CN115107946A - 用于海上浮式平台的主动减摇方法 - Google Patents

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邹康
罗良
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Abstract

本发明公开了一种用于海上浮式平台的主动减摇方法，海上浮式平台包括两个液舱、连通通道、运动传感器、驱动系统和控制系统；当海上浮式平台在外力作用下将要向一侧摇动时，控制系统对运动传感器测出的信息进行处理后向驱动系统发送指令，驱动系统通过使两个液舱的液面上方的空气区域之间形成空气压力差进而使得两个液舱内的液体产生流动，以形成与海上浮式平台将要摇动方向相反方向的力矩来抑制海上浮式平台的摇动。本发明的主动减摇方法，其减摇效果有显著的提高，适用海浪周期范围更大，提高了平台在海上的作业效率和安全性。

Description

用于海上浮式平台的主动减摇方法
技术领域
本发明涉及一种用于海上浮式平台的主动减摇方法。
背景技术
随着对海洋资源开发利用的步伐加大，越来越多的具有不同功能的海上浮式平台投入使用，这些海上浮式平台布置在海上时都会配置定位系统（锚泊系统或动力定位系统）来保持浮式平台在海上的水平面位置，但这些定位系统却无法抑制由于海浪作用引起浮式平台的横向和纵向摇摆，而浮式平台的摇摆会造成浮式平台的作业效率低下，作业安全受到影响，所以如何有效地抑制浮式平台由海浪所引起的摇摆是当前急需解决的一个问题。
目前应用于浮式平台上的减摇技术都是被动式的，被动式减摇方法是在浮式平台开始摇动后，利用水舱的特点，使水舱内的水周期性往复移动，从而产生反方向上的力矩，以达到减小摇动的目的。被动式减摇方法减摇效果差，有时甚至会增摇。虽然一些减摇方法中会采用一定技术措施来调节减摇水舱内的水运动周期与海浪周期相近，尽量的提高减摇效果，但控制水运动周期也只是在被动式方法上增大适用周期，属于被动可控减摇方法，所以总体减摇效果并没有太大的提高。
在公开号为CN103708004B的专利文件中描述了一种用于风机浮式基础上的被动可控减摇装置，该装置利用U形水舱的特点，周期性的将水聚集于一侧，即舱内水沿横轴往复振荡，通过水的重力作用，产生一个施加于浮动基础上的稳性力矩，该力矩与浮式基础的横摇角速度方向刚好相反，可以减小浮式基础的横摇运动幅值，同时该装置还设计有振荡周期调节器来使得水舱中水柱的运动周期尽量与海浪周期相近。该装置所用的方法是利用U形水舱的特点，使得水舱内的水柱往复移动。没有利用外部动力，而仅是被动跟随于浮式基础的摇动，属于被动式的减摇方法。有一定的滞后性，减摇效果不是很理想。
在公开号为CN107399411B的专利文件中描述了一种浮式风机平台的竖直对准调节方法，该方法也是利用U形水舱，配有主动压载系统，压载系统可以根据需要在两侧的水舱之间利用水泵进行泵送水。由于该主动系统响应的时间较长，所以该方法仅是利用压载系统来补偿由于风力导致平台的倾斜影响，对由海浪或其他快速作用力引起的平台周期性的摇动没有任何效果。
在公开号为CN110345010B的专利文件中描述了一种用于海上风机发电设备的减摇装置，该装置包括设置在海底的自适应弹簧储能机构，并通过牵引绳连接于风机发电设备水舱内的抽水活塞阀。当海上风机发电设备受到波浪能作用而发生运动时，所述自适应弹簧储能机构通过发生弹性变形而储存能量；储能结束后，所述自适应弹簧储能机构通过弹性恢复力来驱动所述抽水活塞阀进行抽水，由此通过消耗所述海上风机发电设备受到的波浪能来减小所述海上风机发电设备的振荡幅度。因为该方法所用的设备布置在海底，存在安装和维护困难，环境适应性差，生命周期短的缺点，同时布置在海底的弹簧储能机构储存能力受限，减摇效果也受限。
