CN113942951A - 一种船用绞车升沉补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用绞车升沉补偿装置及方法，装置中主回路与液压变压器、电磁阀和滚筒机构分别连接，电磁阀还与制动机构和蓄能部连接，滚筒机构、滑轮组和钻柱依次连接，液压变压器还与蓄能部连接，主回路包括单向变量液压马达、溢流阀、单向阀和双向变量液压马达，通过液压马达对滚筒机构正转和反转，从而使滑轮组带动钻柱上升与下降；液压变压器进行传递功率、调节压力和改变参数；蓄能部采用皮囊式充气蓄能器，储存液压油；滚筒机构正转和反转来拉动滑轮组中的缆绳；制动机构由主回路通过电磁阀进行制动控制。本发明基于液压补偿来实现钻柱的上升与下沉的补偿。

Description

一种船用绞车升沉补偿装置及方法

技术领域

本发明属于船体领域，特别涉及一种船用绞车升沉补偿装置及方法。

背景技术

我国海洋资源丰富，据报道我国在渤海莱州湾北部地区发现大型油田，而且可以给一万辆小汽车解决供油问题长达五年之久。由于是在海洋底部，开采石油的工作就会显得不那么轻松以及消耗人力，无力。所以必要的开采装置是解决当前海洋资源开采问题的关键。海洋中占着全球75％以上的石油储量，但在如此高压状态下开采变成为了难题，随着科技的进步，人类开始研究超深钻井技术，与此同时，船用绞车升沉补偿装置便体现出其价值与作用。

1.在如今这个快速发展的时代，简化工艺流程，降低能耗成为了海洋作业必须要提高的能力。要想达到更好的节能，必须有更先进的技术以及更好的材料。

2.海上事故频繁发生，设备负载过重等是引起船上火灾的重要原因，大型船舶也因结构性缺陷导致多起严重事故，因此必须对海上工程引起巨大的重视。

3.升沉补偿技术凭借其自身特有的优势，可以使船只在海洋作业时减少工作强度，使钻柱的起吊变得更加省时省力，该技术在钻井领域十分常见。

近年来，以美国、荷兰、德国和挪威为代表的欧美国家已经研究出了比较成熟的产品投入使用。随着中国经济和技术的进一步发展，我国的绞车升沉技术也开始由纯机械的绞车慢慢演化为更为智能，安全的绞车系统。

由于船体在海面上不是处于平衡状态的，由于受到海风，海浪的影响，会受到六个方向自由度的运动，在这六个自由度中，影响最大的便是升沉运动，它会使得整个船体和载物平台随之运动，对海上作业效率的作用十分明显。

为了确保正常作业，需要在船体和钻柱中间安装一套绞车升沉补偿装置，该装置不仅可以实现人机交互，智能控制钻柱的升沉，并且可以使得平台在受到海风，海浪影响的同时，通过钻柱升沉补偿，把产生的能量储存在蓄能器里，以便下次使用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种船用绞车升沉补偿装置，包括主回路、液压变压器、蓄能部、电磁阀、滚筒机构、滑轮组、制动机构和钻柱，其中，

所述主回路与液压变压器、电磁阀和滚筒机构分别连接，电磁阀还与制动机构和蓄能部连接，滚筒机构、滑轮组和钻柱依次连接，液压变压器还与蓄能部连接，

主回路包括单向变量液压马达、溢流阀、单向阀和双向变量液压马达，通过单向变量液压马达对滚筒机构正转和反转，从而使滑轮组带动钻柱上升与下降；液压变压器进行传递功率、调节压力和改变参数；蓄能部采用皮囊式充气蓄能器，储存液压油；滚筒机构正转和反转来拉动滑轮组中的缆绳；制动机构由主回路通过电磁阀进行制动控制。

优选地，所述滑轮组与钻柱之间的缆绳上设置压力传感器和速度传感器，对钻柱的状态进行检测。

优选地，所述液压变压器还包括压力传感器。

优选地，所述蓄能部还包括压力传感器和温度传感器。

基于上述目的，本发明还提供了一种船用绞车升沉补偿方法，采用上述装置，包括以下步骤：

S10，主回路收集各个传感器的数据；

S20，将数据运用PID算法进行信号处理；

S30，得到的结果反馈给主回路进行判定；

S41，如检测到钻柱上升，即给滚筒机构一个扭矩，使得滚筒机构反转，带动钻柱下降，并将液压油压入蓄能部，将能量储存；

S42，如检测到钻柱下降，蓄能部接收到主回路信号，优先释放高压油来使得双向变量液压马达正向转动，从而使滚筒机构正转，通过滑轮组回收缆绳以实现钻柱上移；

S43，如出现故障，利用制动机构来停止滚筒机构的运作，并通过主回路报警。

与现有技术相比，本发明公开的船用绞车升沉补偿装置及方法，至少具有以下有益效果：

1、本发明是通过在钢丝绳处添加滑轮组装置，减轻绞车的受力，节省能量，并增加可运输货物的负载大小。由液压马达，蓄能器以及齿轮控制的卷筒等组成的一套液压系统，实现能量的释放与钻柱的补偿。

