朱建魯，宋存永，單衛(wèi)光

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院 油氣儲(chǔ)運(yùn)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東 青島 266580)

0 引 言

全球海洋油氣資源潛力十分巨大。據(jù)國(guó)際能源署(IEA)統(tǒng)計(jì)，2017年全球海洋油氣技術(shù)可采儲(chǔ)量分別為10 970億桶和311萬(wàn)億m3，分別占全球油氣技術(shù)可采總量的32.81%和57.06%[1]，隨著能源的日益短缺以及需求量的不斷增加，海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)正逐步成為各國(guó)重要的能源發(fā)展戰(zhàn)略，在海上作業(yè)的油氣生產(chǎn)裝置，會(huì)隨著波浪一起晃動(dòng)，進(jìn)而對(duì)油氣生產(chǎn)工藝和設(shè)備造成影響[2]。在此背景下，我校油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)依托國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，按照“新工科”建設(shè)的要求[3-4]，采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐的能力，結(jié)合相關(guān)理論課教學(xué)，培養(yǎng)海洋油氣儲(chǔ)運(yùn)工程人才[5-6]。

對(duì)于晃蕩問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究[7-16]?；问幯芯恐饕?種方法：理論解析、數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)。理論解析和數(shù)值模擬法未能考慮液貨艙內(nèi)部液體變化機(jī)理，無(wú)法科學(xué)真實(shí)的反映晃蕩所產(chǎn)生的問(wèn)題，而模型試驗(yàn)由于成本較低且較為可靠，是主流的研究手段，國(guó)內(nèi)外各晃蕩研究機(jī)構(gòu)均采用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在室內(nèi)復(fù)現(xiàn)液艙的運(yùn)動(dòng)。六自由度晃蕩平臺(tái)是模擬波浪運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置，用來(lái)研究真實(shí)海洋條件下設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于海上油氣開(kāi)采具有重要意義。學(xué)生通過(guò)本實(shí)驗(yàn)可以對(duì)比不同晃蕩條件下設(shè)備和工藝參數(shù)的變化，對(duì)于理解海上油氣集輸?shù)日n程中所學(xué)知識(shí)，并開(kāi)展大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)理論知識(shí)應(yīng)用能力和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力。

1 六自由度晃蕩平臺(tái)教學(xué)設(shè)計(jì)

油田工藝系統(tǒng)中的大多數(shù)處理器，無(wú)論是油氣水分離器或凈化器都依靠重力分離原理。重力分離要求被處理液體處于較平穩(wěn)的狀態(tài)，而浮式生產(chǎn)系統(tǒng)破壞了這種平穩(wěn)狀態(tài)。其他的工藝設(shè)備都會(huì)受到運(yùn)動(dòng)的影響而降低操作性能。為了模擬海上運(yùn)行的特點(diǎn)并驗(yàn)證油氣儲(chǔ)運(yùn)裝置在晃蕩工況下運(yùn)行能行，設(shè)計(jì)并建造一套運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。該運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)為六自由度運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，除了能進(jìn)行各單自由度運(yùn)動(dòng)外，還能在規(guī)定的角度處于長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定傾斜狀態(tài)，主要由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)組成，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電動(dòng)系統(tǒng)。

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

最大負(fù)載質(zhì)量：6 000 kg；

質(zhì)心高：0.5 m；

上平臺(tái)尺寸為：4 m×4 m；

下平臺(tái)尺寸為：φ4.3 m六邊形

安裝在浮式平臺(tái)上的生產(chǎn)設(shè)備隨著浮體的運(yùn)動(dòng)或多或少會(huì)產(chǎn)生如圖1所示的6種形式的運(yùn)動(dòng)：縱蕩(surge)、橫蕩(sway)、垂蕩(heave)，屬于線性運(yùn)動(dòng)；橫搖(roll)、縱搖(pitch)和首搖(yaw)，屬于角度運(yùn)動(dòng)。海洋環(huán)境中不同浮式生產(chǎn)系統(tǒng)所受運(yùn)動(dòng)形式的影響程度存在差異，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 船體的六自由度運(yùn)動(dòng)

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 硬件及軟件設(shè)計(jì)

