半主动式钻井绞车升沉补偿系统.pdf

6 2 0 2 0 1 3年 1 0月 石油勘探与开发 PETR0LEUM EXPL0R T1 0N AND DEVEL0PM ENT Vb1 ．40 NO． 5 文章编号 1 0 0 0 0 7 4 7 2 0 1 3 0 5 0 6 2 0 0 5 DOI 1 0 ． 1 1 6 9 8 ／ P E D． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 1 8 半主动式钻井绞车升沉补偿系统 黄鲁蒙 ，张彦廷 一，张磊 ，刘美英 1 ．中国石油大学 华东 机 电工程学院；2 ．浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 基金项目国家自 然科学基金 5 0 8 7 5 2 6 2 ；浙江大学开放基金项 目 G Z K F 一 2 0 1 0 2 5 中国石油大学 华东研究生创新X - 程资助项 目 C X 2 0 1 3 0 5 5 摘要为 了简化海洋钻井绞车升沉补偿系统的结构、降低主动式绞车补偿系统的能耗，通过系统结构设计、系统建 模、内 模 P I D 鲁棒位移控制器设计等，设计了一种半主动式海洋钻井绞车升沉补偿系统，并通过非线性时域仿真与 实验研究对系统进行 了验证。系统结构设计实现 了升沉补偿与 自动送钻两种运动的解耦控制，降低 了系统能耗。系 统建模 时采用质量集中法和能量守恒原则对系统进行 了简化。提 出了外环大钩位移闭环与内环电机转速 闭环的双层 控制方案，设计 了外层内模 P I D 鲁棒位移控制器 ，内模控制在模型匹配与模型失配情况下的稳态偏差均为零，滤波 器时间常数越小动态性能越好、抗干扰能力越强。仿真模拟和实验研 究的补偿率均在 9 0 ％以上，补偿效果 良好，系 统具有可行性。图 8参 1 4 关键词钻井平台；绞车；升沉补偿；半主动式；系统设计 中图分 类号 T E 5 2 文献标识 码 A Se mi - a c t i v e dr i l l i n g dr a wwo r ks h e a v e c o m p e n s a t i o n s ys t e m Hu a n g Lu me n g ， Zha n g Ya nt i ng ， Zh a n g Le i ， Li u M e i y i n g 1 ． C o l l e g e o fMe c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i ty o f P e t r o l e u m， Qi n g d a o 2 6 6 5 5 5 ， C h i n a ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fF l u i d P o w e r T r a n s m i s s i o n a n d C o n t r o l ， Z h i a n g U n i v e r s i ty ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 7 ， C h i n a Abs t r ac t I n o r d e r t o s i mp l i f y t h e s t r uc t ur e o f t h e oc e a n d r i l l i ng h e a v e c o mpe ns a t i o n s ys t e m a nd r e d u c e t h e e n e r g y c o n s ump t i o n o f a c t i ve d r a wwo r ks h e a v e c o mp e n s a t i o n s ys t e m， a ne w t yp e of s e mi a c t i v e d r a wwo r ks he a v e c omp e n s a t i o n s y s t e m wa s d e s i g ne d t h r o u g h s t r u c t u r e de s i g n， s ys t e m mo d e l i n g a n d i n t e r n a l mo d e l PI D r o b us t d i s pl a c e me n t c on t r o l l e r d e s i g n ．Th e n t h e f e a s i bi l i ty o f t h e s y s t e m wa s v e r i fie d b y n o n l i n e a r t i me d o ma i n s i mul a t i o n a n d e xp e r i me n t a l s tud y ． Th e s tr u c t u r e d e s i g n r e a l i z e s d e c o u pl i n g c o n tro l o f h e a v e c o mp e n s a t i on a n d a u t o ma t i c bi t f e e d， r e d u c e s e ne r g y c o n s umpt i o n of t he s ys t e m． Th e s ys t e m i s s i mpl i fie d t o b ui l d s i mul a t i o n mo d e l b y l u mp e d ma s s me t ho d a n d e n e r g y c o ns e r va t i o n pr i n c i pl e ．