CN102169049B - 一种浮式钻井储油装卸系统的模型实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浮式钻井储油装卸系统的模拟实验装置及实验方法，其特征在于：运动控制系统连接船体运动模拟系统中的电液伺服作动器；船体运动模拟系统包括底端固定在地面基础上的下部支撑架，下部支撑架的顶部设置有一下部台面，下部台面顶部通过若干线性套筒和电液伺服作动器连接上部台面；TLD模型包括固定设置在上部台面上的若干滑轮组块，绕过各滑轮组块的各钢丝绳的一端共同悬吊一位于上部台面中部下方的甲板模型，各钢丝绳的另一端分别连接一设置在上部台面外侧的配重质量块；甲板模型的底面设置有若干拉伸弹簧，各拉伸弹簧的另一端固定在地面基础上；监测系统包括设置在TLD模型上的若干传感器和测力仪，各传感器和测力仪的输出端连接数据分析采集仪。

Description

一种浮式钻井储油装卸系统的模型实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及海洋石油工程领域的模型实验装置及实验方法，特别是关于一种张力甲板形式浮式钻井储油装卸系统(FDPSO-TLD)的模型实验装置及实验方法。

背景技术

浮式钻井储油装卸系统(FDPSO，Floating drilling production，storage andoffloading system)是海洋工程领域新兴起的一种概念设计，它是在浮式生产储油系统(FPSO，Floating production storage and offloading)的基础上添加钻井功能模块而成的一种新装备。张力甲板形式浮式钻井储油装卸系统(FDPSO-TLD，Tension leg deck)是其中的一种形式，其概念采用了类似张力腿平台(TLP，Tension leg platform)的技术，置于月池中的钻井甲板与海底通过张力腿连接，通过舷外的悬挂重块为张力腿提供张力。这种设计尚处于概念设计阶段，具体的设计和分析方法还远谈不上完善，主要表现在：1)FDPSO-TLD概念的可行性没有验证；2)FDPSO-TLD设计中月池尺寸和TLD的尺寸设计没有准则；3)FDPSO-TLD在动力情况下，TLD的运动性能不清楚。

在波浪荷载作用下，船体和TLD(Tension leg deck，张力甲板)的响应是耦合的，船体的升沉(Heave)，横摇(Roll)以及水平偏移(Offset)对TLD都有重要影响，决定着结构以及钻井采油作业的安全。对于不同的船体设计参数，船体运动情况都不尽相同，TLD系统也有不同的设计参数，因此，如果要通过水池模型实验来研究FDPSO-TLD的耦合运动特性就需要制作不同形状参数的船模，浪费大量实验时间和经费。在传统水池实验中，为了满足雷诺数相似规律，船模和TLD的尺寸比尺较小(1∶80左右)，重点在测量船体的运动特性，此类实验无法准确模拟船体上的子结构TLD的动力性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于张力甲板形式的浮式钻井储油装卸系统的模型实验装置及实验方法，该装置和方法可以做任意比尺的室内试验，可以仿真各种环境下TLD的运动情况。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种浮式钻井储油装卸系统的模型实验装置，其特征在于：它包括运动控制系统、船体运动模拟系统、TLD模型和监测系统；所述运动控制系统连接所述船体运动模拟系统中的电液伺服作动器；所述船体运动模拟系统包括底端固定在地面基础上的下部支撑架，所述下部支撑架的顶部设置有一下部台面，所述下部台面顶部通过若干线性套筒和所述电液伺服作动器连接上部台面；所述TLD模型包括固定设置在所述上部台面上的若干滑轮组块，绕过各所述滑轮组块的各钢丝绳的一端共同悬吊一位于所述上部台面中部下方的甲板模型，各所述钢丝绳的另一端分别连接一设置在所述上部台面外侧的配重质量块；所述甲板模型的底面设置有若干拉伸弹簧，各所述拉伸弹簧的另一端穿过所述下部台面固定在地面基础上；所述监测系统包括设置在所述TLD模型上的若干传感器和测力仪，各所述传感器和测力仪的输出端连接数据分析采集仪。

所述运动控制系统包括设置在实验室内的工控机平台，所述工控机平台的输出端连接数模转换器，所述数模转换器的输出端连接信号处理装置，所述信号处理装置的输出端连接所述船体运动模拟系统中的电液伺服作动器。