六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)組成如圖2所示。

整個(gè)系統(tǒng)由以下4部分組成：

(1)機(jī)械系統(tǒng)。①平臺(tái)。用于負(fù)載、試件的安裝，并帶動(dòng)負(fù)載、試件實(shí)現(xiàn)需要的運(yùn)動(dòng)。②上、下連接鉸。③預(yù)埋件。

(2)伺服控制系統(tǒng)硬件。①監(jiān)控單元。主要功能為監(jiān)控穩(wěn)定平臺(tái)的工作狀態(tài)、接受操作人員控制指令，控制試驗(yàn)系統(tǒng)完成試驗(yàn)任務(wù)。②伺服控制單元。主要功能為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)/停止、運(yùn)動(dòng)控制、系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障處理以及安全保護(hù)。③信號(hào)調(diào)理單元。主要功能為完成與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的各種位移、速度和數(shù)字I/O信號(hào)的調(diào)理，以及抱閘裝置的驅(qū)動(dòng)等。

(3)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。①電動(dòng)缸；②伺服電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、位置檢測(cè)設(shè)備。

(4)伺服控制系統(tǒng)軟件。伺服控制系統(tǒng)軟件結(jié)合伺服控制系統(tǒng)硬件完成系統(tǒng)各種控制功能，包括：①系統(tǒng)管理與監(jiān)控軟件。②伺服控制應(yīng)用軟件。

運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)為一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其上運(yùn)行運(yùn)動(dòng)控制軟件，界面見(jiàn)圖3。運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)的主要功能包括：產(chǎn)生各種運(yùn)動(dòng)波形，運(yùn)動(dòng)波形的幅度、頻率等參數(shù)受監(jiān)控單元控制，實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)解算，將運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)位姿指令轉(zhuǎn)換為電動(dòng)缸的位移指令，電動(dòng)缸的位置閉環(huán)控制，以便精確實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)軌跡，運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的啟動(dòng)、停止等邏輯控制，接收驅(qū)動(dòng)器返回的編碼器信號(hào)，用于伺服電機(jī)閉環(huán)控制。

圖3 控制軟件界面

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟與安排

實(shí)驗(yàn)裝置分為上位機(jī)和下位機(jī)，學(xué)生分為兩組，每組人數(shù)2～3人，第1組學(xué)生控制上位機(jī)，用來(lái)操作晃動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)型式、幅度和頻率，第2組學(xué)生控制下位機(jī)，以及工藝系統(tǒng)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)操作步驟：

(1)打開(kāi)下位機(jī)，進(jìn)入主界面，選擇“客戶機(jī)與服務(wù)器設(shè)置”，“地址”框選擇“dstp：//localhost/1_dof6”，點(diǎn)擊“連接”按鈕，若狀態(tài)欄輸出“active connected”，則與服務(wù)器連接成功。

(2)打開(kāi)上位機(jī)，點(diǎn)擊進(jìn)入“datasocket”，進(jìn)入主界面后，“地址”框選擇“.1.4/1”，點(diǎn)擊“連接”按鈕，若狀態(tài)欄輸出“active connected”，則與服務(wù)器連接成功。

(3))“動(dòng)態(tài)試驗(yàn)”時(shí)，設(shè)定運(yùn)行時(shí)間，點(diǎn)擊“進(jìn)入中位”，選擇相應(yīng)晃動(dòng)型式按鈕(X軸、Y軸、Z軸、RX軸、RY軸、RZ軸)，雙擊選框，輸入所需幅度mm/(°)、周期(s)和相位(°)，點(diǎn)擊“全部參數(shù)輸送”，反饋參數(shù)輸送完成后，點(diǎn)擊“動(dòng)態(tài)參數(shù)檢驗(yàn)”、“動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)”，設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行；若中途需停止設(shè)備，點(diǎn)擊“動(dòng)態(tài)停止”；若進(jìn)行下一組工況時(shí)，需重新點(diǎn)擊“進(jìn)入中位”后，修改參數(shù)、參數(shù)檢驗(yàn)、驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

(4)自由度顯示時(shí)，選“自由度”，根據(jù)圖形顯示情況，相應(yīng)調(diào)整“寬度倍數(shù)”、“間隔”數(shù)值。

(5)缸位移輸出顯示時(shí)，勾選“缸位移out”，根據(jù)圖形顯示情況，相應(yīng)調(diào)整“寬度倍數(shù)”、“間隔”數(shù)值。

