CN104890830A - 深水动力定位半潜式平台调谐垂荡板减摇减荡控制系统 - Google Patents

深水动力定位半潜式平台调谐垂荡板减摇减荡控制系统 Download PDF

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Abstract

深水动力定位半潜式平台调谐垂荡板减摇减荡控制系统，涉及一种深水半潜式平台的调谐垂荡板系统，半潜式平台甲板同侧的两个平台立柱下端与平台浮箱固结，在平台浮箱的底部、平台立柱的正下方各安装一个调谐垂荡板系统，调谐垂荡板系统包括垂荡板、连接桁架、回复弹簧、主动变阻尼装置和限位弹簧。本发明依据海况或实际需求通过调节回复弹簧刚度可分别实现控制垂荡响应或对横摇、纵摇自由度实现减摇控制，使动力定位系统无法控制的垂直面自由度运动响应得到控制，以适应更加恶劣的海况。

Description

深水动力定位半潜式平台调谐垂荡板减摇减荡控制系统
技术领域
本发明涉及一种半潜式平台，特别是关于一种具有活动调谐垂荡板的深水动力定位深水半潜式平台。
背景技术
深水半潜式平台以其甲板面积大，装载量大，建造难度低等优点成为深水油气勘探开发的重要装备之一。随着平台作业水深的增加，传统锚泊系统锚链的长度和强度都需增加，由此使整个锚泊系统的重量剧增，而且在布置锚链时较为复杂，并需覆盖较大的水面面积，影响其它船舶的航行或钻探作业。为此，动力定位系统由于其成本不随水深的增加而增加，被广泛应用到深水海洋浮式结构物上。动力定位系统受推力器出力方向的限制，仅能控制纵荡、横荡和艏摇自由度。因此采用动力定位系统的深水半潜式平台在垂荡、横摇和纵摇自由度的响应更加不易控制。受涌浪的作用，过大的横摇和纵摇响应会减小平台的气隙，进而造成波浪对平台下甲板的抨击作用，并且对乘员的舒适性和作业的安全性产生不利影响，影响生产效率。除此之外，过大的横摇和纵摇响应会造成平台上货物的损坏。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是采用调谐垂荡板系统，为深水半潜式平台提供额外的回复力或回复力矩，以改善深水半潜式平台的运动性能，适应更加恶劣的深海海况。
为实现上述目的，本发明提供了深水动力定位半潜式平台调谐垂荡板减摇减荡控制系统，主要由半潜式平台甲板；4个平台立柱；2个平行布置，并连接平台立柱下端的平台浮箱；8个全回转推力器和4套调谐垂荡板系统组成。
在半潜式平台甲板底面的四角处以甲板几何中心为中心对称点，安装4个平台立柱；在纵荡方向同侧的两个平台立柱下端与平台浮箱固定连接；在平台浮箱的底部、位于每个平台立柱的正下方位置，各安装用于实现减摇减荡控制的调谐垂荡板系统。
每个调谐垂荡板系统主要包括2个主动变阻尼装置、1个回复弹簧、两个法兰盘、4套限位弹簧、垂荡板立柱、垂荡板桁架斜撑和垂荡板；方形垂荡板的上表面四角处和中心位置分别固接垂荡板立柱，在五个垂荡板立柱的中间位置处固定有连接五个垂荡板立柱的水平桁架；由水平桁架、垂荡板、五个垂荡板立柱和垂荡板桁架斜撑构成一个矩形桁架体。
位于垂荡板中心位置的垂荡板立柱上端与固定于平台浮箱内部的回复弹簧连接；位于垂荡板对角线位置的两根垂荡板立柱上端分别与固定于平台浮箱内部的两个主动可变阻尼装置的活塞推杆连接；剩余两根垂荡板立柱上端分别与固定于平台浮箱内部的法兰盘连接，在法兰盘的上下等距离处的垂荡板立柱上安装限位弹簧，限位弹簧固定在平台浮箱上。
8个全回转推力器分为四组，每组各包括两个全回转推力器，将四组全回转推力器分别安装在平台浮箱下表面的两端；每组两个推力器均采用错位布置。
可以将垂荡板立柱与平台浮箱固结。
半潜式平台甲板可以是矩形、圆形或者椭圆形。
本发明的有益效果如下：
8个全回转推力器共同为半潜式平台甲板提供控制力或控制力矩，对半潜式平台甲板纵荡、横荡和艏摇自由度的大幅慢漂运动进行控制。
垂荡板系统在水下为半潜式平台甲板提供额外的附加质量和附加粘滞阻尼， 从而可有效地提高半潜式平台的垂荡性能。
