專利名稱：一種浮式鉆井儲(chǔ)油裝卸系統(tǒng)的模型實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及海洋石油工程領(lǐng)域的模型實(shí)驗(yàn)裝置，特別是關(guān)于一種張力甲板形式浮式鉆井儲(chǔ)油裝卸系統(tǒng)(FDPS0-TLD)的模型實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
浮式鉆井儲(chǔ)油裝卸系統(tǒng)(FDPSO,Floating drilling production, storage andoffloading system)是海洋工程領(lǐng)域新興起的一種概念設(shè)計(jì)，它是在浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)(FPS0，F(xiàn)loating production storage and offloading)的基礎(chǔ)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(chǔ)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(tái)(TLP，Tension leg platform)的技術(shù)， 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(shè)計(jì)尚處于概念設(shè)計(jì)階段，具體的設(shè)計(jì)和分析方法還遠(yuǎn)談不上完善，主要表現(xiàn)在1) FDPS0-TLD概念的可行性沒有驗(yàn)證；2)FDPS0-TLD設(shè)計(jì)中月池尺寸和TLD的尺寸設(shè)計(jì)沒有準(zhǔn)則；3)FDPS0-TLD在動(dòng)力情況下，TLD的運(yùn)動(dòng)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(yīng)是耦合的， 船體的升沉(Heave)，橫搖(Roll)以及水平偏移(Offset)對(duì)TLD都有重要影響，決定著結(jié)構(gòu)以及鉆井采油作業(yè)的安全。對(duì)于不同的船體設(shè)計(jì)參數(shù)，船體運(yùn)動(dòng)情況都不盡相同，TLD系統(tǒng)也有不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，因此，如果要通過水池模型實(shí)驗(yàn)來研究FDPS0-TLD的耦合運(yùn)動(dòng)特性就需要制作不同形狀參數(shù)的船模，浪費(fèi)大量實(shí)驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。在傳統(tǒng)水池實(shí)驗(yàn)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(diǎn)在測(cè)量船體的運(yùn)動(dòng)特性，此類實(shí)驗(yàn)無法準(zhǔn)確模擬船體上的子結(jié)構(gòu)TLD的動(dòng)力性能。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種用于張力甲板形式的浮式鉆井儲(chǔ)油裝卸系統(tǒng)的模型實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可以做任意比尺的室內(nèi)試驗(yàn)，可以仿真各種環(huán)境下TLD 的運(yùn)動(dòng)情況。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案一種浮式鉆井儲(chǔ)油裝卸系統(tǒng)的模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于它包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)、TLD模型和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)連接所述船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)中的電液伺服作動(dòng)器；所述船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)包括底端固定在地面基礎(chǔ)上的下部支撐架，所述下部支撐架的頂部設(shè)置有一下部臺(tái)面，所述下部臺(tái)面頂部通過若干線性套筒和所述電液伺服作動(dòng)器連接上部臺(tái)面；所述TLD 模型包括固定設(shè)置在所述上部臺(tái)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(tái)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(shè)置在所述上部臺(tái)面外側(cè)的配重質(zhì)量塊；所述甲板模型的底面設(shè)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(tái)面固定在地面基礎(chǔ)上；所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括設(shè)置在所述TLD模型上的若干傳感器和測(cè)力儀，各所述傳感器和測(cè)力儀的輸出端連接數(shù)據(jù)分析采集
3儀。所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的工控機(jī)平臺(tái)，所述工控機(jī)平臺(tái)的輸出端連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端連接信號(hào)處理裝置，所述信號(hào)處理裝置的輸出端連接所述船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)中的電液伺服作動(dòng)器。所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的各所述傳感器包括設(shè)置在各所述拉伸彈簧上的位移傳感器；設(shè)置在各所述配重質(zhì)量塊上的加速度傳感器；所述測(cè)力計(jì)設(shè)置在各所述鋼絲繩上。本實(shí)用新型由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型由于通過運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制電液伺服作動(dòng)器的行程來帶動(dòng)船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)，模擬真實(shí)海況下船體的升沉和橫搖運(yùn)動(dòng)，不是針對(duì)某一確定船體的縮比模型，因此，本實(shí)用新型可以仿真各種環(huán)境參數(shù)和船體尺寸參數(shù)下船體的運(yùn)動(dòng)情況，節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本。