2、在钻柱上方安装位移，速度和压力传感器，通过用PID算法处理检测模块的各个传感器输入的数据，并反馈给蓄能器，当蓄能器接收到信号，优先释放高压油来使得液压马达正向转动，从而使绞车通过滑轮组回收钢丝绳以实现钻柱上移。

3、现有技术中主动升沉补偿绞车，通过增加绞车数目，大大降低了能量的损耗，尽管功率方面增加了，但增加一台绞车，便增加一份成本，所以现有技术与本发明相比，功率虽大，但不能做到智能控制，并且滑轮组的优势便是可以节省受力，所以以一台绞车，便可以安全的完成工作。

4、现有技术中船用绞车液压缸式升沉补偿系统,该系统运用智能管理系统，大大的提高了补偿负载能力，并且在响应速度方面也十分突出。虽然做到了智能控制，但其由于没有PID算法处理过的信号，无法在复杂的作业环境中达到快速并且安全的改变参数，以适应多变的环境。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例船用绞车升沉补偿装置的结构框图；

图2为本发明实施例船用绞车升沉补偿装置的结构示意图；

图3为本发明实施例船用绞车升沉补偿装置的PID参数调节原理图；

图4为本发明实施例船用绞车升沉补偿装置的PID控制算法的流程原理图；

图5为本发明实施例船用绞车升沉补偿方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

PID算法(Proportion Integral Differential)：PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法。

上升补偿：当船体受到海风海浪的作用，使船整体产生上升，通过液压装置将产生的能量储存起来。

下降补偿：当船体受到海风海浪的作用时，会使船体产生下降，通过液压装置实现钻柱上移。

参见图1、图2，装置包括主回路100、液压变压器200、蓄能部300、电磁阀4、滚筒机构400、滑轮组500、制动机构600和钻柱7，其中，

主回路100与液压变压器200、电磁阀4和滚筒机构400分别连接，电磁阀4还与制动机构600和蓄能部300连接，滚筒机构400、滑轮组500和钻柱7依次连接，液压变压器200还与蓄能部300连接，

主回路100包括两个单向变量液压马达8、溢流阀3、单向阀6、两个双向变量液压马达5和电动机13，电动机13与双向变量液压马达5连接，通过单向变量液压马达8对滚筒机构400正转和反转，从而使滑轮组500带动钻柱7上升与下降；液压变压器200进行传递功率、调节压力和改变参数；蓄能部300采用皮囊式充气蓄能器1，储存液压油；滚筒机构400正转和反转来拉动滑轮组500中的缆绳，缆绳的末端连接钻柱7；制动机构600由主回路100通过电磁阀4进行制动控制，电磁阀4为二位三通式。

滑轮组500与钻柱7之间的缆绳上设置压力传感器2和速度传感器9，对钻柱7的状态进行检测。

液压变压器200还包括压力传感器2、4个单向变量液压马达8和2个外部卸油阀11。

蓄能部300还包括压力传感器2、温度传感器10和溢流阀3。

参见图5，一种船用绞车升沉补偿方法，采用上述装置，包括以下步骤：

S10，主回路100收集各个传感器的数据；

S20，将数据运用PID算法进行信号处理；

S30，得到的结果反馈给主回路100进行判定；

S41，如检测到钻柱7上升，即给滚筒机构400一个扭矩，使得滚筒机构400反转，带动钻柱7下降，并将液压油压入蓄能部300，将能量储存；

S42，如检测到钻柱7下降，蓄能部300接收到主回路100信号，优先释放高压油来使得双向变量液压马达5正向转动，从而使滚筒机构400正转，通过滑轮组500回收缆绳以实现钻柱7上移；

S43，如出现故障，利用制动机构600来停止滚筒机构400的运作，并通过主回路100报警。

主回路100中通过单向变量液压马达8来带动滚筒机构400和滑轮组500，从而带动钻柱7上升与下降，从而实现能量的释放与钻柱7的补偿。

液压变压器200通常运用于负载敏感系统，具有传递功率和调节压力、改变参数的功能，本发明中通过转子高速旋转而实现连续稳定的压力放大和降低，为了更精确的控制排量，使得能量回收效率最大化

液压油是无法进行压缩的，所以要用其他方式来储存多余的液压油，然后在装置需要的时候释放出来。利用氮气等可压缩气体，可以做到储存液压油的目的，因此使用皮囊式充气蓄能器1。皮囊式充气蓄能器1相比较于其他形式，油跟气体是相互分离的，因此液压油不容易被空气氧化，使用寿命明显增强。通过蓄能部300的作用，从而达到能量的回收与利用。

单向变量液压马达8与滚筒机构400之间采用齿轮传动的方式，目前使用的绞车传动方式有带传动，链传动以及齿轮传动，经过这些传动方式特点的比较，以及升沉补偿装置的性能要求，齿轮传动更胜一筹。

