten Experten eines staatlichen Forschungszentrums für den Zeitraum bis 2038 ein Transportsystem für das offshore Ölfeld mit Hilfe eines detaillierten Simulationsmodells, das mit der AnyLogic Umgebung entwickelt worden ist.
Lösung
Das maritime Transportsystem enthält die Plattform selbst, zwei Shuttle-Tankschiffe und mehrere Versorgerschiffe. Trotz der offensichtlichen Einfachheit ist das Transportsystem aufgrund mehrerer wichtiger Eigenschaften recht spezifisch:
- Jedes der vier Frachtterminals hat seine betrieblichen Limitierungen aufgrund von Wetter- und Eisbedingungen, die sich durch eine hohe Veränderlichkeit auszeichnen.
- Weil Tankschiffe direkt von der Plattform mit Öl beladen werden, während die Abwicklung von Versorgungsladungen erfolgt, konkurrieren unterschiedliche Arten von Schiffen um die Wetterfenster der Terminals.
- Der Ladungsfluss von Öl und Nachschub variiert erheblich sowohl in Bezug auf die Menge als auch die Struktur.
- Die Kapazität von Öltanks und Vorratslagern auf der Plattform ist begrenzt. Aus diesem Grund ist eine bedarfsorientierte Organisation von Versorgungs- und Ölexportprozessen notwendig, ohne dass hierbei toter Lagerbestand entstehen darf.
Durch die Verwendung von agentenbasierter und ereignisorientierter Modellierung in der AnyLogic Umgebung erstellten die Experten eines staatlichen ein Simulationsmodell des Transportsystems. Das Modell erlaubte es ihnen alle wichtigen technischen Eigenschaften zusammen mit den physikalischen und logistischen Prozessen des realen Systems zu betrachten. Der Schiffsbetrieb zwischen dem offshore Ölfeld und dem Hafen von Murmansk wurden in der GIS Umgebung modelliert und dabei die natürlichen Gegebenheiten der Route einbezogen.
Mehrere sich gegenseitig beeinflussende Berechnungsprozesse wurden als einzelne Simulationsalgorithmen im Hauptsimulationsmodell dargestellt:
- Frachttransport, d. h., Betrieb der Schiffe entsprechend des Reiseplans.
- Erzeugung von Wetterbedingungen und Bestimmung der Erreichbarkeit der Frachtterminals.
- Modellierung der Dynamik beim Befüllen und Entladen der Lager der Plattform.
- Modellierung des Schiffsbetriebs in Plattformnähe.
- Stochastische Hilfsprozesse und Ereignisse, wie das Hinzufügen oder Entfernen von Schiffen aus dem Betrieb, die Ankunft eines Hubschraubers, etc.
Um die gleichzeitige Erreichbarkeit der vier Frachtterminals zu beschreiben und ihre Beschränkungen dabei zu berücksichtigen, erstellten die Experten einen zufallsabhängigen Generator der natürlichen Bedingungen im Bereich des Plattformstandorts. Der Generator ermöglichte es ihnen, Zeitreihen von 15 Umgebungsparametern, wie z. B. Geschwindigkeit und Richtung des Windes und der Strömung, Höhe der Wellen, Bewölkung, Lufttemperatur, Sicht und andere zu modellieren und dabei die wechselseitigen Beziehungen unterschiedlicher Parameter einzubeziehen. Zum Beispiel haben Wind und Strömung einen Einfluss auf die Geschwindigkeit und Richtung von Treibeis.
Das Modell beschrieb auch die komplizierte Logik, wenn sich mehrere Schiffe der Plattform nähern, die durch vielfältige Wetterbedingungen beeinträchtig werden. Die Experten fügten zum Modell die Fähigkeit dazu, den Betrieb mit unterschiedlichen Typen von Versorgungsladungen, die aufeinander folgen, durchzuführen. Dazu kamen ungeplante Betriebsunterbrechungen aufgrund eines Endes des Wetterfensters, der Wechsel eines Schiffes zu einem anderen Terminal oder das Verlassen der Drei-Meilen-Zone durch ein Schiff der Plattform. Das Modell enthielt ebenfalls einen Algorithmus für eine lokale Verringerung der Ölproduktion, falls das Risiko besteht, dass die Öllager vollständig gefüllt werden.
