專利名稱：一種浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)的模型實驗裝置及實驗方法
技術領域：
本發(fā)明涉及海洋石油工程領域的模型實驗裝置及實驗方法，特別是關于一種張力甲板形式浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)(FDPS0-TLD)的模型實驗裝置及實驗方法。
背景技術：
浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)(FDPSO,Floating drilling production, storage andoffloading system)是海洋工程領域新興起的一種概念設計，它是在浮式生產(chǎn)儲油系統(tǒng)(FPS0，F(xiàn)loating production storage and offloading)的基礎上添加鉆井功能模塊而成的一種新裝備。張力甲板形式浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)(FDPS0-TLD，Tension leg deck) 是其中的一種形式，其概念采用了類似張力腿平臺(TLP，Tension leg platform)的技術， 置于月池中的鉆井甲板與海底通過張力腿連接，通過舷外的懸掛重塊為張力腿提供張力。 這種設計尚處于概念設計階段，具體的設計和分析方法還遠談不上完善，主要表現(xiàn)在1) FDPS0-TLD概念的可行性沒有驗證；2)FDPS0-TLD設計中月池尺寸和TLD的尺寸設計沒有準則；3)FDPS0-TLD在動力情況下，TLD的運動性能不清楚。在波浪荷載作用下，船體和TLD (Tension leg deck,張力甲板)的響應是耦合的， 船體的升沉(Heave)，橫搖(Roll)以及水平偏移(Offset)對TLD都有重要影響，決定著結構以及鉆井采油作業(yè)的安全。對于不同的船體設計參數(shù)，船體運動情況都不盡相同，TLD系統(tǒng)也有不同的設計參數(shù)，因此，如果要通過水池模型實驗來研究FDPS0-TLD的耦合運動特性就需要制作不同形狀參數(shù)的船模，浪費大量實驗時間和經(jīng)費。在傳統(tǒng)水池實驗中，為了滿足雷諾數(shù)相似規(guī)律，船模和TLD的尺寸比尺較小(1 80左右)，重點在測量船體的運動特性，此類實驗無法準確模擬船體上的子結構TLD的動力性能。

發(fā)明內容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種用于張力甲板形式的浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)的模型實驗裝置及實驗方法，該裝置和方法可以做任意比尺的室內試驗，可以仿真各種環(huán)境下TLD的運動情況。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案一種浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)的模型實驗裝置，其特征在于它包括運動控制系統(tǒng)、船體運動模擬系統(tǒng)、TLD模型和監(jiān)測系統(tǒng)；所述運動控制系統(tǒng)連接所述船體運動模擬系統(tǒng)中的電液伺服作動器；所述船體運動模擬系統(tǒng)包括底端固定在地面基礎上的下部支撐架，所述下部支撐架的頂部設置有一下部臺面，所述下部臺面頂部通過若干線性套筒和所述電液伺服作動器連接上部臺面；所述TLD模型包括固定設置在所述上部臺面上的若干滑輪組塊，繞過各所述滑輪組塊的各鋼絲繩的一端共同懸吊一位于所述上部臺面中部下方的甲板模型，各所述鋼絲繩的另一端分別連接一設置在所述上部臺面外側的配重質量塊；所述甲板模型的底面設置有若干拉伸彈簧，各所述拉伸彈簧的另一端穿過所述下部臺面固定在地面基礎上；所述監(jiān)測系統(tǒng)包括設置在所述TLD 模型上的若干傳感器和測力儀，各所述傳感器和測力儀的輸出端連接數(shù)據(jù)分析采集儀。