现有技术的缺点如下：
（1）现有的应用于浮式平台上的减摇技术都是被动式的，仅仅依靠平台本身的摇动产生减摇力矩，减摇效果差，有时甚至会增摇；
（2）现有的应用于浮式平台上的减摇技术都是被动式的，虽然有些方法采用一定的技术手段来调节水舱内的水运动周期与海浪周期相近，尽量的提高减摇效果，但控制水运动周期也只是在被动式方法上增大适用周期，所以对总体减摇效果并没有太大的提高；
（3）现有应用于浮式平台上的主动压载系统，只能补偿由于风力导致平台的倾斜影响，对由海浪或其他快速作用力引起的平台周期性的摇动没有任何效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种用于海上浮式平台的主动减摇方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种用于海上浮式平台的主动减摇方法，海上浮式平台包括两个液舱和连通两个液舱底部的连通通道；海上浮式平台还包括运动传感器和驱动系统，海上浮式平台还包括可基于运动传感器测出的信息并结合海上浮式平台自身性能参数制定主动减摇方案的控制系统；当海上浮式平台在外力作用下将要向一侧摇动时，控制系统对运动传感器测出的信息进行处理后向驱动系统发送指令，驱动系统通过使两个液舱的液面上方的空气区域之间形成空气压力差进而使得两个液舱内的液体产生流动，以形成与海上浮式平台将要摇动方向相反方向的力矩来抑制海上浮式平台的摇动。
运动传感器可以检测到海上浮式平台的摇动幅度、速度、加速度和周期。
驱动系统包括用于感知液舱内液位高度的液位传感器、用于使液舱的液面上方的空气区域与外界通气的透气系统和用于使液舱的液面上方的空气压力增加或减少的风机装置。
当海上浮式平台在外力作用下将要向左侧摇动时，控制系统发送指令，关闭左侧液舱的透气系统，打开右侧液舱的透气系统，左侧液舱上的风机装置使左侧液舱的液面上方的空气压力增加，左侧液舱内的液体流向右侧液舱内。
当海上浮式平台在外力作用下将要向左侧摇动时，控制系统发送指令，打开左侧液舱的透气系统，关闭右侧液舱的透气系统，右侧液舱上的风机装置使右侧液舱的液面上方的空气压力减少，左侧液舱内的液体流向右侧液舱内。
当海上浮式平台在外力作用下将要向左侧摇动时，控制系统发送指令，关闭左侧液舱和右侧液舱的透气系统，左侧液舱上的风机装置使左侧液舱的液面上方的空气压力增加，右侧液舱上的风机装置使右侧液舱的液面上方的空气压力减少，左侧液舱内的液体流向右侧液舱内。
风机装置为空压机或鼓风机。
两个液舱之间设有空气管路，空气管路连通两个液舱的液面上方的空气区域；空气管路上设有用于控制空气管路打开或关闭的阀门。
关闭两个液舱的透气系统并关闭驱动系统的其他组件，打开空气管路的阀门，两个液舱的液体随着海上浮式平台的摇动以与浮式平台摇动方向相反的方向来移动。
通过空气管路中的阀门开度来调节对外部海浪周期的适应性。
当海上浮式平台受外力作用具有倾角时，控制系统根据海上浮式平台的浮态信息，控制驱动系统，使两个液舱内液体流动，使得海上浮式平台处于平浮状态。
海上浮式平台还包括用于为海上浮式平台提供动力源的动力系统；驱动系统和控制系统均连接于动力系统；动力系统为发电机组或电化学储能系统。