Die folgenden Daten dienten als Eingabeparameter: Geplanter Frachtfluss an Rohöl und Vorräten für einen Zeitraum bis 2038, taktischer Reiseplan für den Schiffsbetrieb, der durch einen Optimierungsalgorithmus erzeugt wurde, und die durchschnittliche Dauer des Betriebs der Schiffe.
Ergebnis
Die Experten eines staatlichen analysierten elf Verbesserungsmaßnahmen, um die Leistungsfähigkeit des maritimen Transportsystems der Plattform zu erhöhen. Die Liste der Maßnahmen enthielt: Betrieb eines zusätzlichen Tankschiffs, Erhöhung der Geschwindigkeit der Ölabgabe durch einen zusätzlichen Eisbrecher und andere Methoden. Der praktische Anspruch der Analyse war eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Transportsystems in Bezug auf das Verhältnis der Kosten und der erreichten Volumenreduktion des zu wenig produzierten Öls.
Das Volumen des zu wenig produzierten Öls von 2016 bis 2039 diente als das Hauptleistungsmerkmal. Dieses Volumen wurde basierend auf der Anzahl und der Dauer der Fälle berechnet, in denen das Volumen der Ölproduktion reduziert ist. Diese Fälle treten auf, wenn die Lager vollständig gefüllt sind und Tankschiffe das Öl nicht schnell genug abnehmen können.
Die erhaltenen Daten halfen den Experten aufzudecken, dass der Bau eines Terminals oder eines zusätzlichen Lagers einen absoluten Effekt zeigt, nämlich keinerlei zu wenig produziertes Öl. Jedoch zeigte sich, dass die praktische Umsetzung dieser Maßnahmen kostspielig und technologisch schwierig ist. Deshalb wurden sie nicht weiter betrachtet.
Die Simulationsmodellierung erlaubte den Experten aufzuzeigen, dass die Erweiterung der Zugänglichkeit der Ölterminals von allen Maßnahmen den größten positiven Effekt auf die Leistungsfähigkeit des Systems hat. Dies kann durch eine Reihe technischer Maßnahmen und durch eine Nutzung der kurzen Wetterfenster für Frachttankeroperationen erreicht werden. Durch letztere Maßnahme lässt sich die Gesamtdauer der Wetterfenster um 10-15 Prozent erhöhen. Der ausschlaggebende Punkt für die Systemeffizienz war jedoch nicht die Gesamtdauer der Zugangsperioden, sondern dass ein Tanker die Plattform zum gewünschten Zeitpunkt auch tatsächlich anfahren kann.
Durch das Modell konnten die Experten entdecken, dass die Zurverfügungstellung eines zusätzlichen Tankschiffes für den Betrieb keinen bedeutenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Systems hat, weil der Flaschenhals des Systems die Abgabe von Öl bei Wetteränderungen ist, nicht eine Knappheit an Tankern.
Die Ergebnisse der Studie, die mit Hilfe des AnyLogic Modells gesammelt werden konnten, halfen den Experten technische und betriebliche Eigenschaften für jede Verbesserungsmaßnahme zu bestimmen und statistische Verteilungen von allen Schlüsselparametern auszuwerten. Die erhaltenen Daten bildeten eine Grundlage für Managemententscheidungen auf der obersten Ebene eines der größten Ölproduktionsunternehmen in Russland.
Ein weiteres Projekt, das von den Experten des staatlichen Forschungszentrums für das Ölproduktionsunternehmen durchgeführt wurde, mit Hilfe von Simulationsmodellierung, war die Gestaltung eines maritimen Öltransportsystems für das harte Eisumfeld. Sie finden weitere Informationen über dieses Projekt im Bereich Fallstudien. Sie finden weitere Informationen über dieses Projekt im Bereich Fallstudien.