CN105911946B - 一种张力腿平台顶张式立管防碰自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种张力腿平台顶张式立管防碰自动控制系统，包括数据监测模块部分、核心控制器模块部分、故障监测部分、显示及存储部分、危险报警部分、故障报警部分以及执行部分，核心控制器模块部分接收来自数据监测模块部分的信息，同时故障监测部分监测核心控制器以及立管张紧器的运行状态。该系统对不同平台顶张式立管系统具有较大的适应性，稳定性强、方便实用，降低了设计成本，还具有易推广的潜在优势，具有广泛的市场前景，对提高顶张式立管防碰控制的能力、自动化程度和安全性具有重要意义。

Description

一种张力腿平台顶张式立管防碰自动控制系统

技术领域

本发明涉及一种张力腿平台顶张式立管防碰自动控制系统，属于海洋工程设备技术领域。

背景技术

随着深水海洋油气勘探开发迅速发展，浮式生产和钻井装备得到广泛应用，张力腿平台以其成熟的技术和良好的运动特性成为目前深海油气开采选用的主要平台型式之一，且与半潜式平台相比，使用张力腿平台进行油气开采作业具有高效性、经济性和稳定性的特点。

对于张力腿平台丛式立管而言，其在复杂的外部载荷和管内多种流体的共同作用下，可能导致相邻立管运动响应失谐，引发碰撞，致使立管出现断裂、凹陷损伤及整体弯曲等结构损伤；由于碰撞事故发生破坏了立管系统的结构完整性，降低了立管的极限承载力，从而引起停产或管内油气泄漏等事故，进而造成严重的环境污染和重大经济损失，而快速、有效的防碰控制技术和策略对于减小顶张式立管在超强台风下发生碰撞的可能性具有重要意义。所以，对立管的防碰控制进行研究具有很强的科研意义和巨大的实际价值。

目前张力腿平台顶张式立管的防碰控制方法一般为：在张力腿平台经历风暴时，通过调整立管张力，使上下游立管具有相同大小的顶张力，但此方法控制效果差，不利于顶张式立管的防碰。在超强台风工况下，为保证上下游立管之间具有足够的间距，避免张力腿平台在发生偏移的情况下立管之间发生相互碰撞，保证顶张式立管安全，通过开发一套顶张式立管防碰自动控制系统，实时监测顶张式立管的情况，一旦系统发现上下游立管间距过小，则立即开启自动控制模式进行立管张紧系统的调整。通过控制立管的有效长度，可在不同海况下，为立管张紧系统采取合理的调整措施提供技术支持，从而大大简化操作流程提高工作效率，同时降低顶张立管碰撞发生概率。

发明内容

针对现今张力腿平台顶张式立管所采用的防碰控制方法不能够保证上下游立管之间具有足够的安全距离，防碰控制能力低、效果差、不能够很好解决立管的碰撞问题等缺点，提供一种实用、安全、高效、反应迅速的新型顶张式立管主动防碰自动控制系统，进行立管张紧系统的实时自动精确调整，实现上下游顶张式立管的防碰。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种张力腿平台顶张式立管防碰自动控制系统，包括数据监测模块部分、核心控制器模块部分、故障监测部分、显示及存储部分、危险报警部分、故障报警部分以及执行部分，核心控制器模块部分接收来自数据监测模块部分的信息，同时故障监测部分监测核心控制器以及立管张紧器的运行状态，若未监测到二者发生故障，核心控制器模块部分将所收集信息经过处理和判断后，精确计算得到立管张紧力和张紧器活塞杆伸出量预期值，并发出相应的控制指令，通过自动控制上下游立管张紧器液压气动装置的工作，从而进行立管张紧系统的自动调整，实现立管的防碰。若监测到核心控制器故障或张紧器发生故障，则通过故障报警器发出报警信号，通知工作人员对故障部分进行修复。系统运行的同时主控制模块将处理以后的数据及相应的控制指令发送给存储模块和显示模块，存储模块实时存储重要的监测数据和控制指令，显示模块将主要信息要素呈现给工作人员，便于工作人员了解控制系统的运行状态。具体地，所述的监测模块部分包括环境参数监测设备、平台偏移量监测设备、立管张紧力监测设备、立管伸长量测量设备、立管间距监测设备，张紧器活塞杆伸出量测量设备，张紧器监测设备，便于对平台的位置、风浪流参数、立管张紧力大小和伸长量、上下游立管间距、张紧器活塞杆伸出量、张紧器状态信息进行监测。

