海洋浮式鉆井天車升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研制

張彥廷, 劉振東,2, 陳 帥, 王 康, 黃魯蒙, 劉明宇

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島 266580; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工業(yè)訓(xùn)練中心, 山東 青島 266580)

深海油氣開采依靠浮式鉆井裝置,海浪的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)使鉆井平臺(tái)產(chǎn)生六自由度運(yùn)動(dòng),升沉補(bǔ)償裝置可以消除波浪升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)鉆柱的影響,控制井底鉆壓穩(wěn)定在允許范圍內(nèi),其性能直接影響到海洋石油的開采效率[1]。天車升沉補(bǔ)償因具有占用甲板面積小、所需液壓管線短和鋼絲繩壽命不受影響的優(yōu)點(diǎn),在浮式鉆井船或半潛式鉆井平臺(tái)上得到廣泛應(yīng)用[2-3]。

升沉補(bǔ)償裝置是石油高校機(jī)械工程專業(yè)的高年級(jí)本科生應(yīng)重點(diǎn)了解的一種海洋石油裝備,目前多數(shù)學(xué)生對(duì)升沉補(bǔ)償裝置的認(rèn)識(shí)僅停留在理論層面,缺乏感性認(rèn)識(shí)和實(shí)際的動(dòng)手操作訓(xùn)練[4-8]。為此,研制了一套天車升沉補(bǔ)償模擬樣機(jī)并開發(fā)了升沉補(bǔ)償綜合實(shí)驗(yàn),使學(xué)生對(duì)天車升沉補(bǔ)償裝置有一個(gè)全面的了解,重點(diǎn)掌握天車升沉補(bǔ)償裝置的工作原理及控制方式,為以后走上工作崗位奠定基礎(chǔ)。

1機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)浮式鉆井平臺(tái)隨海浪做升沉運(yùn)動(dòng)時(shí),升沉補(bǔ)償裝置驅(qū)動(dòng)浮動(dòng)天車上下運(yùn)動(dòng)消除平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)鉆柱的影響,控制游車大鉤的絕對(duì)位置基本不變,井底鉆壓穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)[9-11]。

根據(jù)相似理論及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[12-13],按照1∶5縮尺研制一套用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的天車升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái),圖1為天車升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)主要由升沉液壓缸、搖臂裝置、天車、游車、負(fù)載液壓缸、補(bǔ)償液壓缸、鋼絲繩和機(jī)架組成。其中天車2與游車8之間采用3＊2輪系,補(bǔ)償鋼絲繩3長(zhǎng)度為恒定值,將系統(tǒng)構(gòu)件連接成一個(gè)整體,通過控制升沉液壓缸5活塞桿的伸縮量,改變天車2與游車8之間鋼絲繩的長(zhǎng)度以改變游車8位置,實(shí)現(xiàn)船體升沉模擬運(yùn)動(dòng);補(bǔ)償液壓缸7驅(qū)動(dòng)天車2上下運(yùn)動(dòng),控制游車8的絕對(duì)位置基本不變,實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償功能[6]。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要包括升沉運(yùn)動(dòng)液壓回路、負(fù)載模擬液壓回路、升沉補(bǔ)償液壓回路三部分,分別實(shí)現(xiàn)升沉運(yùn)動(dòng)模擬、鉆機(jī)負(fù)載模擬和升沉補(bǔ)償?shù)墓δ?見圖2)[14]。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

在升沉運(yùn)動(dòng)液壓回路中,升沉液壓缸采用復(fù)合式液壓缸,內(nèi)缸有桿腔和外缸有桿腔與電磁比例換向閥連通,外缸無桿腔與蓄能器連通,電液比例換向閥與蓄能器共同作用驅(qū)動(dòng)升沉液壓缸活塞桿上下運(yùn)動(dòng),模擬鉆井平臺(tái)隨海浪的升沉運(yùn)動(dòng),具有易于控制、承載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[14]。

負(fù)載模擬回路中,負(fù)載液壓缸倒置安裝,有桿腔與蓄能器連通模擬游車負(fù)載,調(diào)定蓄能器壓力即可改變游車負(fù)載值,克服了懸掛重物模擬負(fù)載的缺陷; 利用蓄能器的彈簧剛度特性可以模擬鉆柱剛度與井底鉆壓變化,與實(shí)際鉆機(jī)負(fù)載模型相同。

在升沉補(bǔ)償液壓回路中,補(bǔ)償液壓缸為復(fù)合式液壓缸,外缸無桿腔與蓄能器相連平衡系統(tǒng)靜載,電磁比例換向閥根據(jù)升沉位移信號(hào)控制外缸有桿腔和內(nèi)缸有桿腔的壓力驅(qū)動(dòng)天車上下運(yùn)動(dòng),控制游車位置基本不變。采用復(fù)合式液壓缸實(shí)現(xiàn)天車半主動(dòng)式升沉補(bǔ)償功能,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、補(bǔ)償精度高、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。