所述運動控制系統(tǒng)包括設置在實驗室內的工控機平臺，所述工控機平臺的輸出端連接數(shù)模轉換器，所述數(shù)模轉換器的輸出端連接信號處理裝置，所述信號處理裝置的輸出端連接所述船體運動模擬系統(tǒng)中的電液伺服作動器。所述監(jiān)測系統(tǒng)中的各所述傳感器包括設置在各所述拉伸彈簧上的位移傳感器；設置在各所述配重質量塊上的加速度傳感器；所述測力計設置在各所述鋼絲繩上。一種采用上述實驗裝置的浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)的模型實驗方法，其包括以下步驟1)啟動運動控制系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號，驅動船體運動模擬系統(tǒng)中的電液伺服作動器運動，帶動船體運動模擬系統(tǒng)的上部臺面做升沉和橫搖運動，以模擬船體的運動狀態(tài)；2)上部臺面帶動TLD模型的滑輪組塊運動，進而帶動甲板模型運動，甲板模型帶動下部的拉伸彈簧拉伸，用于模擬真實海況下連接海底與甲板的張力腿；3)通過監(jiān)測系統(tǒng)同步監(jiān)測TLD 模型的位移、速度、加速度、受力數(shù)據(jù)；通過信號分析采集儀采集上述數(shù)據(jù)，以用于分析TLD 的運動規(guī)律，判斷是否滿足正常作業(yè)。所述步驟1)中，通過運動控制系統(tǒng)中的工控機產(chǎn)生數(shù)字信號，通過數(shù)模轉換器和信號處理裝置將數(shù)字信號轉換并放大，驅動船體運動模擬系統(tǒng)中的電液伺服作動器運動。所述步驟4)中，通過監(jiān)測系統(tǒng)中設置在各拉伸彈簧上的位移傳感器；設置在各配重質量塊上的加速度傳感器；設置在鋼絲繩上的測力計，同步監(jiān)測TLD模型的位移、速度、 加速度、受力數(shù)據(jù)。本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于通過運動控制系統(tǒng)控制電液伺服作動器的行程來帶動船體運動模擬系統(tǒng)，模擬真實海況下船體的升沉和橫搖運動，不是針對某一確定船體的縮比模型，因此，本發(fā)明可以仿真各種環(huán)境參數(shù)和船體尺寸參數(shù)下船體的運動情況，節(jié)省實驗成本。2、本發(fā)明裝置考慮到TLD的質量與船體排水量之間相差較大，因此忽略TLD對船體運動的影響，將TLD的運動特性作為研究重點，TLD做了適當?shù)哪Ｐ秃喕?，船體運動通過虛擬模擬實現(xiàn)，TLD系統(tǒng)采用實物模型，因此，這種實驗可以做到中大比尺(1 20)的室內試驗，提高了實驗精度。3、本發(fā)明將真實TLD中的張力腿立管結構簡化為彈簧質量系統(tǒng)，因此便于選擇TLD各個物理量的相似數(shù)，保持TLD結構的動力相似特性，不是簡單的尺寸縮比。4、本發(fā)明將TLD模型與監(jiān)測系統(tǒng)相連，通過安裝在TLD 模型上測量位移、速度及力的傳感器可測得TLD的運動信息，傳感器的輸出端與數(shù)據(jù)分析采集系統(tǒng)相連，在顯示器上顯示監(jiān)測信息，因此，本發(fā)明可以對TLD的運動情況進行實時監(jiān)測，顯示直觀。本發(fā)明操作方便，可廣泛用于張力甲板形式的浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)的模擬實驗過程中。


圖1是本發(fā)明實驗裝置結構框2是本發(fā)明裝置主體結構示意3是本發(fā)明裝置主體結構主視示意4是本發(fā)明裝置主體結構俯視示意5是本發(fā)明裝置主體結構側視示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖1所示，本發(fā)明包括運動控制系統(tǒng)1，船體運動模擬系統(tǒng)2，TLD模型3和監(jiān)測系統(tǒng)4。運動控制系統(tǒng)1設置在實驗室機房內，其包括工控機平臺、數(shù)模轉換器、信號處理裝置。工控機平臺是以一臺帶有DS1104PPC控制器板的PVI/2GHZ的研華工業(yè)控制機作為硬件平臺，軟件開發(fā)平臺采用Matlab/Simulink，完成船體運動的數(shù)值仿真并轉換為數(shù)字信號。工控機平臺產(chǎn)生的數(shù)字信號傳入數(shù)模轉換器，數(shù)模轉換器與信號處理裝置輸入端連接，信號處理裝置輸出端與船體運動模擬系統(tǒng)2中的電液伺服作動器M連接。