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(上海衡拓實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司， 上海 200031)

鉆井平臺主被動聯(lián)合升沉補(bǔ)償技術(shù)

夏海紅，李彬，丁鑫，陶俊

(上海衡拓實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，上海200031)

對鉆井平臺主被動聯(lián)合升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的組成及工作原理進(jìn)行分析，研究主被動聯(lián)合補(bǔ)償自動控制技術(shù)及自適應(yīng)比例-積分-微分(Proportion-Intergral-Derivative, PID)控制原理。采用AMEsim仿真技術(shù)，建立主被動聯(lián)合升沉補(bǔ)償系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行分析。結(jié)果表明：控制算法能較好滿足主被動聯(lián)合補(bǔ)償系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)要求，天車位移的變化振幅較小，補(bǔ)償速度達(dá)到設(shè)計要求，補(bǔ)償效果較好。

主被動聯(lián)合升沉補(bǔ)償；冗余設(shè)計；專家系統(tǒng)；比例-積分-微分控制；AMEsim；運(yùn)動姿態(tài)傳感器

0 引 言

隨著石油需求總量的不斷增長以及海洋工程的迅猛發(fā)展，世界油氣勘探開發(fā)重點(diǎn)向海洋深水轉(zhuǎn)移[1]。在進(jìn)行深海作業(yè)時，平臺受海浪影響，會產(chǎn)生6個自由度 (縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、艏搖和縱搖) 的運(yùn)動，安裝在平臺上的設(shè)備也會隨之運(yùn)動，極大地影響作業(yè)的效率與安全。當(dāng)進(jìn)行鉆井作業(yè)時，垂向的升沉運(yùn)動會導(dǎo)致鉆頭折斷，使得鉆井作業(yè)無法進(jìn)行，對鉆井設(shè)備造成損害，須采用補(bǔ)償系統(tǒng)對升沉進(jìn)行補(bǔ)償，減少鉆柱與海底的相對運(yùn)動，保證作業(yè)安全有效地進(jìn)行[2-3]。

根據(jù)補(bǔ)償?shù)膭恿碓?，升沉補(bǔ)償系統(tǒng)通常可分為：被動型、主動型和主被動聯(lián)合型等3種。被動補(bǔ)償[4]依靠平臺升沉產(chǎn)生的升力及重力，壓縮和釋放蓄能器中的空氣，補(bǔ)償性能差、滯后性大，但其優(yōu)點(diǎn)是幾乎不消耗動力。主動型補(bǔ)償依靠補(bǔ)償系統(tǒng)的動力源工作，由系統(tǒng)控制器產(chǎn)生控制信號控制絞車或泵站的運(yùn)動，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、補(bǔ)償精度高，但系統(tǒng)要求能耗較高。主被動聯(lián)合型將主動型補(bǔ)償與被動型補(bǔ)償結(jié)合起來，利用2種補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，既保證系統(tǒng)的補(bǔ)償效果又大大降低系統(tǒng)的能耗[5]。本文重點(diǎn)研究主被動聯(lián)合補(bǔ)償自動控制技術(shù)。

1 主被動聯(lián)合升沉補(bǔ)償系統(tǒng)介紹

鉆井工況中主被動聯(lián)合升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理如圖1所示，圖中MRU(Motion Transfer Unit)為運(yùn)動姿態(tài)傳感器。

圖1 主被動聯(lián)合升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理示意圖

圖1中：當(dāng)平臺上升時，天車相對于井架沿軌道向下運(yùn)動，壓縮主氣缸內(nèi)的氣體；平臺下沉?xí)r，主氣缸氣體膨脹推天車向上運(yùn)動。配備限速切斷閥，當(dāng)液壓缸的速度超過最大允許的工作速度而導(dǎo)致限速切斷閥兩端壓差過大時，此閥關(guān)閉，從而限制液壓缸伸縮速度，以保證在鉆柱突然斷裂而蓄能器內(nèi)充滿壓力油的情況下天車波浪補(bǔ)償裝置的安全。

被動型升沉補(bǔ)償裝置主要由被動油缸系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。被動油缸系統(tǒng)包括油缸本體、蓄能器和限速閥等3個模塊。油缸本體為主要承受補(bǔ)償負(fù)載構(gòu)件，通過高壓液壓油頂升柱塞，承載天車鉤載，隨平臺升沉運(yùn)動進(jìn)行被動補(bǔ)償運(yùn)動。液壓系統(tǒng)主要由電機(jī)、雙聯(lián)齒輪泵、卸荷閥、安全閥、高壓濾器、回油濾器、油箱及油箱附件等組成。液壓系統(tǒng)的主要功能是為油缸、限速閥及蓄能器油液側(cè)組成的補(bǔ)償回路進(jìn)行充油和補(bǔ)油。空氣系統(tǒng)主要有工作氣瓶組、備用氣瓶組、控制壓力氣瓶、主氣閥控制面板、增壓/減壓控制面板及其他附件組成。所有的工作氣瓶都配有安全閥、球閥及排氣閥，工作氣瓶類似巨大的帶氣墊的板簧，巨大的容量可保證輸出力基本恒定。

