СИСТЕМА КОМПЕНСАЦИИ ВЕРТИКАЛЬНОЙ КАЧКИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ КОМПЕНСАЦИИ ВЕРТИКАЛЬНОЙ КАЧКИ
HEAVING COMPENSATION SYSTEM AND CONTROL OVER SAID SYSTEM

Настоящее изобретение относится к системе компенсации вертикальной качки, и в частности - к системе компенсации вертикальной качки для морского судна.
Хорошо известно, что поиск углеводородов под морским дном часто предполагает использование плавучих морских судов, таких как буровые суда или плавучие морские платформы. В целом, применение плавучих судов такого типа считается более выгодным по сравнению с использованием неподвижных платформ, покоящихся во время разведочных операций на морском дне, поскольку такие плавучие суда легче перемещать с одного места на другое.
Однако существует проблема, связанная с плавучими судами, используемыми для бурения морского дна или взятия образцов керна во время вышеупомянутых буровых операций: такие суда подвержены вертикальным перемещениям в направлении вверх-вниз, вызываемым действием волн. Керновый или буровой инструмент обычно находится на нижнем конце колонны или бурильной трубы, свешиваемой с судна. Во время взятия керна, если не компенсировать вертикальную качку названного судна, весьма значительные изменения в силе, прилагаемой к керновому инструменту в морском дне, могут приводить к непредсказуемым сжатиям или ослаблениям в керне, извлекаемом инструментом, что разрушает керн или, по меньшей мере, снижает его ценность для анализа. Известно, что колебания нагрузки на буровую головку, вызываемые вертикальной качкой во время буровых операций, ускоряют износ головки. Очевидно, что в случае чрезмерно сильной вертикальной качки судна - например, в условиях бурного волнения моря - таким инструментам может быть нанесен очень существенный ущерб. Компенсация вертикальной качки плавучего судна может также быть необходимой при выполнении других видов подъемных операций с судна.
В связи с этим существуют системы компенсации вертикальной качки, которые предложены и широко используются на таких судах для поддержания, в основном, на постоянном уровне нагрузки на инструменты, а также - в некоторых случаях - для поддержания инструментов, в основном, в постоянном положении, в то время как судно поднимается и опускается в ходе вертикальной качки. Предлагавшиеся ранее системы компенсаторов вертикальной качки, как правило, включают в себя гидравлический цилиндр компенсации движения, связанный с кронблоком или подвижным блоком подъемной конструкции, устанавливаемой на судне, и с которого свешивается бурильная труба либо другие инструменты или груз. Гидравлический цилиндр соединен текучей средой с гидравлическим аккумулятором и приводится в действие потоком гидравлической жидкости между цилиндром и аккумулятором. Такая система является чисто пассивной по своему характеру.
В описанной выше чисто пассивной схеме номинальный заряд давления аккумулятора определяет номинальное гидравлическое давление компенсирующего цилиндра, которое, в свою очередь, определяет величину груза, свешиваемого с судна, которая может поддерживаться, в основном, на постоянном уровне, несмотря на вертикальную качку судна. Таким образом, для уравновешивания статической нагрузки, движение которой требуется компенсировать, должно быть скорректировано давление предварительной зарядки аккумулятора. Тем не менее известно, что существующие системы такого общего типа показывают существенные колебания силы вследствие зависимости давления аккумулятора от его заряда. В некоторых системах - например, в так называемых концевых компенсаторах - такие колебания могут быть терпимыми, но есть и системы - например, так называемые кронблочные компенсаторы - где требуется дополнительная компенсация. В последнем случае такая дополнительная компенсация, как правило, достигается посредством использования механических позиционно-зависимых передач. Вместе с тем, хотя такие схемы могут уменьшать зависящие от заряда аккумулятора колебания сил, они не могут в полной мере компенсировать последствия фрикционного демпфирования и инерции. Поэтому общепринятой практикой является дополнительное включение активной схемы компенсации вертикальной качки для компенсации вышеупомянутых колебаний сил, наблюдающихся в пассивной схеме.
Однако комбинированные пассивно-активные схемы компенсации вертикальной качки могут быть сложными, дорогостоящими, громоздкими и иметь ограниченные режимы работы.