如圖2 圖5所示，船體運動模擬系統(tǒng)2包括由若干立柱和橫梁焊接而成的下部支撐架21，下部支撐架21的各立柱底端固定在實驗室的地面基礎上，下部支撐架21的頂部設置有一 “回”字形下部臺面22，“回”字形下部臺面22頂部通過若干線性套筒23和電液伺服作動器M與其上方的“回”字形上部臺面25連接，線性套筒23和電液伺服作動器M 的上、下端連接處均為鉸接點，且線性套筒23只能上、下滑動。如圖2 圖5所示，TLD模型3包括固定設置在“回”字形上部臺面25上的若干滑輪組塊31，繞過各滑輪組塊31的各鋼絲繩32的一端共同懸吊一甲板模型33，甲板模型33 懸吊在“回”字形上部臺面25的中部下方(如圖3所示)，各鋼絲繩32的另一端分別連接一設置在“回”字形上部臺面25外側的配重質量塊34。甲板模型33的底面設置有若干拉伸彈簧35，拉伸彈簧35的另一端穿過“回”字形下部臺面22固定在實驗室地面基礎5上。監(jiān)測系統(tǒng)4包括設置在各拉伸彈簧35上的位移傳感器；設置在各配重質量塊34 上的加速度傳感器；設置在鋼絲繩32上的測力計；設置在實驗室內的數(shù)據(jù)分析采集儀及顯示器。以上所述傳感器和測力計的輸出端與數(shù)據(jù)分析采集儀相連接，保存記錄實驗數(shù)據(jù)，顯示器顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。上述實施例中，TLD模型3的拉伸彈簧35用于模擬連接海底與甲板的張力腿，拉伸彈簧35的剛度為張力腿的拉伸剛度，可選取不同剛度的彈簧來模擬不同的水深條件，配重質量塊34為TLD模型設計的一個重要參數(shù)，實驗中可配置不同重量的砝碼，根據(jù)測量結果來分析配重質量塊34對TLD運動性能的影響。上述實施例中，運動控制系統(tǒng)1中所需的工控機、數(shù)模轉換器和信號處理裝置，船體運動模擬系統(tǒng)2中的電液伺服作動器24，TLD模型3中的拉伸彈簧35、鋼絲繩32、配重質量塊34，以及監(jiān)測系統(tǒng)4中的位移傳感器、加速度傳感器、測力計和數(shù)據(jù)分析采集儀及顯示器等均為市售產(chǎn)品或采用已知技術制造。其中，電液伺服作動器M的最大動負荷為士 50KN，油缸行程士 100mm，工作頻率范圍為20HZ。本發(fā)明裝置用于模擬FDPSO在海洋環(huán)境下的運動，其具體包括以下步驟1)啟動運動控制系統(tǒng)1中的工控機，工控機平臺產(chǎn)生數(shù)字信號，通過數(shù)模轉換器和信號處理裝置轉換并放大，驅動船體運動模擬系統(tǒng)2中的電液伺服作動器運動，帶動船體運動模擬系統(tǒng)2的“回”字形上部臺面25做升沉和橫搖運動，以模擬船體的運動狀態(tài)；2) “回”字形上部臺面25帶動TLD模型3的滑輪組塊31運動，進而帶動甲板模型 33運動，甲板模型33帶動下部的拉伸彈簧35拉伸，用于模擬真實海況下連接海底與甲板的張力腿；
3)通過監(jiān)測系統(tǒng)4中設置在各拉伸彈簧35上的位移傳感器；設置在各配重質量塊34上的加速度傳感器；設置在鋼絲繩32上的測力計，同步監(jiān)測TLD模型的位移、速度、加速度、受力等數(shù)據(jù)；通過信號分析采集儀采集實驗過程中傳感器產(chǎn)生的各種信號數(shù)據(jù)并在顯示器上顯示，采集到的數(shù)據(jù)用于分析TLD的運動規(guī)律，判斷是否滿足正常作業(yè)。上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結構、連接和排列方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權利要求
1.一種浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)的模型實驗裝置，其特征在于它包括運動控制系統(tǒng)、 船體運動模擬系統(tǒng)、TLD模型和監(jiān)測系統(tǒng)；所述運動控制系統(tǒng)連接所述船體運動模擬系統(tǒng)中的電液伺服作動器；所述船體運動模擬系統(tǒng)包括底端固定在地面基礎上的下部支撐架，所述下部支撐架的頂部設置有一下部臺面，所述下部臺面頂部通過若干線性套筒和所述電液伺服作動器連接上部臺面；所述TLD模型包括固定設置在所述上部臺面上的若干滑輪組塊，繞過各所述滑輪組塊的各鋼絲繩的一端共同懸吊一位于所述上部臺面中部下方的甲板模型，各所述鋼絲繩的另一端分別連接一設置在所述上部臺面外側的配重質量塊；所述甲板模型的底面設置有若干拉伸彈簧，各所述拉伸彈簧的另一端穿過所述下部臺面固定在地面基礎上；所述監(jiān)測系統(tǒng)包括設置在所述TLD模型上的若干傳感器和測力儀，各所述傳感器和測力儀的輸出端連接數(shù)據(jù)分析采集儀。