对回复弹簧回复刚度进行调节，使垂荡板系统与半潜式平台甲板被控自由度(横摇或纵摇)的调谐比为1，可对半潜式平台甲板横摇和纵摇自由度同时发挥减摇控制作用。
通过数值模拟及实验相结合的方式优化选择主动变阻尼装置的阻尼后，可进一步消耗半潜式平台甲板结构运动传递到垂荡板的动能，从而提高垂荡板系统的控制能力。
安装于垂荡板边缘的剩余两根立柱在平台内设置了限位弹簧，并结合主动变阻尼装置，可对垂荡板运动位移幅值进行约束，减小系统运行空间。
调谐垂荡板系统处于平衡位置时，在两个限位弹簧中间位置的垂荡板立柱上安装法兰盘，当调谐垂荡板系统运动时法兰盘与限位弹簧接触后限位弹簧通过压缩变形为垂荡板系统提供二级刚度，实现限位作用。
附图说明
图1为本发明整体示意图。
图2为调谐垂荡板系统结构示意图。
图3为全回转推力器的布置图。
图中：1.半潜式平台甲板；2.平台立柱；3.平台浮箱；4.全回转推力器；5.主动变阻尼装置；6.回复弹簧；7.限位弹簧；8.垂荡板立柱；9.垂荡板桁架斜撑；10.垂荡板；11.法兰盘。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做具体的说明
深水动力定位半潜式平台调谐垂荡板减摇减荡控制系统，主要由半潜式平台 甲板1；4个平台立柱2；2个平行布置，并连接平台立柱下端的平台浮箱3；8个全回转推力器4和4套调谐垂荡板系统组成；
在半潜式平台甲板1底面的四角处以甲板几何中心为中心对称点，安装4个平台立柱2；在纵荡方向同侧的两个平台立柱2下端与平台浮箱3固定连接；在平台浮箱3的底部、位于每个平台立柱2的正下方位置，各安装用于实现减摇减荡控制的调谐垂荡板系统。
每个调谐垂荡板系统主要包括2个主动变阻尼装置5、1个回复弹簧6、两个法兰盘11、4套限位弹簧7、垂荡板立柱8、垂荡板桁架斜撑9和垂荡板10；方形垂荡板10的上表面四角处和中心位置分别固接垂荡板立柱8，在五个垂荡板立柱8的中间位置处固定有连接五个垂荡板立柱的水平桁架；由水平桁架、垂荡板10、五个垂荡板立柱8和垂荡板桁架斜撑9构成一个矩形桁架体。
位于垂荡板10中心位置的垂荡板立柱8上端与固定于平台浮箱3内部的回复弹簧6连接；位于垂荡板对角线位置的两根垂荡板立柱8上端分别与固定于平台浮箱3内部的两个主动可变阻尼装置5的活塞推杆连接；剩余两根垂荡板立柱8上端分别与固定于平台浮箱3内部的法兰盘11连接，在法兰盘11的上下等距离处的垂荡板立柱8上安装限位弹簧7，限位弹簧7固定在平台浮箱3上。
8个全回转推力器4分为四组，每组各包括两个全回转推力器，将四组全回转推力器4分别安装在平台浮箱3下表面的两端；每组两个推力器均采用错位布置。
半潜式平台动力定位系统采用GPS实时测量半潜式平台的位移响应，与预设的半潜式平台定位目标进行比较后，通过位于半潜式平台甲板1控制室内的计算机控制系统由预先设定的程序自动优化计算出半潜式平台所需的总控制力，紧接 着由推力分配优化程序计算出每个全回转推力器4的出力方向和控制力，从而实现对半潜式平台纵荡、横荡和艏摇自由度的大幅慢漂运动的控制。
根据平台作业海域的海况及控制要求，通过安装卡箍来调节回复弹簧6的长度，进而达到调节回复弹簧6回复刚度的目的，使垂荡板系统与半潜式平台的垂荡自由度调谐比为1，垂荡板10运动幅值被放大，整个垂荡板系统可为半潜式平台提供更大的惯性力和粘滞阻尼力，从而可有效地提高半潜式平台的垂荡性能。
通过数值模拟及实验相结合的方式优化选择主动变阻尼装置5的阻尼后，可使垂荡板系统除了自身附加粘滞阻尼外还可由主动变阻尼装置5进一步消耗半潜式平台甲板1传递到垂荡板10的动能。
限位弹簧7，可对垂荡板10运动位移幅值进行约束，减小垂荡板系统的运行空间。
当调谐垂荡板系统处于平衡位置时，在上下两个限位弹簧7中间位置的垂荡板立柱上安装法兰盘11，为了避免由于垂荡板运动对平台结构的撞击，当调谐垂荡板系统运动幅值较大时，法兰盘11与固定于浮箱3内的限位弹簧7直接接触后，限位弹簧7通过压缩变形为垂荡板系统提供二级刚度，实现对垂荡板运动行程的限位作用。