具体地，所述的核心控制器模块部分包括信息接收模块、判断处理模块和信息发送模块，而判断处理模块是核心控制器模块的核心模块。

具体地，所述的判断处理模块内置数据综合处理模块，主要用来分析处理环境载荷、平台偏移量、立管张紧力、立管伸长量、立管之间的间距、张紧器活塞杆伸出量等信息。作为控制系统的执行的判断条件，判断处理模块综合分析输入信息，判断是否需要对立管张紧器系统进行调整，如果对综合信息进行处理以后，发现丛式立管有效长度发生变化，且有相互碰撞的趋势，立即启动自动控制，并通过计算机程序运算选取最优控制方案，最后通过信息发送模块发送控制指令。

为方便了解控制系统当前和过往状态，保存重要的监测数据及控制指令，设置了显示模块和数据存储模块，主控制模块将处理以后的监测信息及相应的控制指令通过信息发送模块传送给所述的显示模块和数据存储模块，实现控制系统工作状态的实时显示和定期记录。

为增加系统稳定性，增加所述故障监测模块，实时监测核心控制器和立管张紧器运行状态，若核心控制器或立管张紧器发生故障，则启动所述故障报警器，如果二者工作正常，则启动所述的张紧器电磁控制阀，进而执行立管张紧力的自动调整指令。

具体地，所述执行部分包括张紧器电磁控制阀和张紧器，张紧器电磁控制阀接收并执行控制指令，通过调节阀口开度大小，控制上下游立管张紧器液压气动装置中蓄能器和低压氮气瓶的相对状态以及液压油的流速，从而控制张紧器活塞运动，调整立管张紧力和张紧器活塞杆的伸出量，达到调整立管有效长度的目的，该部分设备均为平台已有设备，可作为顶张式立管防碰自动控制系统的一部分，直接使用。

为实现系统的循环控制，该控制系统设计成一个闭环控制系统，在调整过程中以及完成调整后，监测模块都会对系统状态保持实时监测，并且立管张紧系统调整完成后，核心控制器模块将再次判断上下游立管间距是否能满足作业要求，若不能满足要求，则核心控制器模块继续给出自动控制指令，执行新一轮的循环，逐次优化直到满足作业要求，但是鉴于单次立管张紧系统调整过程复杂、耗时较多，建议循环次数不超过3次。

该控制系统可以实现通过实时监测数据对立管的碰撞趋势进行预判，在极端台风工况下实现顶张式立管防碰的主动控制，调节能力强，适用范围广。

该发明的有益效果在于：采用先进的防碰控制理论和控制算法，使得上下游立管具有相同的有效长度，可保证上下游立管之间具有足够的间距，具有较好的精度和可靠性；通过对立管张紧力进行实时精确调整，可大幅降低超强台风情况下顶张式立管相互碰撞风险；很多设备为平台原有设备，只需新增少量测量仪器，节约大量成本；该系统对不同平台顶张式立管系统具有较大的适应性，稳定性强、方便实用，降低了设计成本，还具有易推广的潜在优势，具有广泛的市场前景，对提高顶张式立管防碰控制的能力、自动化程度和安全性具有重要意义。