В связи с этим целью настоящего изобретения является создание улучшенной системы компенсации вертикальной качки.
В соответствии с настоящим изобретением предусматривается система компенсации вертикальной качки для морского судна, которая содержит гидравлический привод, располагаемый таким образом, чтобы обеспечивать соединение между судном и грузом, свешиваемым с судна, приводящийся гидравлически в действие для изменения расстояния между грузом и судном в ответ на вертикальную качку судна и соединенный текучей средой с первой гидравлической машиной для обеспечения ее срабатывания; вторую гидравлическую машину, соединенную текучей средой с гидравлическим аккумулятором, причем первая и вторая гидравлические машины механически соединены друг с другом, а также механически соединены с общим электрическим двигателем; контроллер для управления гидравлическим движением первой и второй гидравлических машин, а также для подачи питания к электрическому двигателю в ответ на один или более сигналов, соответствующих величине вызываемой волнами вертикальной качки судна и/или вызываемой волнами силе, прилагаемой к грузу.
В предпочтительном случае система сконфигурирована таким образом, чтобы поддерживать, в основном, на постоянном уровне опорную силу, действующую на груз, свешиваемый с судна, несмотря на вертикальную качку судна.
В предпочтительном случае первая и вторая гидравлические машины и электрический двигатель соединены между собой с передаточным числом 1:1. Однако первая и вторая гидравлические машины и электрический двигатель могут быть соединены между собой и с другими значениями передаточного числа.
Предпочтительно, чтобы первая и вторая гидравлические машины и электрический двигатель были установлены на общем приводном валу.
Удобнее, чтобы электрический двигатель был установлен между первой и второй гидравлическими машинами.
В альтернативном случае обе из указанных гидравлических машин располагаются с одной стороны от электрического двигателя.
В предпочтительном случае каждая из указанных гидравлических машин имеет соответствующий приводной вал, эти валы располагаются, в основном, соосно и соединены друг с другом через общий электрический двигатель, который установлен между указанными приводными валами, для обеспечения вращения их вокруг общей оси.
Предпочтительно, чтобы электрический двигатель представлял собой асинхронный двигатель.
В альтернативном случае электрический двигатель является двигателем с регулируемой скоростью.
Удобнее, чтобы в состав системы также входил установленный в гидравлическом трубопроводе между гидравлическим аккумулятором и гидравлическим приводом клапан, который перемещается между первым положением, в котором гидравлический аккумулятор и гидравлический привод гидравлически изолированы друг от друга, и вторым положением, в котором гидравлический аккумулятор и гидравлический привод соединены текучей средой посредством гидравлического трубопровода.
Удобнее, когда работой клапана в зависимости от сигнала, соответствующего величине гидравлического давления в гидравлическом аккумуляторе, управляет контроллер, сконфигурированный для перемещения клапана из первого положения во второе в ответ на падение давление до заданного порогового значения.
Предпочтительно, чтобы контроллер был рассчитан на получение сигнала, соответствующего величине гидравлического давления в гидравлическом аккумуляторе, и управление подачей питания к электрическому двигателю в ответ на такой сигнал.
Удобнее, чтобы контроллер был рассчитан на получение сигнала, соответствующего положению груза относительно судна, и на управление движением первой и второй гидравлических машин в ответ на такой сигнал.
В предпочтительном случае система функционирует для поддержания, в основном, на постоянном уровне опорной силы, действующей на груз, свешиваемый с судна, во время вертикальной качки судна.
Предпочтительно, чтобы система функционировала для поддержания груза, свешиваемого с судна, в основном, в постоянном положении во время вертикальной качки судна.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения заявлен способ управления системой компенсации вертикальной качки описанного выше типа в активном режиме, при котором контроллер активно управляет подачей питания к электрическому двигателю.