Claims (3)

1.深水动力定位半潜式平台调谐垂荡板减摇减荡控制系统，其特征在于主要由半潜式平台甲板(1)；4个平台立柱(2)；2个平行布置，并连接平台立柱下端的平台浮箱(3)；8个全回转推力器(4)和4套调谐垂荡板系统组成；
在半潜式平台甲板(1)底面的四角处以甲板几何中心为中心对称点，安装4个平台立柱(2)；在纵荡方向同侧的两个平台立柱(2)下端与平台浮箱(3)固定连接；在平台浮箱(3)的底部、位于每个平台立柱(2)的正下方位置，各安装用于实现减摇减荡控制的调谐垂荡板系统；
每个调谐垂荡板系统主要包括2个主动变阻尼装置(5)、1个回复弹簧(6)、两个法兰盘(11)、4套限位弹簧(7)、垂荡板立柱(8)、垂荡板桁架斜撑(9)和垂荡板(10)；方形垂荡板(10)的上表面四角处和中心位置分别固接垂荡板立柱(8)，在五个垂荡板立柱(8)的中间位置处固定有连接五个垂荡板立柱的水平桁架；由水平桁架、垂荡板(10)、五个垂荡板立柱(8)和垂荡板桁架斜撑(9)构成一个矩形桁架体；
位于垂荡板(10)中心位置的垂荡板立柱(8)上端与固定于平台浮箱(3)内部的回复弹簧(6)连接；位于垂荡板对角线位置的两根垂荡板立柱(8)上端分别与固定于平台浮箱(3)内部的两个主动可变阻尼装置(5)的活塞推杆连接；剩余两根垂荡板立柱(8)上端分别与固定于平台浮箱(3)内部的法兰盘(11)连接，在法兰盘(11)的上下等距离处的垂荡板立柱(8)上安装限位弹簧(7)，限位弹簧(7)固定在平台浮箱(3)上；
8个全回转推力器(4)分为四组，每组各包括两个全回转推力器，将四组全回转推力器(4)分别安装在平台浮箱(3)下表面的两端；每组两个推力器均采用错位布置。
2.根据权利要求1所述的用于深水动力定位半潜式平台的调谐垂荡板控制系统，其特征在于将垂荡板立柱(8)与平台浮箱(3)固结。
3.根据权利要求1所述的用于深水动力定位半潜式平台的可变调谐垂荡板控制系统，其特征在于半潜式平台甲板是矩形、圆形或者椭圆形。
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