(6)缸位移反饋顯示時(shí)，選“缸位移return”，根據(jù)圖形顯示情況，相應(yīng)調(diào)整“寬度倍數(shù)”、“間隔”數(shù)值。

(7)圖形存儲(chǔ)時(shí)，選“在線存盤(pán)wave.dat”，點(diǎn)擊“在線保存”，若需停止，點(diǎn)擊“停止保存”。

(8)實(shí)驗(yàn)停止，關(guān)閉上位機(jī)，按照下位機(jī)操作步驟進(jìn)行設(shè)備復(fù)位、關(guān)閉下位機(jī)。

2 晃蕩平臺(tái)應(yīng)用

2.1 設(shè)備安裝

為了通過(guò)晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證海上工藝的合理性、晃動(dòng)對(duì)于設(shè)備運(yùn)行的影響以及整體裝置在晃動(dòng)工況下的運(yùn)行性能，將裝置固定于晃動(dòng)平臺(tái)，通過(guò)調(diào)節(jié)晃動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同海況的模擬[17]，如圖4所示。

圖4 海上裝置晃蕩模擬實(shí)驗(yàn)圖

實(shí)驗(yàn)裝置需進(jìn)行不同形式、不同頻率和不同幅度的晃動(dòng)，因此對(duì)主要設(shè)備的撬裝強(qiáng)度和配管連接強(qiáng)度提出了更高的要求。為了增強(qiáng)主要設(shè)備、儀表和閥門(mén)的安裝固定強(qiáng)度，通過(guò)支架對(duì)各設(shè)備的連接強(qiáng)度進(jìn)行增強(qiáng)，并對(duì)配管連接的螺紋和焊口進(jìn)行加強(qiáng)，保證晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)中設(shè)備安裝和配管連接的強(qiáng)度。

晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)中需將主撬座固定至搖擺平臺(tái)上，主撬水平距離和豎直高度均發(fā)生變化?？紤]到主撬需進(jìn)行不同工況的晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)，主撬與地面裝置應(yīng)采用軟管重新連接。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部分，也是安全保護(hù)的具體執(zhí)行者，為了保證運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的安全運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種安全保護(hù)功能。主要包括：

(1)電動(dòng)缸的保護(hù)。行程開(kāi)關(guān)。在電動(dòng)缸的兩端設(shè)置有行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)電動(dòng)缸到達(dá)行程開(kāi)關(guān)處時(shí)，控制系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)的保護(hù)動(dòng)作。

(2)電機(jī)的剎車(chē)。①剎車(chē)裝置。當(dāng)系統(tǒng)處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)剎車(chē)裝置可以把驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速。②機(jī)械抱閘。伺服電機(jī)除了具有動(dòng)態(tài)剎車(chē)外，還有機(jī)械抱閘裝置，它與動(dòng)態(tài)剎車(chē)相互配合，能夠?qū)崿F(xiàn)要求的剎車(chē)過(guò)程。而且在系統(tǒng)斷電時(shí)，機(jī)械抱閘可以將伺服電機(jī)鎖住。

(3)驅(qū)動(dòng)器的過(guò)流保護(hù)。過(guò)流保護(hù)。當(dāng)電機(jī)的電流過(guò)大時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的逆變裝置會(huì)截止并報(bào)警。

2.2 平臺(tái)校核

為了防止在晃蕩過(guò)程中平臺(tái)失穩(wěn)，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。平臺(tái)下表面安裝上鉸支座，上表面用于安裝負(fù)載，負(fù)載在平臺(tái)帶動(dòng)下完成各種姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的上平臺(tái)

平臺(tái)主要參數(shù)如下：

(1)外形尺寸：4 000 mm×4 000 mm×162 mm;

(2)各部板厚:臺(tái)面板12 mm；底板6 mm；圍板8 mm；筋板12 mm;

(3)質(zhì)量：2 454 kg(不含螺紋柱、下鉸底板及加強(qiáng)板)。

平臺(tái)前3階固有頻率分別為54.37、67.52、117.81 Hz。校核結(jié)果如圖6所示。

圖6 一階固有頻率54.37 Hz

結(jié)果表明，在晃蕩時(shí)平臺(tái)的受力集中在四周，而且在平臺(tái)形變和強(qiáng)度的范圍內(nèi)，安全可行，可以開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 晃蕩條件下分離器運(yùn)行性能