В предпочтительном случае подача питания к электрическому двигателю регулируется в зависимости от гидравлического давления в гидравлическом аккумуляторе в названном первом режиме.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предусматривается способ управления системой компенсации вертикальной качки определенного выше типа в пассивном режиме, при котором не осуществляется подача питания к электрическому двигателю.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения заявляется способ управления системой компенсации вертикальной качки определенного выше типа, при котором клапан перемещается из своего первого положения в свое второе положение, чтобы соединять между собой текучей средой гидравлический привод и гидравлический аккумулятор, обходя, таким образом, первую и вторую гидравлическую машины, в ответ на падение давления в гидравлическом аккумуляторе ниже заданного порогового значения.
Для обеспечения лучшего понимания изобретения и возможности оценить его дополнительные особенности ниже описывается в качестве примера один из вариантов осуществления изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи, где:
Фиг.1 представляет собой схематичное изображение, на котором показано плавучее судно с подъемной конструкцией, с которой свешивается груз и которая управляется системой компенсации вертикальной качки в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.2 представляет собой схематичное изображение системы компенсации вертикальной качки в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, на котором показаны основные гидравлические и управляющие контуры системы;
Фиг.3 представляет собой иллюстрацию, в целом соответствующую изображению, представленному на фиг.2, на которой система изображена в момент подъема груза в ответ на падение судна в ложбину волны;
Фиг.4 представляет собой аналогичную иллюстрацию, изображающую систему в момент отпускания груза с судна в ответ на подъем судна на гребень волны;
Фиг.5 изображает систему в режиме работы с активной компенсацией вертикальной качки;
Фиг.6 изображает систему в альтернативном системе работы с пассивной компенсацией вертикальной качки;
Фиг.7 изображает систему в альтернативном резервном режиме работы.
На фиг.1 изображено плавучее судно 1, на котором имеется кран 2. Показано, что кран 2 свешивает груз 3 с судна в море 4. Груз 3 поднимается и опускается за счет действия гидравлического привода 5. Судно 1 оборудовано гидравлической системой компенсации вертикальной качки 6, показанной в общем виде, которая будет подробно описана ниже и которая сконфигурирована для поддержания, в основном, на постоянном уровне опорной силы, действующей на груз 3, и для поддержания груза, в основном, в постоянном положении относительно морского дна 7 несмотря на вертикальную качку 8 судна в условиях волнения. Система компенсации вертикальной качки 6 действует для управления гидравлическим приводом 5, что позволяет считать, что гидравлический привод 5 при работе в описываемом режиме представляет собой компенсирующий привод.
Хотя судно 1 показано фиг.1 в конфигурации, рассчитанной на подъем и опускание груза 3 посредством крана 2, очевидно, что система компенсации вертикальной качки 6 по настоящему изобретению также подходит для использования при поддержании буровых или керновых инструментов, или любого другого оборудования, свешиваемого с судна 1, в основном, в постоянном положении относительно морского дна 7 и, в основном, под постоянной нагрузкой, во время перемещения судна в условиях качки.
В состав системы компенсации вертикальной качки 6 входят первая гидравлическая машина 9 и вторая гидравлическая машина 10, причем обе эти машины действуют в качестве ротационных насосов/двигателей. В предпочтительных схемах обе гидравлические машины 9, 10 представлены в виде эксцентриковых ротационных машин.
Как наиболее ясно показано на фиг.2, первая гидравлическая машина 9 имеет приводной вал 11, который непосредственно соединен с осью электрического двигателя 12, расположенной между двумя гидравлическими машинами 9, 10. Аналогичным образом, вторая гидравлическая машина имеет приводной вал 13, который непосредственно соединен с противоположным концом оси электрического двигателя. Таким образом, две гидравлические машины 9, 10 механически соединены между собой с передаточным числом 1:1 посредством электрического двигателя 12, для совместного вращения вокруг общей оси. В альтернативных вариантах осуществления предусматривается, что обе гидравлические машины 9, 10 и промежуточный электрический двигатель 12 будут установлены на одном общем приводном валу.
Обе гидравлические машины 9, 10 снабжены присоединенным текучей средой общим резервуаром 14 для гидравлической жидкости. Электрический двигатель 12 может в предпочтительном случае представлять собой асинхронный двигатель, хотя предусматривается, что в альтернативных вариантах осуществления могут использоваться двигатели с регулируемой скоростью.