所述监测系统中的各所述传感器包括设置在各所述拉伸弹簧上的位移传感器；设置在各所述配重质量块上的加速度传感器；所述测力计设置在各所述钢丝绳上。

一种采用上述实验装置的浮式钻井储油装卸系统的模型实验方法，其包括以下步骤：1)启动运动控制系统产生数字信号，驱动船体运动模拟系统中的电液伺服作动器运动，带动船体运动模拟系统的上部台面做升沉和横摇运动，以模拟船体的运动状态；2)上部台面带动TLD模型的滑轮组块运动，进而带动甲板模型运动，甲板模型带动下部的拉伸弹簧拉伸，用于模拟真实海况下连接海底与甲板的张力腿；3)通过监测系统同步监测TLD模型的位移、速度、加速度、受力数据；通过信号分析采集仪采集上述数据，以用于分析TLD的运动规律，判断是否满足正常作业。

所述步骤1)中，通过运动控制系统中的工控机产生数字信号，通过数模转换器和信号处理装置将数字信号转换并放大，驱动船体运动模拟系统中的电液伺服作动器运动。

所述步骤4)中，通过监测系统中设置在各拉伸弹簧上的位移传感器；设置在各配重质量块上的加速度传感器；设置在钢丝绳上的测力计，同步监测TLD模型的位移、速度、加速度、受力数据。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于通过运动控制系统控制电液伺服作动器的行程来带动船体运动模拟系统，模拟真实海况下船体的升沉和横摇运动，不是针对某一确定船体的缩比模型，因此，本发明可以仿真各种环境参数和船体尺寸参数下船体的运动情况，节省实验成本。2、本发明装置考虑到TLD的质量与船体排水量之间相差较大，因此忽略TLD对船体运动的影响，将TLD的运动特性作为研究重点，TLD做了适当的模型简化，船体运动通过虚拟模拟实现，TLD系统采用实物模型，因此，这种实验可以做到中大比尺(1∶20)的室内试验，提高了实验精度。3、本发明将真实TLD中的张力腿立管结构简化为弹簧质量系统，因此便于选择TLD各个物理量的相似数，保持TLD结构的动力相似特性，不是简单的尺寸缩比。4、本发明将TLD模型与监测系统相连，通过安装在TLD模型上测量位移、速度及力的传感器可测得TLD的运动信息，传感器的输出端与数据分析采集系统相连，在显示器上显示监测信息，因此，本发明可以对TLD的运动情况进行实时监测，显示直观。本发明操作方便，可广泛用于张力甲板形式的浮式钻井储油装卸系统的模拟实验过程中。

附图说明

图1是本发明实验装置结构框图

图2是本发明装置主体结构示意图

图3是本发明装置主体结构主视示意图

图4是本发明装置主体结构俯视示意图

图5是本发明装置主体结构侧视示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括运动控制系统1，船体运动模拟系统2，TLD模型3和监测系统4。

运动控制系统1设置在实验室机房内，其包括：工控机平台、数模转换器、信号处理装置。工控机平台是以一台带有DS1104PPC控制器板的PVI/2GHz的研华工业控制机作为硬件平台，软件开发平台采用Matlab/Simulink，完成船体运动的数值仿真并转换为数字信号。工控机平台产生的数字信号传入数模转换器，数模转换器与信号处理装置输入端连接，信号处理装置输出端与船体运动模拟系统2中的电液伺服作动器24连接。

如图2～图5所示，船体运动模拟系统2包括由若干立柱和横梁焊接而成的下部支撑架21，下部支撑架21的各立柱底端固定在实验室的地面基础上，下部支撑架21的顶部设置有一“回”字形下部台面22，“回”字形下部台面22顶部通过若干线性套筒23和电液伺服作动器24与其上方的“回”字形上部台面25连接，线性套筒23和电液伺服作动器24的上、下端连接处均为铰接点，且线性套筒23只能上、下滑动。

如图2～图5所示，TLD模型3包括固定设置在“回”字形上部台面25上的若干滑轮组块31，绕过各滑轮组块31的各钢丝绳32的一端共同悬吊一甲板模型33，甲板模型33悬吊在“回”字形上部台面25的中部下方(如图3所示)，各钢丝绳32的另一端分别连接一设置在“回”字形上部台面25外侧的配重质量块34。甲板模型33的底面设置有若干拉伸弹簧35，拉伸弹簧35的另一端穿过“回”字形下部台面22固定在实验室地面基础5上。

监测系统4包括设置在各拉伸弹簧35上的位移传感器；设置在各配重质量块34上的加速度传感器；设置在钢丝绳32上的测力计；设置在实验室内的数据分析采集仪及显示器。以上所述传感器和测力计的输出端与数据分析采集仪相连接，保存记录实验数据，显示器显示监测数据。

上述实施例中，TLD模型3的拉伸弹簧35用于模拟连接海底与甲板的张力腿，拉伸弹簧35的刚度为张力腿的拉伸刚度，可选取不同刚度的弹簧来模拟不同的水深条件，配重质量块34为TLD模型设计的一个重要参数，实验中可配置不同重量的砝码，根据测量结果来分析配重质量块34对TLD运动性能的影响。