半主動(dòng)式天車升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作原理:當(dāng)升沉液壓缸活塞桿向上運(yùn)動(dòng)時(shí),位移傳感器將升沉液壓缸的運(yùn)動(dòng)信息傳遞給控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)按照既定的控制策略控制升沉補(bǔ)償回路中電液比例換向閥運(yùn)動(dòng),從而控制補(bǔ)償液壓缸活塞桿帶動(dòng)天車向下運(yùn)動(dòng),兩種運(yùn)動(dòng)疊加,保證游車的絕對(duì)位置不變,實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)對(duì)天車升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有控制和監(jiān)測(cè)功能[14]?？刂乒δ苤饕歉鶕?jù)實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理,實(shí)現(xiàn)升沉模擬、鉆井負(fù)載模擬和升沉補(bǔ)償功能; 監(jiān)測(cè)功能主要是能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)。

3.1 電控系統(tǒng)方案

天車升沉補(bǔ)償裝置電控系統(tǒng)以西門子PLC和WinCC為基礎(chǔ),傳感器將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至PLC,PLC向執(zhí)行設(shè)備發(fā)送控制指令,控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；上位機(jī)PC端利用WinCC組態(tài)人機(jī)交互界面,PLC與WinCC之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信,控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)采用兩臺(tái)西門子PLC分別控制泵站系統(tǒng)和閥臺(tái)系統(tǒng),泵站PLC控制模塊主要控制升沉模擬運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的泵出口流量和壓力,并且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作壓力、流量和液壓油溫度等參數(shù),使系統(tǒng)能夠在設(shè)定工況下正常運(yùn)行。閥臺(tái)PLC主要控制系統(tǒng)中電液比例閥和電磁閥等。以補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)為例,系統(tǒng)采用閉環(huán)控制,閥臺(tái)PLC以采集的升沉液壓缸位移為輸入信號(hào),以采集的天車位移信號(hào)為反饋信號(hào),經(jīng)過PLC控制模塊分析處理,向電液比例閥發(fā)出控制信號(hào)，控制補(bǔ)償液壓缸的運(yùn)動(dòng),補(bǔ)償船體的升沉運(yùn)動(dòng)。閥臺(tái)PLC與泵站PLC基于以太網(wǎng)S7通信協(xié)議進(jìn)行通信,兩臺(tái)PLC之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)泵站控制界面如圖4所示,由菜單欄、狀態(tài)欄和控制欄組成。菜單欄位于界面最上部,主要是完成各界面之間的切換; 狀態(tài)欄位于界面中部,主要用來監(jiān)測(cè)泵站系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù); 控制欄位于界面下部,包括泵控制、比例控制和電磁閥控制,主要由文本按鈕、輸入輸出域組成。

閥臺(tái)監(jiān)控主界面如圖5所示,左端為控制欄,控制電磁閥、泵、閉環(huán)控制策略，設(shè)定升沉幅值與周期，設(shè)定PID控制參數(shù); 中間部分為天車升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖; 右端為參數(shù)監(jiān)測(cè)欄,可監(jiān)測(cè)平臺(tái)升沉位移、天車位移、大鉤位移、泵出口壓力、補(bǔ)償液壓缸三腔工作壓力、負(fù)載蓄能器壓力等。

4 實(shí)驗(yàn)研究

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了天車升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)臺(tái)的調(diào)試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見圖6。以船體升沉位移±500 mm、周期15 s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,系統(tǒng)升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)曲線如圖7所示。由圖可知天車運(yùn)動(dòng)位移與船體升沉位移相反,大小基本一致。當(dāng)船體向下運(yùn)動(dòng)時(shí),天車向上運(yùn)動(dòng),大鉤位移為正；當(dāng)船體向上運(yùn)動(dòng)時(shí),天車向下運(yùn)動(dòng),大鉤位移為負(fù); 大鉤位移運(yùn)動(dòng)范圍為-29.97～31.98 mm,補(bǔ)償率為93.81%,系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),補(bǔ)償效果好。一系列測(cè)試表明,研制的天車升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償?shù)幕究刂乒δ?滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

圖4 泵站監(jiān)控系統(tǒng)主界面

圖5 閥臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)主界面

圖6 天車升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖7 半主動(dòng)式補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)位移曲線

5 結(jié)語

研制了一套升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)臺(tái),包括機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)三部分,可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)升沉模擬、鉆井負(fù)載模擬和升沉補(bǔ)償?shù)墓δ? 控制系統(tǒng)以西門子PLC為下位機(jī),上位機(jī)采用WinCC組態(tài)人家交互界面,采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信,達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的要求。

開發(fā)天車升沉補(bǔ)償試驗(yàn)臺(tái)用于石油高校機(jī)械工程學(xué)科高年級(jí)本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué),可使學(xué)生重點(diǎn)了解天車升沉補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟砗徒Y(jié)構(gòu)組成,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合,提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。