Как более ясно показано на фиг.2, гидравлический привод 5 имеет форму гидравлического домкрата, в состав которого входит скользящий поршень 15, установленный в цилиндре 16. Движение поршня 15 в цилиндре 16 осуществляется для подъема или опускания груза 3. Сторона нагнетания 17 гидравлического привода 5 соединена текучей средой с первой гидравлической машиной 9 посредством гидравлического трубопровода привода 18. Очевидно, что таким образом перемещение первой гидравлической машины 9 осуществляется для перемещения поршня 15 привода в цилиндре 16 и как следствие - перемещения груза 3 относительно судна. Так, работа первой гидравлической машины 9 по перекачиванию гидравлической жидкости через трубопровод привода 18 к гидравлическому приводу 5 осуществляется для подъема груза 3.
Вторая гидравлическая машина 10 соединена текучей средой с гидравлическим приводом 5 посредством гидравлического трубопровода аккумулятора 20. Гидравлический аккумулятор 19 может иметь любую удобную известную форму - например, поршневого типа, пружинного типа или грузового типа. Однако предпочтительно использовать аккумулятор известного баллонного типа, в котором баллон 21 содержит газообразный азот.
Клапан 22 предусмотрен в обходном гидравлическом трубопроводе 23, проходящем между трубопроводом привода 18 и трубопроводом аккумулятора 20. Клапан 22 используется для перемещения из первого, закрытого, положения, показанного на фиг.2, во второе, открытое, положение, действующее для соединения аккумулятора 19 и привода 6 непосредственно по гидравлическому трубопроводу 23.
Контроллер 24 получает, через кабели датчиков 25, сигналы, соответствующие положению груза 3 относительно судна, от датчика положения 26, давление аккумулятора - от датчиков давления 25, 26. Кроме того, контроллер сконфигурирован для получения сигналов, соответствующих величине вызываемой волнами вертикальной качки судна и/или вызываемой волнами силе, прилагаемой к грузу, от датчиков 27, 28. Контроллер в предпочтительном случае имеет форму микрокомпьютера и сконфигурирован для управления перемещениями первой и второй гидравлических машин 9, 10, а также для управления подачей двигательной энергии к электрическому двигателю 12 через управляющие кабели 29, в ответ на указанные сигналы, для поддержания положения груза 3 или нагрузки на груз 3, в основном, на постоянном уровне, во время перемещений судна в условиях вертикальной качки.
Рассмотрим теперь фиг.3. Здесь на упрощенной иллюстрации изображена система компенсации вертикальной качки в мгновенном состоянии, соответствующем движению судна вниз во время вертикальной качки, например - во время падения судна в ложбину волны. При описываемом падении судна 1 для поддержания груза 3, в основном, в постоянном положении относительно морского дна 7 груз необходимо поднимать, сокращая, таким образом, расстояние между ним и судном 1. Контроллер 24 используется для обнаружения такого движения судна во время качки и отвечает приведением в действие гидравлической машины 9 в качестве насоса для перекачивания гидравлической жидкости в компенсирующий гидравлический привод 5, что приводит к подъему груза 3 для компенсации движения судна вниз. Первая машина приводится в действие, таким образом, второй гидравлической машиной 10, а вторая гидравлическая машина 10 действует в качестве двигателя под управлением контроллера 24 для сообщения момента вращения соединенным между собой приводным валам 11, 13 и извлечения энергии для этого привода от аккумулятора 19. Здесь стрелка 29 обозначает направление потока энергии во время описываемой приводной фазы системы.
На фиг.4 изображена система компенсации вертикальной качки в мгновенном состоянии, соответствующем движению судна 1 вверх во время вертикальной качки - например, во время подъема судна на гребень волны.
При описываемом подъеме судна 1 для поддержания груза 3, в основном, в постоянном положении относительно морского дна 7 груз необходимо опускать, увеличивая, таким образом, расстояние между ним и судном 1. Контроллер используется для обнаружения такого движения судна во время качки и отвечает приведением в действие гидравлической машины 9 в качестве двигателя, приводимого в действие гидравлическим давлением, создаваемым компенсирующим гидравлическим приводом 5. Это движение первой гидравлической машины 9 приводит в действие соединенные между собой приводные валы 11, 13 и, таким образом, приводит в действие вторую гидравлическую машину 10 в качестве насоса; при этом увеличивается давление в аккумуляторе 19. Здесь стрелка 30 обозначает обратное направление потока энергии во время описываемой приводной фазы системы.