上述实施例中，运动控制系统1中所需的工控机、数模转换器和信号处理装置，船体运动模拟系统2中的电液伺服作动器24，TLD模型3中的拉伸弹簧35、钢丝绳32、配重质量块34，以及监测系统4中的位移传感器、加速度传感器、测力计和数据分析采集仪及显示器等均为市售产品或采用已知技术制造。其中，电液伺服作动器24的最大动负荷为±50KN，油缸行程±100mm，工作频率范围为20HZ。

本发明装置用于模拟FDPSO在海洋环境下的运动，其具体包括以下步骤：

1)启动运动控制系统1中的工控机，工控机平台产生数字信号，通过数模转换器和信号处理装置转换并放大，驱动船体运动模拟系统2中的电液伺服作动器运动，带动船体运动模拟系统2的“回”字形上部台面25做升沉和横摇运动，以模拟船体的运动状态；

2)“回”字形上部台面25带动TLD模型3的滑轮组块31运动，进而带动甲板模型33运动，甲板模型33带动下部的拉伸弹簧35拉伸，用于模拟真实海况下连接海底与甲板的张力腿；

3)通过监测系统4中设置在各拉伸弹簧35上的位移传感器；设置在各配重质量块34上的加速度传感器；设置在钢丝绳32上的测力计，同步监测TLD模型的位移、速度、加速度、受力等数据；通过信号分析采集仪采集实验过程中传感器产生的各种信号数据并在显示器上显示，采集到的数据用于分析TLD的运动规律，判断是否满足正常作业。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接和排列方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种浮式钻井储油装卸系统的模型实验装置，其特征在于：它包括运动控制系统、船体运动模拟系统、TLD模型和监测系统；

所述运动控制系统连接所述船体运动模拟系统中的电液伺服作动器；

所述船体运动模拟系统包括底端固定在地面基础上的下部支撑架，所述下部支撑架的顶部设置有一下部台面，所述下部台面顶部通过若干线性套筒和所述电液伺服作动器连接上部台面；

所述TLD模型包括固定设置在所述上部台面上的若干滑轮组块，绕过各所述滑轮组块的各钢丝绳的一端共同悬吊一位于所述上部台面中部下方的甲板模型，各所述钢丝绳的另一端分别连接一设置在所述上部台面外侧的配重质量块；所述甲板模型的底面设置有若干拉伸弹簧，各所述拉伸弹簧的另一端穿过所述下部台面固定在地面基础上；

所述监测系统包括设置在所述TLD模型上的若干传感器和测力仪，各所述传感器和测力仪的输出端连接数据分析采集仪。

2.如权利要求1所述的一种浮式钻井储油装卸系统的模型实验装置，其特征在于：所述运动控制系统包括设置在实验室内的工控机平台，所述工控机平台的输出端连接数模转换器，所述数模转换器的输出端连接信号处理装置，所述信号处理装置的输出端连接所述船体运动模拟系统中的电液伺服作动器。

3.如权利要求1或2所述的一种浮式钻井储油装卸系统的模型实验装置，其特征在于：所述监测系统中的各所述传感器包括设置在各所述拉伸弹簧上的位移传感器；设置在各所述配重质量块上的加速度传感器；所述测力仪设置在各所述钢丝绳上。

4.一种采用如权利要求1～3任一项所述实验装置的浮式钻井储油装卸系统的模型实验方法，其包括以下步骤：

1)启动运动控制系统产生数字信号，驱动船体运动模拟系统中的电液伺服作动器运动，带动船体运动模拟系统的上部台面做升沉和横摇运动，以模拟船体的运动状态；

2)上部台面带动TLD模型的滑轮组块运动，进而带动甲板模型运动，甲板模型带动下部的拉伸弹簧拉伸，用于模拟真实海况下连接海底与甲板的张力腿；

3)通过监测系统同步监测TLD模型的位移、速度、加速度、受力数据；通过信号分析采集仪采集上述数据，以用于分析TLD模型的运动规律，判断是否满足正常作业。

5.如权利要求4所述的一种浮式钻井储油装卸系统的模型实验方法，其特征在于：所述步骤1)中，通过运动控制系统中的工控机产生数字信号，通过数模转换器和信号处理装置将数字信号转换并放大，驱动船体运动模拟系统中的电液伺服作动器运动。

6.如权利要求4或5所述的一种浮式钻井储油装卸系统的模型实验方法，其特征在于：所述步骤3)中，通过监测系统中设置在各拉伸弹簧上的位移传感器，设置在各配重质量块上的加速度传感器，设置在钢丝绳上的测力仪，同步监测TLD模型的位移、速度、加速度、受力数据。

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