本发明的有益效果在于：本发明采用主动减摇方法，主动减摇与被动减摇相比，减摇效果有显著的提高，适用海浪周期范围更大。在海上浮式平台上采用主动减摇方法，可以有效的抑制浮式平台的摇动，以提高浮式平台在海上的作业效率和安全性。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的主动减摇方法的逻辑框图。
图2为本发明较佳实施例的海上浮式平台的示意图。
图3为可以使用本发明主动减摇方法的海上浮式平台。
具体实施方式
下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
如图1和图2所示，一种用于海上浮式平台的主动减摇方法，海上浮式平台包括两个液舱和连通两个液舱底部的连通通道13；两个液舱分别为左侧液舱11和右侧液舱12；海上浮式平台还包括运动传感器22和驱动系统，海上浮式平台还包括可基于运动传感器测出的信息并结合海上浮式平台自身性能参数制定主动减摇方案的控制系统21；当海上浮式平台在外力作用下将要向一侧摇动时，控制系统对运动传感器测出的信息进行处理后向驱动系统发送指令，驱动系统通过使两个液舱的液面上方的空气区域之间形成空气压力差进而使得两个液舱内的液体产生流动，以形成与海上浮式平台将要摇动方向相反方向的力矩来抑制海上浮式平台的摇动。
左侧液舱11、右侧液舱12和连通通道13形成U形液舱。液舱可以是淡水舱或者是海水舱或者是其他易于流动的液体舱室。左侧液舱11和右侧液舱12之间设有空气管路331，空气管路连通两个液舱的液面上方的空气区域；空气管路331上设有用于控制管路打开或关闭的阀门332。
控制系统21可以根据浮式平台本身的性能参数和检测到的浮式平台的运动信息，通过内部集成的算法，能够预报浮式平台的摇动趋势和加速度，并可以给出命令到驱动系统来做出以抑制浮式平台摇动为目的的动作。
运动传感器22可以检测到海上浮式平台的摇动幅度、速度、加速度和周期。
控制系统21和运动传感器22布置在浮式平台内。
驱动系统包括用于感知液舱内液位高度的液位传感器、用于使液舱的液面上方的空气区域与外界通气的透气系统和用于使液舱的液面上方的空气压力增加或减少的风机装置。风机装置为空压机或鼓风机。该风机装置可以仅具有向液舱内鼓风的功能，也可以仅具有将气体从液舱内抽出的功能。该风机装置也可以既具有向液舱内鼓风的功能，也具有将气体从液舱内抽出的功能。
驱动系统可以根据系统的设计配置1套或2套或多套，本实施例中，左侧液舱11顶部的舱室内设有驱动系统31，右侧液舱12顶部的舱室内设有驱动系统32。
驱动系统31包括设于左侧液舱的鼓风机或空压机311、快速转换阀组312、液位传感器41和透气系统51。
驱动系统32包括设于右侧液舱的鼓风机或空压机321、快速转换阀组322、液位传感器42和透气系统52。
本发明的主动减摇方法是以浮式平台运动信息及浮式平台性能参数等信息为基础，通过固化在控制系统内的软件，可预报出浮式平台的摇摆趋势，再通过控制系统发送指令给驱动系统，周期性的把位于浮式平台将要（或已经）向下摇动一侧液舱内的液体移动到相反方向一侧的液舱内，形成与摇动方向相反方向的力矩。
当该海上浮式平台在海浪的作用下将要往左侧摇动时，固化在控制系统内的软件可以根据运动传感器测出的信息和平台本身固有的性能参数预测出该浮式平台将要往左侧摇动，且能预报出摇动加速度的大小，同时控制系统还可以根据左侧和右侧液舱的液位传感器所测出的液位以及平台本身固有的性能参数预报出需要在多少时间内从左侧液舱移动多少液体到右侧液舱才可以抑制住平台的摇动。根据这些预报的结果，控制系统发出指令给到驱动系统，驱动系统开始按指令动作，往左侧施加压力或/和往右侧抽真空，利用两侧液舱液位上面的空气压力差，使得左侧液舱内的液体在要求的时间内流向右侧液舱内，以形成与平台摇动方向相反方向的力矩来抑制平台的摇动。