附图说明

图1是本专利顶张式立管防碰自动控制系统的控制流程示意图。

图2是本专利数据监测模块的组成示意图。

图3是本专利核心控制器模块的功能模块示意图。

具体实施方式

本发明中的张力腿平台顶张式立管防碰自动控制系统，包括数据监测模块部分、核心控制器模块部分、故障监测部分、显示及存储部分、危险报警部分、故障报警部分以及执行部分，核心控制器模块部分接收来自数据监测模块部分的信息，同时故障监测部分监测核心控制器以及立管张紧器的运行状态，若未监测到二者发生故障，核心控制器模块部分将收集信息经过处理和判断后，精确计算得到立管张紧力和张紧器活塞杆伸出量预期值，并发出相应指令，通过自动操作装置控制上下游立管张紧器液压气动装置的工作，从而进行立管张紧系统的自动调整，实现立管的防碰。若监测到核心控制器故障或张紧器发生故障，则通过故障报警器发出报警信号，通知工作人员对故障部分进行修复。系统运行的同时主控制模块将处理以后的数据及其所发出的控制指令发送给存储模块和显示模块，存储模块实时存储重要的监测数据，显示模块将主要信息要素呈现给工作人员，便于工作人员了解控制系统的运行状态。

具体地，所述的监测模块部分包括环境参数监测设备、平台偏移量监测设备、立管张紧力监测设备、立管伸长量测量设备、立管间距监测设备，张紧器活塞杆伸出量测量设备，张紧器监测设备，便于对平台的位置、风浪流参数、立管张紧力大小和伸长量、上下游立管间距、张紧器活塞杆伸出量、张紧器状态信息进行监测。

具体地，所述的核心控制器模块部分包括信息接收模块、判断处理模块和信息发送模块，而判断处理模块是核心控制器模块的核心模块。

具体地，所述的判断处理模块内置数据综合处理模块，主要用来分析处理环境载荷、平台偏移量、立管张紧力、立管伸长量、立管之间的间距、张紧器活塞杆伸出量等信息。作为控制系统的执行的判断条件，判断处理模块综合分析输入信息，判断是否需要对立管张紧器系统进行调整，如果对综合信息进行处理以后，发现丛式立管有效长度发生变化，且有相互碰撞的趋势，立即启动自动控制，并通过计算机程序运算选取最优控制方案，最后通过信息发送模块发送控制指令。

为方便了解控制系统当前和过往状态，保存重要的监测和指令数据，设置了显示模块和数据存储模块，主控制模块将处理以后的监测信息和控制指令通过信息发送模块传送给所述的显示模块和数据存储模块，实现控制系统工作状态的实时显示和定期记录。

为增加系统稳定性，增加所述故障监测模块，实时监测核心控制器和立管张紧器运行状态，若核心控制器或立管张紧器发生故障，则启动所述故障报警器，如果二者工作正常，则启动所述的张紧器电磁控制阀，进而执行立管张紧系统的自动调整指令。

具体地，所述执行部分包括张紧器电磁控制阀和张紧器，自动控制装置执行控制指令的操作即调整张紧器速度控制阀开闭状态，控制上下游立管张紧器液压气动装置的开闭以及液压油的流速，从而控制张紧器活塞运动，通过调整立管张紧力和张紧器活塞杆的伸出量，达到调整立管有效长度，进而达到调整上下游立管间距的目的，该部分设备均为平台已有设备，可作为顶张式立管防碰自动控制系统的一部分，直接使用。

为实现系统的循环控制，该控制系统设计成一个闭环控制系统，在调整过程中以及完成调整后，监测模块都会对系统状态保持实时监测，并且立管张紧系统调整完成后，核心控制器模块将再次判断上下游立管间距是否能满足作业要求，若不能满足要求，则核心控制器模块继续给出自动控制指令，执行新一轮的循环，逐次优化直到满足作业要求，但是鉴于单次立管张紧系统调整过程复杂、耗时较多，循环次数不超过3次。

该控制系统可以实现通过实时监测数据对立管的碰撞趋势进行预判，在极端台风工况下实现顶张式立管防碰的主动控制，调节能力强，适用范围广。

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

图1中半潜式平台锚泊自动控制系统的主要控制模块包括：其包括数据监测模块1、核心控制器模块2、显示模块3、数据存储模块4、危险报警器5、故障监测模块6、张紧器电磁控制阀7、立管张紧器8和故障报警器9。