圖1中主動型補(bǔ)償器是天車型被動補(bǔ)償器的附加系統(tǒng)，采用被動波浪補(bǔ)償時，實(shí)際鉆機(jī)運(yùn)動和被動波浪補(bǔ)償之間存在時間間隔。主動波浪補(bǔ)償器對鉆柱運(yùn)動補(bǔ)償器天車施加作用力，以盡可能減小偏移、提高補(bǔ)償精度。主動升沉補(bǔ)償裝置由主動補(bǔ)償油缸組件、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。主動補(bǔ)償油缸組件包括油缸本體、控制閥組、蓄能器。油缸本體設(shè)計采用三腔油缸，該設(shè)計能保證在未采用傳統(tǒng)雙桿型設(shè)計時達(dá)到空間平衡，以縮短總長度。油缸裝置包括：集成位置傳感器，用于測量活塞桿位置和速度的相對變化。閥組安裝在油缸上，包括伺服閥、旁通閥、減壓閥、安全閥、壓力傳感器和測壓接頭。蓄能器充氮?dú)?，為活塞桿運(yùn)動提供背壓，保證推力穩(wěn)定。液壓系統(tǒng)為主動油缸提供主動補(bǔ)償力。主伺服換向閥由電控系統(tǒng)控制主油缸雙向進(jìn)油、出油，推動活塞桿上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償功能。高壓蓄能器保證高壓油路油壓穩(wěn)定。低壓補(bǔ)油閥組為管路補(bǔ)油。旁通閥開啟時主動油缸A口和B口連通，處于隨動狀態(tài)，與被動補(bǔ)償油缸一起運(yùn)動，本身不再具有補(bǔ)償功能。

2 升沉補(bǔ)償自動控制研究

升沉補(bǔ)償自動控制部分選用西門子冗余設(shè)計的高容錯、高可靠性、高性能處理器S7-400H系列，該處理器具有運(yùn)算能力強(qiáng)、響應(yīng)快速、實(shí)時性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足升沉補(bǔ)償控制的快速處理要求?？刂破鞑捎谩盁醾浞荨比哂嘣O(shè)計：在發(fā)生故障時無擾動地自動切換，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性。冗余控制的流程如圖2所示。

圖2 冗余控制流程圖

自動控制部分從功能模塊上可劃分為：控制模塊、接口模塊、通信模塊和監(jiān)測模塊。具體功能原理如圖3所示，圖中CPU(Central Processing Unit)為西門子控制器的運(yùn)算核心，HMI(Human Machine Interface)為人機(jī)接口。

圖3 控制系統(tǒng)功能框圖

控制部分硬件組態(tài)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

自動控制模塊CPU通過通信接口接收MRU發(fā)出的平臺升沉加速度和位移, 通過功能模塊接口接收油缸位移傳感器上采集到的油缸位移信號，CPU通過控制算法進(jìn)行位置閉環(huán)控制，輸出伺服閥的控制信號，通過驅(qū)動器驅(qū)動伺服閥，推動主動油缸動作。控制系統(tǒng)閉環(huán)原理如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)閉環(huán)原理

圖中MRU能提供高精確的平臺上下升沉位移和縱傾、橫傾角。油缸位移傳感器采用陶瓷集成測量系統(tǒng)行程測量裝置，測量數(shù)據(jù)可靠、精度高。在現(xiàn)場環(huán)境中各種干擾信號都會對數(shù)據(jù)采集造成影響，本文通過軟、硬件濾波結(jié)合的方式去除干擾。

圖6 主動型升沉補(bǔ)償裝置自適應(yīng)PID控制原理

在位置閉環(huán)控制中采用自適應(yīng)比例-積分-微分(Proportion-Intergral-Derivative, PID)控制算法。傳統(tǒng)PID控制器傳遞函數(shù)式中比例、積分和微分參數(shù)的確定建立在對象精確模型的基礎(chǔ)上，而本主動補(bǔ)償系統(tǒng)是機(jī)、電、液聯(lián)合的多變量時變非線性系統(tǒng)，建立精確數(shù)學(xué)模型比較困難。通過對鉆井平臺所處海域的水文研究，總結(jié)出該海域的波浪周期、浪高、潮、涌和環(huán)流等，并根據(jù)鉆井平臺的自身特征，計算出一套專家系統(tǒng)，可根據(jù)MRU采集的信號預(yù)判鉆井平臺的運(yùn)動趨勢，并將該專家系統(tǒng)植入控制器中。利用該專家系統(tǒng)，同時采用自適應(yīng)PID控制算法進(jìn)行位置閉環(huán)控制。自適應(yīng)PID控制器的原理如圖6所示。

CPU通過在線辨識，對PID的3個參數(shù)進(jìn)行實(shí)時整定，以滿足不同的位移誤差和誤差變化率對控制參數(shù)的不同要求，提高系統(tǒng)的精度，減少超調(diào)和靜差，使整個系統(tǒng)有良好的動、靜態(tài)性能。