2、本實(shí)用新型裝置考慮到TLD的質(zhì)量與船體排水量之間相差較大，因此忽略TLD對(duì)船體運(yùn)動(dòng)的影響，將TLD的運(yùn)動(dòng)特性作為研究重點(diǎn)，TLD做了適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃?jiǎn)化，船體運(yùn)動(dòng)通過虛擬模擬實(shí)現(xiàn)，TLD系統(tǒng)采用實(shí)物模型， 因此，這種實(shí)驗(yàn)可以做到中大比尺(1 20)的室內(nèi)試驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)精度。3、本實(shí)用新型將真實(shí)TLD中的張力腿立管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，因此便于選擇TLD各個(gè)物理量的相似數(shù)，保持TLD結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相似特性，不是簡(jiǎn)單的尺寸縮比。4、本實(shí)用新型將TLD模型與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相連，通過安裝在TLD模型上測(cè)量位移、速度及力的傳感器可測(cè)得TLD的運(yùn)動(dòng)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(cè)信息，因此，本實(shí)用新型可以對(duì)TLD的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，顯示直觀。本實(shí)用新型操作方便，可廣泛用于張力甲板形式的浮式鉆井儲(chǔ)油裝卸系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)過程中。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖圖2是本實(shí)用新型裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖圖3是本實(shí)用新型裝置主體結(jié)構(gòu)主視示意圖圖4是本實(shí)用新型裝置主體結(jié)構(gòu)俯視示意圖圖5是本實(shí)用新型裝置主體結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本實(shí)用新型包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)1，船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)2，TLD模型3和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)1設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室機(jī)房?jī)?nèi)，其包括工控機(jī)平臺(tái)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理裝置。工控機(jī)平臺(tái)是以一臺(tái)帶有DS1104PPC控制器板的PVI/2GHZ的研華工業(yè)控制機(jī)作為硬件平臺(tái)，軟件開發(fā)平臺(tái)采用Matlab/Simulink，完成船體運(yùn)動(dòng)的數(shù)值仿真并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。工控機(jī)平臺(tái)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)傳入數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器與信號(hào)處理裝置輸入端連接，信號(hào)處理裝置輸出端與船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)2中的電液伺服作動(dòng)器M連接。如圖2 圖5所示，船體運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)室的地面基礎(chǔ)上，下部支撐架21的頂部設(shè)置有一 “回”字形下部臺(tái)面22，“回”字形下部臺(tái)面22頂部通過若干線性套筒23和電液伺服作動(dòng)器M與其上方的“回”字形上部臺(tái)面25連接，線性套筒23和電液伺服作動(dòng)器M 的上、下端連接處均為鉸接點(diǎn)，且線性套筒23只能上、下滑動(dòng)。如圖2 圖5所示，TLD模型3包括固定設(shè)置在“回”字形上部臺(tái)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(tái)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(shè)置在“回”字形上部臺(tái)面25外側(cè)的配重質(zhì)量塊34。甲板模型33的底面設(shè)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(tái)面22固定在實(shí)驗(yàn)室地面基礎(chǔ)5上。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4包括設(shè)置在各拉伸彈簧35上的位移傳感器；設(shè)置在各配重質(zhì)量塊34 上的加速度傳感器；設(shè)置在鋼絲繩32上的測(cè)力計(jì)；設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的數(shù)據(jù)分析采集儀及顯示器。以上所述傳感器和測(cè)力計(jì)的輸出端與數(shù)據(jù)分析采集儀相連接，保存記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，顯示器顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。上述實(shí)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(zhì)量塊34為TLD模型設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，實(shí)驗(yàn)中可配置不同重量的砝碼，根據(jù)測(cè)量結(jié)果來分析配重質(zhì)量塊34對(duì)TLD運(yùn)動(dòng)性能的影響。上述實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)1中所需的工控機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理裝置，船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)2中的電液伺服作動(dòng)器24，TLD模型3中的拉伸彈簧35、鋼絲繩32、配重質(zhì)量塊34，以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4中的位移傳感器、加速度傳感器、測(cè)力計(jì)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(shù)制造。其中，電液伺服作動(dòng)器M的最大動(dòng)負(fù)荷為士 50KN，油缸行程士 100mm，工作頻率范圍為20HZ。