图2中数据监测模块1的组成设备包括：环境参数监测设备、平台偏移量监测设备、立管张紧力监测设备、立管伸长量测量设备、立管间距监测设备，张紧器活塞杆伸出量测量设备。

图3中核心控制器模块3的功能模块包括：信息接收模块、判断处理模块和信息发送模块，判断处理模块主要包括数据综合处理模块。

如图1所示，锚泊自动控制系统包括：数据监测模块1、核心控制器模块2、显示模块3、数据存储模块4、危险报警器5、故障监测模块6、张紧器电磁控制阀7、立管张紧器8、故障报警器9。控制系统的核心模块为核心控制器模块2，该模块主要功能为分析输入参数并给出立管张紧系统的最优调整方案，其输入端与数据监测模块1相连，接收数据监测模块传入的信息；输出端与显示模块3、数据存储模块4、危险报警器5、故障监测模块6相连。

如图2所示，数据监测模块1包括环境参数监测设备、平台偏移量监测设备、立管张紧力监测设备、立管伸长量测量设备、立管间距监测设备，张紧器活塞杆伸出量测量设备，该模块主要部件为平台已有的各类传感器及监测装置，实时监测风浪流参数、平台的偏移量、立管张紧力数值、立管伸长量大小、上下游立管间距和立管张紧器活塞杆伸出量等信息，并将这些信息传输给核心控制器模块2。

如图3所示，核心控制器模块2包括信息接收模块、判断处理模块和信息发送模块，信息接收模块接收数据监测模块1传入的数据信息，将其传送给判断处理模块，经判断处理模块综合分析所有信息后，做出判断，生成控制指令，最后通过信息发送模块发送这些控制指令。

判断处理模块是核心控制器模块2的核心模块，其分析判断过程完全基于专门的控制算法完成，具有判断和分析两项功能，首先判断是否需要对立管张紧器系统进行调整，如果对综合信息进行处理以后，发现丛式立管有效长度发生变化，且有相互碰撞的趋势，则启动自动控制，精确计算出上下游立管张紧力和张紧器活塞杆伸出量的调整值，给出张紧器控制指令。

信息发送模块将经判断处理模块处理以后的监测数据及相应控制指令发送给显示模块3、数据存储模块4，并通过显示模块3和数据存储模块4显示和存储立管系统的主要信息；将判断处理模块的发出的危险警报指令发送给危险报警器5，通过危险报警器5发出警告信号提醒工作人员注意立管发生碰撞的概率已超出正常值，需要做好相应的应急准备。故障监测模块6实时监测核心控制器模块2和立管张紧器8是否处在正常工作状态，若二者工作正常，则启动张紧器电磁控制阀7，进而执行核心控制器模块2的控制指令；若核心控制器或立管张紧器发生故障，则启动故障报警器9。

当故障报警器9发出报警信号后，立即让工作人员介入，根据故障报警器所发出的不同警报声，确定故障来源，对发生故障的核心控制器或立管张紧器进行人工排障，从而保证整个控制系统的可靠性。

执行部分包括张紧器电磁控制阀7和立管张紧器8，最终的控制操作即为调整张紧器电磁控制阀的工作状态，分别驱动上下游立管张紧器活塞运动，精确控制各张紧器活塞杆的伸出量，使得各立管顶张力以及立管实际长度均达到设定值，从而保证上下游立管的有效长度相等，进而保证上下游立管间距达到设定值，实现立管的防碰。

执行控制操作的过程中及控制操作完成后，监测模块一直处于实时监测状态，并将监测信息传输给核心控制器模块再次进行判断分析，若监测到立管间距未达到设定的目标值，则再次给出自动控制的指令，执行新一轮的循环。