定滑轮可以节省力，但不能改变滑轮的方向。动滑轮滑轮组500的特征在于它可以改变方向，节省能量。因此本发明在钻柱7与滚筒机构400之间采用动滑轮的滑轮组500，使得该补偿装置具有更大的拉力。

制动机构600：由于在海面作业，随时可能遇到各种意料之外的状况，如若不能及时停止，可能会有难以估量的安全隐患，所以在减速器的输出轴上装有盘刹装置，常用的盘式刹车有两种，一种是伊顿刹车，其安全性和反馈能力比起液压盘式刹车，都差一点，而且液压盘式刹车在出现作业事故的时候，可以瞬间提供很大的力矩来使装置停下。

目前最长可以达到一万米深度的钻柱7，但是实际作业时，钻柱7会受到各个方向上的力。经过实践发现，钻柱7是有一定弹性的，任务的目的是保证钻井压力在一定范围内正常波动，使得海上作业高效运作，解决的方案是可以通过压力传感器2来获得缆绳的拉力，通过算法计算出结果再反馈给处理器，得出信号传给各个下位机，因此提出了基于缆绳拉力反馈控制的钻柱7升沉补偿装置控制方案。

PID控制算法：绞车升沉补偿装置是一套大型的负反馈系统，控制过程相对复杂，会受到各种环境因素，器材损耗以及质地摩擦的影响。在工艺流程中，大多都采用比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。但是船用绞车升沉补偿装置是一个非线性时变系统，其海浪、海风的运动以及船体升沉运动都是毫无规律的，所以如果采用不变的数值来运行系统，只会满足一种工况，而无法满足海上作业的要求，所以需要用特定的工作模式，参见图3。

总的来说P可以控制减小，升沉信号的误差而I可以控制减小或者消除升沉信号的误差，D则可以最大限度的减少超调，因此根据当前海况等级，当前工作模式以及人工设定值可以确定PID控制算法，最终通过PID控制器得出PID参数输送给下位机，得到反馈的下位机便可以开始工作。

由于PID控制算法使用方便、安全性高、误差小、反馈高效，因此常常在工艺流程中使用它。参见图4为PID控制算法的流程原理图。

具体实施补偿流程：

上升补偿：海上作业时，当船体受到海风海浪的作用，使船整体产生升沉运动时，钻柱7受重力的影响，会将力作用在滑轮组500上，从而改变力的方向，将该作用力亦会作用于滚筒机构400上，即给滚筒机构400一个扭矩，使得滚筒机构400反转，通过刚性连接，带动主回路100里的单向变量液压马达8改变旋转的方向，将液压油压入蓄能部300，同时蓄能部300利用氮气等可压缩气体，来储存液压油，到需要的时候再释放出来；

下降补偿：当船体受到海风海浪的作用时，会使船体产生升沉，所以为了控制船体的升沉，需要控制钻柱7的升沉。依靠与钻柱7连接的速度传感器9与压力传感器2输出相应的信号到主回路100的控制器中，通过计算得出结果，反馈到主回路100里。当蓄能部300接收到信号，优先释放高压油来使得单向变量液压马达8正向转动，从而使滚筒机构400通过滑轮组500回收缆绳以实现钻柱7上移。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种船用绞车升沉补偿装置，其特征在于，包括主回路、液压变压器、蓄能部、电磁阀、滚筒机构、滑轮组、制动机构和钻柱，其中，

所述主回路与液压变压器、电磁阀和滚筒机构分别连接，电磁阀还与制动机构和蓄能部连接，滚筒机构、滑轮组和钻柱依次连接，液压变压器还与蓄能部连接，

主回路包括单向变量液压马达、溢流阀、单向阀和双向变量液压马达，通过单向变量液压马达对滚筒机构正转和反转，从而使滑轮组带动钻柱上升与下降；液压变压器进行传递功率、调节压力和改变参数；蓄能部采用皮囊式充气蓄能器，储存液压油；滚筒机构正转和反转来拉动滑轮组中的缆绳，缆绳的末端连接钻柱；制动机构由主回路通过电磁阀进行制动控制。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滑轮组与钻柱之间的缆绳上设置压力传感器和速度传感器，对钻柱的状态进行检测。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液压变压器还包括压力传感器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蓄能部还包括压力传感器和温度传感器。

5.一种船用绞车升沉补偿方法，采用权利要求1-4之一所述装置，其特征在于，包括以下步骤：

S10，主回路收集各个传感器的数据；

S20，将数据运用PID算法进行信号处理；

S30，得到的结果反馈给主回路进行判定；

S41，如检测到钻柱上升，即给滚筒机构一个扭矩，使得滚筒机构反转，带动钻柱下降，并将液压油压入蓄能部，将能量储存；

S42，如检测到钻柱下降，蓄能部接收到主回路信号，优先释放高压油来使得双向变量液压马达正向转动，从而使滚筒机构正转，通过滑轮组回收缆绳以实现钻柱上移；

S43，如出现故障，利用制动机构来停止滚筒机构的运作，并通过主回路报警。

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