本實(shí)用新型用于模擬FDPSO在海洋環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)，其具體包括以下步驟1)啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)1中的工控機(jī)，工控機(jī)平臺(tái)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理裝置轉(zhuǎn)換并放大，驅(qū)動(dòng)船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)2中的電液伺服作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)2的“回”字形上部臺(tái)面25做升沉和橫搖運(yùn)動(dòng)，以模擬船體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；2) “回”字形上部臺(tái)面25帶動(dòng)TLD模型3的滑輪組塊31運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)甲板模型 33運(yùn)動(dòng)，甲板模型33帶動(dòng)下部的拉伸彈簧35拉伸，用于模擬真實(shí)海況下連接海底與甲板的張力腿；3)通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4中設(shè)置在各拉伸彈簧35上的位移傳感器；設(shè)置在各配重質(zhì)量塊34上的加速度傳感器；設(shè)置在鋼絲繩32上的測(cè)力計(jì)，同步監(jiān)測(cè)TLD模型的位移、速度、加速度、受力等數(shù)據(jù)；通過信號(hào)分析采集儀采集實(shí)驗(yàn)過程中傳感器產(chǎn)生的各種信號(hào)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(yùn)動(dòng)規(guī)律，判斷是否滿足正常作業(yè)。上述各實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接和排列方式等都是可以有所變化的，凡是在本實(shí)用新型技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求1.一種浮式鉆井儲(chǔ)油裝卸系統(tǒng)的模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于它包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、 船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)、TLD模型和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)連接所述船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)中的電液伺服作動(dòng)器；所述船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)包括底端固定在地面基礎(chǔ)上的下部支撐架，所述下部支撐架的頂部設(shè)置有一下部臺(tái)面，所述下部臺(tái)面頂部通過若干線性套筒和所述電液伺服作動(dòng)器連接上部臺(tái)面；所述TLD模型包括固定設(shè)置在所述上部臺(tái)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(tái)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(shè)置在所述上部臺(tái)面外側(cè)的配重質(zhì)量塊；所述甲板模型的底面設(shè)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(tái)面固定在地面基礎(chǔ)上；所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括設(shè)置在所述TLD模型上的若干傳感器和測(cè)力儀，各所述傳感器和測(cè)力儀的輸出端連接數(shù)據(jù)分析采集儀。
2.如權(quán)利要求1所述的一種浮式鉆井儲(chǔ)油裝卸系統(tǒng)的模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的工控機(jī)平臺(tái)，所述工控機(jī)平臺(tái)的輸出端連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端連接信號(hào)處理裝置，所述信號(hào)處理裝置的輸出端連接所述船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)中的電液伺服作動(dòng)器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種浮式鉆井儲(chǔ)油裝卸系統(tǒng)的模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于 所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的各所述傳感器包括設(shè)置在各所述拉伸彈簧上的位移傳感器；設(shè)置在各所述配重質(zhì)量塊上的加速度傳感器；所述測(cè)力計(jì)設(shè)置在各所述鋼絲繩上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種浮式鉆井儲(chǔ)油裝卸系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)連接船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)中的電液伺服作動(dòng)器；船體運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)包括底端固定在地面基礎(chǔ)上的下部支撐架，下部支撐架的頂部設(shè)置有一下部臺(tái)面，下部臺(tái)面頂部通過若干線性套筒和電液伺服作動(dòng)器連接上部臺(tái)面；TLD模型包括固定設(shè)置在上部臺(tái)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(tái)面中部下方的甲板模型，各鋼絲繩的另一端分別連接一設(shè)置在上部臺(tái)面外側(cè)的配重質(zhì)量塊；甲板模型的底面設(shè)置有若干拉伸彈簧，各拉伸彈簧的另一端固定在地面基礎(chǔ)上；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括設(shè)置在TLD模型上的若干傳感器和測(cè)力儀，各傳感器和測(cè)力儀的輸出端連接數(shù)據(jù)分析采集儀。
文檔編號(hào)G09B25/02GK202033947SQ20112001905
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者劉健, 喻西崇, 岳前進(jìn), 張威, 張文首, 杜慶貴, 王世圣, 謝彬, 謝文會(huì), 雷松 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋石油總公司, 中海石油研究中心, 大連理工大學(xué)