Очевидно, что вертикальная качка судна в условиях волнения стремится к постоянному чередованию движений вверх и вниз. Таким образом, контроллер 24 используется для постоянного регулирования положения компенсирующего гидравлического привода 5, поочередно переключаясь между двумя описанными выше фазами, что требуется для поддержания груза, в основном, в постоянном положении относительно морского дна 7. Это непрерывное действие показано на фиг.5, где стрелка 31 обозначает изменяющееся направление потока энергии между гидравлическим приводом 5 и аккумулятором 19.
Однако в ходе работы, осуществляемой описываемым образом, содержание энергии в аккумуляторе будет постепенно уменьшаться с течением времени из-за потерь, вызываемых трением и демпфированием в механической конструкции, и из-за потерь в гидравлических машинах 9, 10. В связи с этим электрический двигатель 12 используется под управлением контроллера 24 для компенсации названных потерь посредством придания дополнительного момента вращения валам 11, 13, что необходимо для поддержания среднего значения энергии в аккумуляторе 19, в основном, на постоянном уровне. Таким образом, контроллер 24 постоянно контролирует сигналы от датчика 25, которые указывают на изменение давления в аккумуляторе с течением времени, и выборочно подает энергию на электрический двигатель 12 (как показано стрелкой 32 на фиг.5), во время фазы подъема или опускания, для возврата энергии в гидравлическую систему в форме сообщения момента вращения валам 11, 13. Затем гидравлические машины 9, 10 фактически преобразуют этот дополнительный момент вращения в гидравлическую энергию для уравновешивания потерь в системе, возникающих от трения, и т.п. В этом режиме работы система компенсации вертикальной качки выполняет как пассивную, так и активную функцию, но делает это в рамках очень простой и компактной схемы. В альтернативных вариантах осуществления изобретения предусматривается, что контроллер 24 будет сконфигурирован для управления электрическим двигателем 12, по меньшей мере, в соответствии с сигналами и данными, представляющими предыдущие циклы вертикальной качки судна, или даже в соответствии с расчетными данными, представляющими прогнозируемые уровни энергии, восстанавливаемой из будущих циклов вертикальной качки.
Хотя система компенсации вертикальной качки 6 по настоящему изобретению описана выше со ссылкой на обычный активно-пассивный режим работы, система является достаточно гибкой для того, чтобы допускать альтернативные режимы работы, если обычный режим окажется невозможным в силу имеющихся условий. Например, на фиг.6 изображена система, действующая без подачи энергии к электрическому двигателю 12, что, в частности, может иметь место в случае сбоя или отключения в подаче энергии на борту судна 1. В этой ситуации, очевидно, что контроллер 24 и связанные с ним схемы переключатся на работу от аварийного генератора или батареи и т.п. и таким образом останутся в рабочем состоянии. Очевидно, что потеря подачи электропитания к электрическому двигателю 12 в таких обстоятельствах препятствует работе двигателя описанным выше образом. В таких обстоятельствах система компенсации вертикальной качки возвратится к описанному выше чисто пассивному режиму работы, где энергия перемещается туда и обратно между гидравлическим приводом 5 и аккумулятором 19 без получения дополнительного момента вращения от электрического двигателя 12. Очевидно, однако, что вращение валов 11, 13 во время движения двух гидравлических машин 9, 10 в этом режиме все равно заставит электрический двигатель 12 вращаться. Инерция бездействующего двигателя в этом режиме работы стабилизирует скорость вращения валов 11, 13. Система продолжит работать в таком пассивном режиме в течение значительного, но все же ограниченного периода времени; разумеется, в результате возникнет постепенное снижение среднего давления аккумулятора из-за потерь в системе, которые больше не компенсируются электрическим двигателем 12. Во время работы в таком пассивном режиме контроллер 24 продолжит контролировать давление аккумулятора через датчик давления 25.