以分離器為例，對(duì)晃蕩工況下裝置運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖7所示。混合介質(zhì)在繞管式換熱器之前氣液分離器中進(jìn)行氣液分離，D1503分離罐中的液位在裝置靜止時(shí)基本維持穩(wěn)定，無(wú)明顯波動(dòng)；進(jìn)行晃蕩時(shí)(橫搖5°,10 s)，液位的波動(dòng)曲線近似于正弦曲線，周期為10 s，變化幅度為116.44%，液位高度試驗(yàn)比靜止時(shí)降低7 μm，變化幅度為15.6%，這是由于晃動(dòng)使分離罐內(nèi)液體液位高度產(chǎn)生周期性波動(dòng)；氣相進(jìn)出口前后壓差上升3.2%，說(shuō)明由于晃動(dòng)的影響，使得流動(dòng)阻力增大；分離器后的繞管換熱器液位沒(méi)有變化，說(shuō)明分離器起到了良好的緩沖作用，未對(duì)后續(xù)設(shè)備造成影響。

圖7 晃蕩工況下分離器性能

3.2 晃蕩條件下?lián)Q熱器運(yùn)行性能

如圖8所示。在相同晃動(dòng)周期工況下，晃動(dòng)角度越大，深冷氣相進(jìn)出口溫差變化越劇烈，在晃蕩角度為9°時(shí)，變化幅度為-1.86%，變化幅度最大。這是由于在晃動(dòng)工況下，殼側(cè)與管側(cè)接觸更加充分導(dǎo)致的。傾斜工況下，換熱器性能下降，晃動(dòng)工況下，換熱器換熱能力有所改善，艏搖、縱蕩和垂蕩對(duì)換熱性能基本無(wú)影響，橫搖和縱搖產(chǎn)生積極影響，同時(shí)縱搖影響比橫搖影響大。當(dāng)晃動(dòng)幅度越大，頻率越大時(shí)，縱搖晃動(dòng)對(duì)換熱的促進(jìn)效果越明顯。

圖8 不同晃蕩幅度工況下?lián)Q熱器溫差圖

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用六自由度晃蕩平臺(tái)的教學(xué)成效主要體現(xiàn)在：

(1)適應(yīng)專(zhuān)業(yè)發(fā)展的需求，油氣領(lǐng)域目前從陸上向海洋發(fā)展，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)讓學(xué)生了解海洋條件下，油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備和工藝的運(yùn)行情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)接觸學(xué)科前沿，更加深入、全面掌握理論知識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

(2)有助于學(xué)生對(duì)理論教學(xué)知識(shí)的理解，并鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升教學(xué)效果和質(zhì)量，并豐富了研究手段，實(shí)現(xiàn)了海洋學(xué)科和石油與天然氣學(xué)科的有效融合。

(3)中心的教師和學(xué)生可利用六自由度晃蕩平臺(tái)應(yīng)用于科研，部分科研成果也可轉(zhuǎn)化為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室資源的有效整合和良性循環(huán)，即促進(jìn)了科研的進(jìn)步，又讓學(xué)生學(xué)到了更多的知識(shí)。

5 結(jié) 語(yǔ)

為了模擬油氣儲(chǔ)運(yùn)裝置在海上晃動(dòng)工況下的運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套模擬海上船體運(yùn)動(dòng)的六自由度晃蕩平臺(tái)，并將核心設(shè)備安裝在平臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在晃蕩時(shí)，平臺(tái)的受力集中在四周，而且在平臺(tái)形變和強(qiáng)度的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求；海上晃蕩工況下，分離器的液位和流動(dòng)阻力發(fā)生波動(dòng)，但起到了良好的緩沖作用，保證后續(xù)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定；傾斜工況下，換熱器性能下降，晃動(dòng)工況下，換熱器換熱能力有所改善，晃動(dòng)幅度越大，頻率越大時(shí)，縱搖晃動(dòng)對(duì)換熱的促進(jìn)效果越明顯。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用六自由度晃蕩平臺(tái)對(duì)油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)在海洋領(lǐng)域的發(fā)展具有指導(dǎo)意義，對(duì)于學(xué)生學(xué)科前沿領(lǐng)域的培養(yǎng)具有指導(dǎo)重要作用。