3 仿真分析

為了更好地研究自動控制器的控制效果，采用計算機(jī)仿真技術(shù)對主被動聯(lián)合補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行分析。根據(jù)主被動聯(lián)合補(bǔ)償系統(tǒng)的工作原理及功能組成，建立主被動補(bǔ)償系統(tǒng)相關(guān)數(shù)學(xué)模型及AMEsim仿真模型，對正常補(bǔ)償工況下，聯(lián)合補(bǔ)償系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行仿真分析。

系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。本文采用振幅2 m，周期12 s的正弦信號模擬平臺升沉運(yùn)動，補(bǔ)償負(fù)載為225 t。PID控制器采用自適應(yīng)控制算法，分析天車及鉆桿的受力變化、位移變化及速度變化。

圖7 主被動聯(lián)合升沉補(bǔ)償系統(tǒng)仿真模型

仿真結(jié)果如圖8所示?？捎蓤D8a)可以看出:主動、被動聯(lián)合補(bǔ)償后，天車位移變化幅值約為0.13 m，與2 m振幅輸入相比，位移補(bǔ)償效果達(dá)93.5%。由圖8b)可以看出：補(bǔ)償缸最大補(bǔ)償速度為0.89 m/s。由圖8c)可以看出：天車受力變化幅值約16.5 t，該值可近似反映鉆頭鉆壓的變化，與225 t補(bǔ)償負(fù)載相比，鉆頭鉆壓變化補(bǔ)償效果約為92.7%；由圖8d)可以看出：在一個很寬的頻帶(0～62 Hz)內(nèi)，幅頻特性均為負(fù)值，即天車的位移小于海浪輸入位移，具有升沉補(bǔ)償?shù)男Ч?。由海浪的頻譜可知：海浪的主頻一般低于0.1 Hz。因此，主被動聯(lián)合升沉補(bǔ)償系統(tǒng)在整個海浪的頻帶內(nèi)都可以較好地對天車升沉位移進(jìn)行補(bǔ)償。

圖8 AMEsim仿真結(jié)果曲線

4 結(jié) 論

本文分析主被動聯(lián)合補(bǔ)償系統(tǒng)組成及工作原理，設(shè)計自適應(yīng)PID控制算法，并通過AMEsim仿真對控制算法的控制效果進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明：

(1) 采用自適應(yīng)PID控制算法能較好地滿足主動、被動補(bǔ)償系統(tǒng)閉環(huán)控制性能，對天車位移及鉆頭鉆壓的補(bǔ)償量分別達(dá)到93.5%、92.7%，補(bǔ)償速度達(dá)到0.89 m/s，滿足實(shí)際使用工況的要求。

(2) 采用自適應(yīng)PID控制算法，鉆井工況主被動聯(lián)合升沉補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償速度快、補(bǔ)償精度高。但由于海洋平臺以及鉆井包系統(tǒng)的復(fù)雜性，還需要通過后續(xù)搭建試驗(yàn)平臺驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1] 方華燦. 對我國深水半潛式平臺設(shè)計的幾點(diǎn)淺見[J]. 中國海洋平臺, 2008, 23(02): 1-7.

[2] XU Q, ABBOTT P A, HALKYARD J. Heave Suppressed Offshore Drilling and Production Platform and Method of Installation: US, 6652192 [P]. 2003-11-25.

[3] 吳百海, 肖體兵, 龍建軍，等.深海采礦裝置的自動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的模擬研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2003，39(07): 128-132.

[4] 倪佳, 劉少軍, 李小飛. 深海采礦被動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)建模及仿真研究[J]. 計算機(jī)仿真, 2010, 27(05): 247-251.

[5] SARKER G, MYERS G, WILLIAMS T, et al. Comparison of Heave Motion Compensation Systems on Scientific Ocean Drilling Ship and Their Effects on Wire Line Logging Data[C]//Offshore Technology Conference, Houston, Texas, 2006.

HeaveCompensationTechnologyoftheActive&PassiveCombinationCompensatorSystemofDrillingPlatform

XIA Haihong， LI Bin， DING Xin， TAO Jun

(Shanghai Hunter Industry Development Co., Ltd.， Shanghai 200031, China)

The composition and working principle of active & passive combined heave compensation system of drilling platform are analyzed. The active & passive combined compensation automatic control technology and adaptive Proportion-Intergral-Derivative(PID) control principle are studied. Active & passive combined compensation system is established and analyzed with AMEsim Simulation technology. The results of the simulation indicate that the arithmetic suffices the dynamic response demand of active & passive combination compensation system, the varieties of the displacement is small, the compensation velocity satisfies the design requirements, and the compensation effect is good.

active & passive combined heave compensation; redundancy design; expert system; Proportion-Intergral-Derivative(PID) control; AMEsim; Motion Transfer Unit(MRU)

1001-4500(2017)06-0087-06

2017-08-01

夏海紅(1973-)，女，高級工程師

U665.13

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