海洋浮式鉆井天車升沉補償實驗教學平臺研制

張彥廷, 劉振東,2, 陳 帥, 王 康, 黃魯蒙, 劉明宇

(1. 中國石油大學(華東) 機電工程學院, 山東 青島 266580; 2. 中國石油大學(華東) 石油工業訓練中心, 山東 青島 266580)

深海油氣開采依靠浮式鉆井裝置,海浪的不規則運動使鉆井平臺產生六自由度運動,升沉補償裝置可以消除波浪升沉運動對鉆柱的影響,控制井底鉆壓穩定在允許范圍內,其性能直接影響到海洋石油的開采效率[1]。天車升沉補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點,在浮式鉆井船或半潛式鉆井平臺上得到廣泛應用[2-3]。

升沉補償裝置是石油高校機械工程專業的高年級本科生應重點了解的一種海洋石油裝備,目前多數學生對升沉補償裝置的認識僅停留在理論層面,缺乏感性認識和實際的動手操作訓練[4-8]。為此,研制了一套天車升沉補償模擬樣機并開發了升沉補償綜合實驗,使學生對天車升沉補償裝置有一個全面的了解,重點掌握天車升沉補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。

1機械系統設計

當浮式鉆井平臺隨海浪做升沉運動時,升沉補償裝置驅動浮動天車上下運動消除平臺升沉運動對鉆柱的影響,控制游車大鉤的絕對位置基本不變,井底鉆壓穩定在允許范圍內[9-11]。

根據相似理論及設計經驗[12-13],按照1∶5縮尺研制一套用于實驗教學的天車升沉補償實驗平臺,圖1為天車升沉補償實驗平臺機械系統。機械系統主要由升沉液壓缸、搖臂裝置、天車、游車、負載液壓缸、補償液壓缸、鋼絲繩和機架組成。其中天車2與游車8之間采用3＊2輪系,補償鋼絲繩3長度為恒定值,將系統構件連接成一個整體,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之間鋼絲繩的長度以改變游車8位置,實現船體升沉模擬運動;補償液壓缸7驅動天車2上下運動,控制游車8的絕對位置基本不變,實現升沉補償功能[6]。

2 液壓系統設計

液壓系統主要包括升沉運動液壓回路、負載模擬液壓回路、升沉補償液壓回路三部分,分別實現升沉運動模擬、鉆機負載模擬和升沉補償的功能(見圖2)[14]。

圖2 液壓系統原理圖

在升沉運動液壓回路中,升沉液壓缸采用復合式液壓缸,內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動升沉液壓缸活塞桿上下運動,模擬鉆井平臺隨海浪的升沉運動,具有易于控制、承載能力強的優點[14]。

負載模擬回路中,負載液壓缸倒置安裝,有桿腔與蓄能器連通模擬游車負載,調定蓄能器壓力即可改變游車負載值,克服了懸掛重物模擬負載的缺陷; 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,與實際鉆機負載模型相同。

在升沉補償液壓回路中,補償液壓缸為復合式液壓缸,外缸無桿腔與蓄能器相連平衡系統靜載,電磁比例換向閥根據升沉位移信號控制外缸有桿腔和內缸有桿腔的壓力驅動天車上下運動,控制游車位置基本不變。采用復合式液壓缸實現天車半主動式升沉補償功能,具有結構簡單、補償精度高、能耗低的優點。

半主動式天車升沉補償實驗平臺工作原理:當升沉液壓缸活塞桿向上運動時,位移傳感器將升沉液壓缸的運動信息傳遞給控制系統,控制系統按照既定的控制策略控制升沉補償回路中電液比例換向閥運動,從而控制補償液壓缸活塞桿帶動天車向下運動,兩種運動疊加,保證游車的絕對位置不變,實現升沉補償的功能。

3 電控系統設計

電控系統對天車升沉補償實驗平臺具有控制和監測功能[14]。控制功能主要是根據實驗裝置的工作原理,實現升沉模擬、鉆井負載模擬和升沉補償功能; 監測功能主要是能實時監測、顯示實驗系統各項參數。

3.1 電控系統方案

天車升沉補償裝置電控系統以西門子PLC和WinCC為基礎,傳感器將采集到的實時數據傳送至PLC,PLC向執行設備發送控制指令,控制系統的運動狀態；上位機PC端利用WinCC組態人機交互界面,PLC與WinCC之間采用TCP/IP協議進行通信,控制系統原理如圖3所示。

圖3 控制系統原理圖

系統采用兩臺西門子PLC分別控制泵站系統和閥臺系統,泵站PLC控制模塊主要控制升沉模擬運動系統和補償運動系統的泵出口流量和壓力,并且能夠實時監測系統工作壓力、流量和液壓油溫度等參數,使系統能夠在設定工況下正常運行。閥臺PLC主要控制系統中電液比例閥和電磁閥等。以補償運動系統為例,系統采用閉環控制,閥臺PLC以采集的升沉液壓缸位移為輸入信號,以采集的天車位移信號為反饋信號,經過PLC控制模塊分析處理,向電液比例閥發出控制信號，控制補償液壓缸的運動,補償船體的升沉運動。閥臺PLC與泵站PLC基于以太網S7通信協議進行通信,兩臺PLC之間能夠進行數據傳輸交換。

3.2 監控系統設計

實驗臺泵站控制界面如圖4所示,由菜單欄、狀態欄和控制欄組成。菜單欄位于界面最上部,主要是完成各界面之間的切換; 狀態欄位于界面中部,主要用來監測泵站系統的各項關鍵參數; 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。

閥臺監控主界面如圖5所示,左端為控制欄,控制電磁閥、泵、閉環控制策略，設定升沉幅值與周期，設定PID控制參數; 中間部分為天車升沉補償實驗系統結構簡圖; 右端為參數監測欄,可監測平臺升沉位移、天車位移、大鉤位移、泵出口壓力、補償液壓缸三腔工作壓力、負載蓄能器壓力等。

4 實驗研究

在實驗室進行了天車升沉補償實驗臺的調試實驗,實驗平臺見圖6。以船體升沉位移±500 mm、周期15 s進行實驗研究,系統升沉補償運動曲線如圖7所示。由圖可知天車運動位移與船體升沉位移相反,大小基本一致。當船體向下運動時,天車向上運動,大鉤位移為正；當船體向上運動時,天車向下運動,大鉤位移為負; 大鉤位移運動范圍為-29.97～31.98 mm,補償率為93.81%,系統運行平穩,補償效果好。一系列測試表明,研制的天車升沉補償實驗臺可以實現升沉補償的基本控制功能,滿足實驗教學的需求。

圖4 泵站監控系統主界面

圖5 閥臺監控系統主界面

圖6 天車升沉補償實驗臺

圖7 半主動式補償運動位移曲線

5 結語

研制了一套升沉補償實驗臺,包括機械系統、液壓系統、電控系統三部分,可以實現平臺升沉模擬、鉆井負載模擬和升沉補償的功能; 控制系統以西門子PLC為下位機,上位機采用WinCC組態人家交互界面,采用TCP/IP協議進行通信,達到實時監測和控制的要求。

開發天車升沉補償試驗臺用于石油高校機械工程學科高年級本科生的實驗教學,可使學生重點了解天車升沉補償的工作原理和結構組成,實現了實驗教學與工程應用的有機結合,提高了學生的綜合素質。