有三种方法可以使得左侧液舱内的液体流向右侧液舱内。
方法一：当海上浮式平台在外力作用下将要向左侧摇动时，控制系统发送指令，关闭左侧液舱的透气系统，打开右侧液舱的透气系统，左侧液舱上的风机装置使左侧液舱的液面上方的空气压力增加，左侧液舱内的液体流向右侧液舱内。此时，左侧液舱和右侧液舱顶部连通的空气管路关闭。
方法二：当海上浮式平台在外力作用下将要向左侧摇动时，控制系统发送指令，打开左侧液舱的透气系统，关闭右侧液舱的透气系统，右侧液舱上的风机装置使右侧液舱的液面上方的空气压力减少，左侧液舱内的液体流向右侧液舱内。此时，左侧液舱和右侧液舱顶部连通的空气管路关闭。
方法三：当海上浮式平台在外力作用下将要向左侧摇动时，控制系统发送指令，关闭左侧液舱和右侧液舱的透气系统，左侧液舱上的风机装置使左侧液舱的液面上方的空气压力增加，右侧液舱上的风机装置使右侧液舱的液面上方的空气压力减少，左侧液舱内的液体流向右侧液舱内。此时，左侧液舱和右侧液舱顶部连通的空气管路关闭。
当海上浮动平台摇动幅度不是很大时，也可以关闭主动减摇模式，整个系统处于被动可控减摇模式，此时左侧液舱和右侧液舱的透气系统都需要关闭，并关闭驱动系统的其他组件，左侧液舱和右侧液舱顶部连通的空气管路需要打开，两个液舱的液体随着海上浮式平台的摇动以与浮式平台摇动方向相反的方向来移动。而且，还可以通过空气管路中的阀门开度来调节对外部海浪周期的适应性。
被动可控减摇模式，仅靠两个液舱的联通，使两侧液舱内的液体不靠驱动系统的作用，仅因为浮式平台的摇动而被动的形成互相间流动。两侧液舱内液体流动的周期及相位可通过相应的空气系统及阀体进行控制。
本发明的方法，还可以设置成抗倾模式，即通过把海上浮式平台向下倾斜方向的液舱内的液体移动到相反反向的液舱内，来调节浮式平台的浮态，使之处于平浮状态。具体为：当海上浮式平台受外力（比如风或/和流）作用具有一定的倾角时，控制系统根据海上浮式平台的浮态信息，控制驱动系统，使两个液舱内液体流动，使得海上浮式平台处于平浮状态。
海上浮式平台还包括用于为海上浮式平台提供动力源的动力系统61；驱动系统和控制系统均连接于动力系统。动力系统可以是发电机组或电化学储能系统。电化学储能系统可以是电池或电容。
本发明的主动减摇方法，可以应用于如图3所示的海上浮式平台上。该海上浮式平台为风力发电机浮式平台。该海上浮式平台包括风力发电机91、塔架92和底部立柱构件93。该海上浮式平台的底部立柱构件93具有多个舱室，包括两个液舱和连通两个液舱底部的连通通道；两个液舱和连通通道形成U形液舱。
本发明的方法适用于具有U形舱的任何形状的海上浮式平台，同时也适用于多个U型舱的组合。所述U形舱只是一种描述，所代表的是底部连通的液舱，可以是一对液舱的底部连通，也可以是多个液舱的连通。U形舱可以根据海上浮式平台的形状及运动特点针对性的设计，例如对于三立柱半潜式浮体，可以通过底部连通通道连通三个成120度分布的液舱，对于四立柱半潜式浮体，可以通过底部连通通道连通四个成90度分布的液舱，其他形状的浮式平台可类推。
主动式减摇方法是利用一定的动力在浮式平台开始摇动之前就驱动浮式平台内部水舱内的水产生反方向上的力矩，可以抑制平台的摇动。
本发明提出了一种用于海上浮式平台的主动减摇方法，利用浮式平台的分舱设计形成底部有通道连通的U型液舱，通过主动减摇方法可以把位于浮式平台将要（或已经）向下摇动一侧液舱内的液体移动到相反方向一侧的液舱内，形成与摇动方向相反方向的力矩，以达到主动抑制浮式平台摇动的目的。