2.如權利要求1所述的一種浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)的模型實驗裝置，其特征在于所述運動控制系統(tǒng)包括設置在實驗室內的工控機平臺，所述工控機平臺的輸出端連接數(shù)模轉換器，所述數(shù)模轉換器的輸出端連接信號處理裝置，所述信號處理裝置的輸出端連接所述船體運動模擬系統(tǒng)中的電液伺服作動器。
3.如權利要求1或2所述的一種浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)的模型實驗裝置，其特征在于 所述監(jiān)測系統(tǒng)中的各所述傳感器包括設置在各所述拉伸彈簧上的位移傳感器；設置在各所述配重質量塊上的加速度傳感器；所述測力計設置在各所述鋼絲繩上。
4.一種采用如權利要求1 3任一項所述實驗裝置的浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)的模型實驗方法，其包括以下步驟1)啟動運動控制系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號，驅動船體運動模擬系統(tǒng)中的電液伺服作動器運動，帶動船體運動模擬系統(tǒng)的上部臺面做升沉和橫搖運動，以模擬船體的運動狀態(tài)；2)上部臺面帶動TLD模型的滑輪組塊運動，進而帶動甲板模型運動，甲板模型帶動下部的拉伸彈簧拉伸，用于模擬真實海況下連接海底與甲板的張力腿；3)通過監(jiān)測系統(tǒng)同步監(jiān)測TLD模型的位移、速度、加速度、受力數(shù)據(jù)；通過信號分析采集儀采集上述數(shù)據(jù)，以用于分析TLD的運動規(guī)律，判斷是否滿足正常作業(yè)。
5.如權利要求4所述的一種浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)的模型實驗方法，其特征在于所述步驟1)中，通過運動控制系統(tǒng)中的工控機產(chǎn)生數(shù)字信號，通過數(shù)模轉換器和信號處理裝置將數(shù)字信號轉換并放大，驅動船體運動模擬系統(tǒng)中的電液伺服作動器運動。
6.如權利要求4或5所述的一種浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)的模型實驗方法，其特征在于 所述步驟4)中，通過監(jiān)測系統(tǒng)中設置在各拉伸彈簧上的位移傳感器；設置在各配重質量塊上的加速度傳感器；設置在鋼絲繩上的測力計，同步監(jiān)測TLD模型的位移、速度、加速度、受力數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種浮式鉆井儲油裝卸系統(tǒng)的模擬實驗裝置及實驗方法，其特征在于運動控制系統(tǒng)連接船體運動模擬系統(tǒng)中的電液伺服作動器；船體運動模擬系統(tǒng)包括底端固定在地面基礎上的下部支撐架，下部支撐架的頂部設置有一下部臺面，下部臺面頂部通過若干線性套筒和電液伺服作動器連接上部臺面；TLD模型包括固定設置在上部臺面上的若干滑輪組塊，繞過各滑輪組塊的各鋼絲繩的一端共同懸吊一位于上部臺面中部下方的甲板模型，各鋼絲繩的另一端分別連接一設置在上部臺面外側的配重質量塊；甲板模型的底面設置有若干拉伸彈簧，各拉伸彈簧的另一端固定在地面基礎上；監(jiān)測系統(tǒng)包括設置在TLD模型上的若干傳感器和測力儀，各傳感器和測力儀的輸出端連接數(shù)據(jù)分析采集儀。
文檔編號G01M10/00GK102169049SQ201110023318
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權日2011年1月20日
發(fā)明者劉健, 喻西崇, 岳前進, 張威, 張文首, 杜慶貴, 王世圣, 謝彬, 謝文會, 雷松 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心, 大連理工大學