逐次循环直到上下游立管间距达到设定值，控制过程方可停止，但是鉴于单次立管张紧系统调整过程复杂、耗时较多，建议循环次数不超过3次。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种张力腿平台顶张式立管防碰自动控制系统，其特征在于：包括数据监测模块部分、核心控制器模块部分、故障监测部分、显示及存储部分、危险报警部分、故障报警部分以及执行部分，核心控制器模块部分接收来自数据监测模块部分的信息，同时故障监测部分监测核心控制器以及立管张紧器的运行状态，若未监测到二者发生故障，核心控制器模块部分将所收集信息经过处理和判断后，精确计算得到立管张紧力和立管张紧器活塞杆伸出量预期值，并发出相应控制指令，通过控制上下游立管张紧器液压气动装置的工作，从而进行立管张紧系统的自动调整，实现立管的防碰；若监测到核心控制器或立管张紧器发生故障，则通过故障报警部分发出报警信号，通知工作人员进行故障部分修复；系统运行的同时核心控制器模块部分将处理以后的数据发送给存储模块和显示模块，存储模块实时存储重要的监测数据及控制指令，显示模块将主要信息要素呈现给工作人员，便于工作人员了解控制系统的运行状态；监测模块部分包括环境参数监测设备、平台偏移量监测设备、立管张紧力监测设备、立管伸长量测量设备、立管间距监测设备，张紧器活塞杆伸出量测量设备，张紧器监测设备，便于对平台的位置、风浪流参数、立管张紧力大小和伸长量、上下游立管间距、张紧器活塞杆伸出量、张紧器状态信息进行监测；核心控制器模块部分包括信息接收模块、判断处理模块和信息发送模块，而判断处理模块是核心控制器模块的核心模块；判断处理模块内置数据综合处理模块，主要用来分析处理环境载荷、平台偏移量、立管张紧力、立管伸长量、上下游立管间距、张紧器活塞杆伸出量信息；作为控制系统的执行的判断条件，判断处理模块综合分析输入信息，判断是否需要对立管张紧系统进行调整，如果对信息进行综合处理以后，发现丛式立管的有效长度发生变化，且各立管有相互碰撞的趋势，立即启动自动控制，并通过计算机程序运算选取最优控制方案，最后通过信息发送模块发送控制指令。

2.根据权利要求1所述的张力腿平台顶张式立管防碰自动控制系统，其特征在于：为方便了解控制系统当前和过往状态，保存重要的监测数据及控制指令，设置了显示模块和数据存储模块，核心控制器模块部分将处理以后的监测信息及相应控制指令通过信息发送模块传送给显示模块和数据存储模块，实现控制系统工作状态的实时显示和定期记录。

3.根据权利要求1所述的张力腿平台顶张式立管防碰自动控制系统，其特征在于：为增加系统稳定性，增加所述故障监测部分，实时监测核心控制器和立管张紧器运行状态，若核心控制器或立管张紧器发生故障，则启动所述故障报警部分，如果二者工作正常，则启动张紧器电磁控制阀，进而执行立管张紧系统的自动调整指令。

4.根据权利要求1所述的张力腿平台顶张式立管防碰自动控制系统，其特征在于：执行部分包括张紧器电磁控制阀和张紧器，张紧器电磁控制阀接收并执行控制指令，通过调节阀口开度大小，控制上下游立管张紧器液压气动装置中蓄能器和低压氮气瓶的相对状态以及液压油的流速，从而控制张紧器活塞运动，调整立管张紧力和张紧器活塞杆的伸出量，达到调整立管有效长度的目的，该部分设备均为平台已有设备，可作为顶张式立管防碰自动控制系统的一部分，直接使用。

5.根据权利要求1所述的张力腿平台顶张式立管防碰自动控制系统，其特征在于：为实现系统的循环控制，该控制系统设计成一个闭环控制系统，在调整过程中以及完成调整后，监测模块都会对系统状态保持实时监测，并且立管张紧系统调整完成后，核心控制器模块将再次判断上下游立管间距是否能满足作业要求，若不能满足要求，则核心控制器模块自动给出新的控制指令，执行新一轮的循环，逐次优化直到满足作业要求，但是鉴于单次立管张紧系统调整过程复杂、耗时较多，循环次数不超过3次。