Если своевременно не восстановить подачу питания к электрическому двигателю 12 для обеспечения возможности возвращения к нормальному пассивно-активному режиму работы, давление в аккумуляторе 19 упадет до такого уровня, при котором система не сможет функционировать удовлетворительным образом. В связи с этим контроллер 24 сконфигурирован для переключения системы в резервный режим работы в описанных обстоятельствах при обнаружении падения давления в аккумуляторе 19 ниже заданного порогового значения, сохраненного во внутренней памяти контроллера. В этой ситуации контроллер переключает клапан 22 из его закрытого положения, показанного на фиг.2, в открытое положение, действующее для открытия обходного трубопровода 23 между аккумулятором 19 и гидравлическим приводом 5, посредством чего аккумулятор непосредственно соединяется с гидравлическим приводом 5 в обход гидравлических машин 9, 10, как показано на фиг.7. Это позволяет избежать дальнейших потерь энергии из аккумулятора в результате потерь в машинах, благодаря чему может быть сохранена ограниченная функция компенсации вертикальной качки, хотя и с более значительными колебаниями сил, чем те, которые наблюдаются в обычном пассивно-активном режиме или в пассивном режиме, описанных выше.
Очевидно, что оборудование описанного выше варианта осуществления изобретения, и в частности, гидравлическое оборудование, представленное гидравлическим приводом 5, двумя гидравлическими машинами 9, 10, аккумулятором 19 и электрическим двигателем 12, может использоваться в качестве гидравлической силовой установки для обычных операций по подъему и опусканию крана 2. Так, для опускания груза (или бурового либо кернового инструмента) 3 с судна в море система контроллера 24 может быть использована под управлением контроллера 24 в режиме опускания без компенсации, при котором первая гидравлическая машина используется в качестве двигателя, приводимого в движение гидравлическим давлением, создаваемым компенсирующим гидравлическим приводом 5, в целом, в соответствии с тем, как это изображено на фиг.4. После того, как груз или инструмент опущен на требуемую рабочую глубину, он может в последующем поддерживаться в таком положении за счет переключения системы в режим пассивной-активной компенсации вертикальной качки. Когда груз 3 или инструмент в последующем поднимаются на поверхность, систему можно переключить с режима компенсации в режим подъема, посредством чего первая гидравлическая машина 9 приводится в действие в качестве насоса второй гидравлической машиной для подъема груза, как в общем виде изображено на фиг.3. Таким образом, систему компенсации вертикальной качки по настоящему изобретению удобно объединить с гидравлической подъемной схемой на борту судна 1.
Хотя изобретение подробно описано выше со ссылкой на конкретные варианты осуществления изобретения, очевидно, что в систему могут быть внесены различные модификации или изменения без отступления от объема и содержания настоящего изобретения. Так, хотя описанные выше варианты осуществления сконфигурированы таким образом, что две гидравлические машины и электрический двигатель соединены между собой с передаточным числом 1:1, предусматривается, что другие варианты осуществления могут быть сконфигурированы с другим значением передаточного числа. Также предусматривается, что машины и двигатель могут быть соединены между собой через зубчатую передачу с регулируемым передаточным числом.
При использовании в настоящем описании и формуле изобретения понятия «содержит» и «содержащий», а также их разновидности означают, что указанные особенности, шаги или единицы включены. Названные понятия не следует истолковывать как исключающие наличие других особенностей, шагов или единиц.
Особенности, раскрываемые в приведенном выше описании или в последующей формуле изобретения либо в сопроводительных чертежах и выраженные в их конкретных формах или с точки зрения выполнения раскрываемой функции, либо способа или процесса для получения раскрываемых результатов, могут, в надлежащих случаях, по отдельности или в любом сочетании таких особенностей, использоваться для реализации изобретения во всем многообразии его форм.
Хотя изобретение описано в связи с описанными выше примерами вариантов осуществления, многие равноценные модификации и изменения являются очевидными для специалистов в соответствующей области, ознакомившихся с представленным раскрытием. Соответственно, описанные выше примеры вариантов осуществления считаются приведенными для иллюстрации и не имеющими ограничительного характера. В описанные варианты осуществления могут быть внесены различные изменения без отступления от сущности и объема изобретения.