本发明采用主动减摇方法，主动减摇与被动减摇相比，减摇效果有显著的提高，适用海浪周期范围更大。在海上浮式平台上采用主动减摇方法，可以有效地抑制浮式平台的摇动，以提高浮式平台在海上的作业效率和安全性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种用于海上浮式平台的主动减摇方法，海上浮式平台包括两个液舱和连通两个液舱底部的连通通道；其特征在于，海上浮式平台还包括运动传感器和驱动系统，海上浮式平台还包括可基于运动传感器测出的信息并结合海上浮式平台自身性能参数制定主动减摇方案的控制系统；当海上浮式平台在外力作用下将要向一侧摇动时，控制系统对运动传感器测出的信息进行处理后向驱动系统发送指令，驱动系统通过使两个液舱的液面上方的空气区域之间形成空气压力差进而使得两个液舱内的液体产生流动，以形成与海上浮式平台将要摇动方向相反方向的力矩来抑制海上浮式平台的摇动。
2.如权利要求1所述的用于海上浮式平台的主动减摇方法，其特征在于，运动传感器可以检测到海上浮式平台的摇动幅度、速度、加速度和周期。
3.如权利要求1所述的用于海上浮式平台的主动减摇方法，其特征在于，驱动系统包括用于感知液舱内液位高度的液位传感器、用于使液舱的液面上方的空气区域与外界通气的透气系统和用于使液舱的液面上方的空气压力增加或减少的风机装置。
4.如权利要求3所述的用于海上浮式平台的主动减摇方法，其特征在于，当海上浮式平台在外力作用下将要向左侧摇动时，控制系统发送指令，关闭左侧液舱的透气系统，打开右侧液舱的透气系统，左侧液舱上的风机装置使左侧液舱的液面上方的空气压力增加，左侧液舱内的液体流向右侧液舱内。
5.如权利要求3所述的用于海上浮式平台的主动减摇方法，其特征在于，当海上浮式平台在外力作用下将要向左侧摇动时，控制系统发送指令，打开左侧液舱的透气系统，关闭右侧液舱的透气系统，右侧液舱上的风机装置使右侧液舱的液面上方的空气压力减少，左侧液舱内的液体流向右侧液舱内。
6.如权利要求3所述的用于海上浮式平台的主动减摇方法，其特征在于，当海上浮式平台在外力作用下将要向左侧摇动时，控制系统发送指令，关闭左侧液舱和右侧液舱的透气系统，左侧液舱上的风机装置使左侧液舱的液面上方的空气压力增加，右侧液舱上的风机装置使右侧液舱的液面上方的空气压力减少，左侧液舱内的液体流向右侧液舱内。
7.如权利要求3所述的用于海上浮式平台的主动减摇方法，其特征在于，风机装置为空压机或鼓风机。
8.如权利要求1所述的用于海上浮式平台的主动减摇方法，其特征在于，两个液舱之间设有空气管路，空气管路连通两个液舱的液面上方的空气区域；空气管路上设有用于控制空气管路打开或关闭的阀门。
9.如权利要求8所述的用于海上浮式平台的主动减摇方法，其特征在于，关闭两个液舱的透气系统并关闭驱动系统的其他组件，打开空气管路的阀门，两个液舱的液体随着海上浮式平台的摇动以与浮式平台摇动方向相反的方向来移动。
10.如权利要求9所述的用于海上浮式平台的主动减摇方法，其特征在于，通过空气管路中的阀门开度来调节对外部海浪周期的适应性。
11.如权利要求1所述的用于海上浮式平台的主动减摇方法，其特征在于，当海上浮式平台受外力作用具有倾角时，控制系统根据海上浮式平台的浮态信息，控制驱动系统，使两个液舱内液体流动，使得海上浮式平台处于平浮状态。
12.如权利要求1所述的用于海上浮式平台的主动减摇方法，其特征在于，海上浮式平台还包括用于为海上浮式平台提供动力源的动力系统；驱动系统和控制系统均连接于动力系统；动力系统为发电机组或电化学储能系统。
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