海洋鉆井隔水管張力器控制系統(tǒng)研究

摘 要：海洋鉆井隔水管張力器是浮式鉆井裝置上的一種關(guān)鍵設(shè)備，用于提升隔水管、消除隔水管重力、為伸縮節(jié)提供結(jié)構(gòu)性支持、保證隔水管的正常工作并消除浮式平臺(tái)或鉆井船相對(duì)于鉆井隔水管的升沉運(yùn)動(dòng)。其中，為提高張力器對(duì)波浪垂蕩運(yùn)動(dòng)的及時(shí)性，張緊裝置中的監(jiān)控控制系統(tǒng)至關(guān)重要，對(duì)保持隔水管受恒定張力、張緊器的運(yùn)動(dòng)行程以及張緊能力有重要的影響。海洋隔水管張力器主要有鋼絲繩式和液壓缸直接式（DAT）2種，不同類型張緊裝置的控制系統(tǒng)也有不同，滑輪鋼絲繩技術(shù)比較成熟，適用于安裝在半潛式鉆井平臺(tái)中鉆井模塊的四周，直接液缸式張緊器制造難度大，技術(shù)先進(jìn)，全球僅有一兩家公司具備制造能力，本文就兩種張緊器的控制系統(tǒng)分別探討其控制原理、控制方式、控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)等問題。

關(guān)鍵詞：隔水管；張緊系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；監(jiān)測(cè)響應(yīng)

海洋鉆井隔水管張緊器的技術(shù)革新隨著半潛式鉆進(jìn)平臺(tái)的技術(shù)發(fā)展而發(fā)展的，隔水管張緊器國(guó)內(nèi)研究還處于起步階段，現(xiàn)有寶雞石油機(jī)械有限公司、中國(guó)石油大學(xué)以及上海708研究所等單位研究，其設(shè)計(jì)和制造主要被NOV、CAMERCON、MH、CONTROL FLOW等西方少數(shù)公司掌握。

1滑輪鋼絲繩隔水管張力器控制系統(tǒng)

被動(dòng)補(bǔ)償式張緊器的控制系統(tǒng)是基于液缸下的控制模塊，在對(duì)張緊器活塞運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)信息監(jiān)控收集條件下，通過對(duì)比鉆井平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過人機(jī)界面HMI和邏輯控制單元SLCU對(duì)其控制操作。所采集的信號(hào)是由布置于抗反沖監(jiān)控單元的位移傳感器、線繩式位置傳感器、氣源監(jiān)控單元的傳感器以及鉆井平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)單元的速度位移傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，然后在CPU的每個(gè)脈沖周期，由SLCU對(duì)張緊器活塞位置和升沉運(yùn)動(dòng)單元發(fā)出坐標(biāo)詢問信號(hào)，處理傳遞過來(lái)的信號(hào)，以判斷系統(tǒng)的狀態(tài)。如圖1所示，是張緊器的監(jiān)測(cè)控制組成圖。

被動(dòng)式補(bǔ)償隔水管中對(duì)張緊力的控制可以采用間接張力控制法，又稱補(bǔ)償控制，它通過對(duì)影響張力穩(wěn)定的參數(shù)的調(diào)節(jié)補(bǔ)償可能出現(xiàn)的張力變化，間接地保持張力穩(wěn)定，即只給定張力設(shè)定值，不用檢測(cè)器采集張力的實(shí)際值，對(duì)張力不形成閉環(huán)控制，而是通過對(duì)被控機(jī)即驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流或勵(lì)磁電流的控制來(lái)間接對(duì)張力進(jìn)行恒定控制，從而使電動(dòng)機(jī)力矩保持不變，保證被卷取產(chǎn)品的張力恒定。如圖2所示，人工控制式張力補(bǔ)償控制。

2 直接作用式液缸隔水管張力器控制系統(tǒng)

直接作用式液缸隔水管張力器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)，隨著大型液壓缸制造技術(shù)的發(fā)展而逐漸被研究推廣使用，通常安裝在平臺(tái)的下表面，采用4個(gè)或6個(gè)為一組的液壓缸組合。

直接作用式液缸隔水管張緊系統(tǒng)由司鉆房遠(yuǎn)程控制，控制板分為3個(gè)功能模塊：壓力調(diào)節(jié)、細(xì)節(jié)監(jiān)控和通用功能。其控制系統(tǒng)是一種模塊化的集中控制系統(tǒng)，采用安全遙控操作系統(tǒng)，能處理系統(tǒng)內(nèi)部的連鎖及報(bào)警等，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)任何異常情況進(jìn)行信息報(bào)告或者報(bào)警。隔水管張緊系統(tǒng)的PLC柜是系統(tǒng)的通信與信息中心，所有的進(jìn)入/輸出設(shè)備、控制板及司鉆屏的信號(hào)都經(jīng)由此柜傳輸。升沉檢測(cè)裝置等功能與鋼絲繩式張緊器功能相似，在此不再贅述。直接作用式的這種自動(dòng)控制方式，波浪補(bǔ)償部分會(huì)投入工作，自動(dòng)控制需要設(shè)置起升的速度，補(bǔ)償形式等參數(shù)，剩余部分由波浪補(bǔ)償控制器根據(jù)傳感器采集的信號(hào)和控制流程與策略完成。整個(gè)系統(tǒng)的控制組成如圖3所示。

3結(jié)論

目前在鉆井平臺(tái)上安裝的被動(dòng)式隔水管張緊系統(tǒng)主要有鋼絲繩式張緊器和直接作用式張緊器兩種。雖然直接作用式張緊器的液壓缸尺寸比較大，但是鋼絲繩式張緊器的滑輪組占平臺(tái)空間較大，而且鋼絲繩易損壞失效，維修強(qiáng)度大。兩者的控制系統(tǒng)在原理上是基本一致的，只是直接作用式的張緊器控制系統(tǒng)需要基于液壓系統(tǒng)的發(fā)展，在集成電子技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)波浪垂蕩運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償。隔水管張緊器的控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題在于監(jiān)測(cè)響應(yīng)和張力控制，所控制的反饋信息基于監(jiān)測(cè)響應(yīng)的信號(hào)處理，所施加的張力控制也需要監(jiān)測(cè)響應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算機(jī)處理控制系統(tǒng)也是未來(lái)的張緊器應(yīng)該朝向自動(dòng)化的領(lǐng)域發(fā)展的方向。

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作者簡(jiǎn)介：

李宇（1997～），男，西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科在讀，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化。