Th e d o ub l e c o n t r ol s c h e me o f ho o k d i s pl a c e me nt c l o s e d l o o p i n t h e o u t e r l oo p a n d mo t o r s p e e d c l o s e d l o o p i n t h e i n n e r l o o p i s p u t f o r wa r d ，t h e i n t e r n a l mo d e l P I D r o b u s t d i s pl a c e me n t c o nt r o l l e r o f o ut e r l o o p i s d e s i g n e d ．Th e s t e a d y s t a t e d e v i a t i o n o f i nt e r n a l mo d e l c o n t r o l i s z e r o wh e n t h e mo d e l i s ma t c h i n g o r mi s ma t c hi n g．Th e d yn a mi c p e r f o r ma nc e a nd r e s i s t i n g di s tur b a n c e c a p a c i t y o f t h e i n t e rn a l mod e l c o n t r o l i s b e t t e r whe n t h e fil t e r t i me c o n s t a nt i s s ma l l e r ．Th e c o mpe ns a t i on r a t e i s a b o v e 9 0％ b y s i mu l a t i o n a n d e x pe r i me n t a l r e s e a r c h r e s u l t s ， t h e c o mpe ns a t i o n e ffe c t i s g o o d a nd t he s ys t e m i s f e a s i bl e ． Ke y wor ds d r i l l i n g pl a t f o r m； d r a wwo r k s ； h e a v e c ompe ns a t i o n； s e mi a c t i v e ； s y s t e m d e s i gn 0引言 升沉补偿装置是保障海洋浮式钻井正常工作 、提 高工作效率 的重要装备之一 ，其综合性能直接影响海 洋石油的开采成本 。 ] 。绞车升沉补偿是对钻柱进行升 沉补偿的一种方式 ，具有传动简单 、设备重心低 、结 构紧凑 、占用空间少的优点_ 4 】 。目前 ，国外仅有美国 NO V公司将 1 款主动式补偿绞车产业化l 6 J ，国内既没 有厂商生产绞车升沉补偿装置，也未见相关研究报道。 主动式补偿绞车虽然具有较高的补偿精度 ，但能耗较 高 ，因此 ，本文在主动式补偿绞车的基础上 ，研究半 主动式绞车升沉补偿系统 ，既保持较 高的补偿精度 又 降低能耗 。首先对半主动式绞车升沉补偿 系统 的 结构与参数进行设计 ，提出双层闭环控制方案 ，针对 外层变频控制系统设计内模 P I D比例． 积分． 微分 鲁 棒位移控制器 ，然后通过内模 P I D控制器非线性仿真 和模拟实验分析本文设计 的绞车升沉补偿系统的可 行性 。 1结构设计 图 1为本文设计的半主动式绞车升沉补偿装置结 构示意图。采用两输入一输出的差动行星减速器作为 6 2 2 石油勘探与开发 石油工程 V l ． 4 0 N O ． 5 Q T O C n 9 z P 1 2 -G o 一 一 c ⋯ 至 2 n U 1 2 R 2 ㈩ 1 U 0 1 1 8 4 7 01 3 s l l ． 1 3 ． 3 内模 P I D控制器设计 图 3 控制 方案 示意图 传统 P I D 与模糊智能控制依靠工程经验 ，具有随 意性和不确定性 。内模控制 I MC是一种基于被控 系统数学模型的新型控制策略 ，其结构简单、鲁棒性 与抗干扰能力强[ 1 们 。内模 P I D控制器具有内模控制的 优点 ，并且参数整定方便 、系统快速性与鲁棒性关系 明确 ” 。 图 4为内模等效反馈控制结构【 l ，r 、 、y 、d分 别表示控制系统输入 、控制器输出、控制系统输出 、 干扰信号，z为Y经过系统采样后变换成的信号 ，C s 1 为内模控制器，P 为被控对象模型 ， 为被控对象 内部模型 ，J[ 为干扰信号对系统输出的影响，C e s 为等效反馈控制器。 图 4 内模控制结构 围棋 弪 制 裕 c ㈤ ⋯ 其中 取一阶滤波器 ，则内模等效反馈控制器 C e 面 ‘ 鲁棒稳定条件 ] I 1 ≤ 其 中 根据 1 1 式可知系统开环不稳定 ， 馈闭环镇定，被控对象 特 进行单位反 1 6 模型匹配时 ，求得等效反馈控制器 1／ 1 、 l 0 ．4 3 8 2 3 ．8 1 9 7 l 1 7 ／， 1 7 式 中含有比例、积分与微分环节 ，因此内 模控制与 P I D控制方法具有等效性， 可以得到等效 P I D 控制器参数。通过调节 值 ，可以调整系统的动态性 能与鲁棒性。 建立 内模 P I D控制的传递函数线性仿真模型 ，针 对模型匹配与模型失配 假设压频转换系数 提高 2 0 ％，加入忽略的变频器一阶惯性环节 1 ／ 1 0 ． 0 5 s 尚五 一 母 一 菌堡 2 0 1 3年 1 O月 黄鲁蒙 等半主动式钻井绞车升沉补偿系统 6 2 3 两种情况 ，分别调节 为 0 ． 1 0 、0 ． 0 5 、0 ． 0 2 ，得到系统 阶跃响应 见图 5 。结果表明 内模控制在模型匹配 与模型失配情况下的稳态偏差均为零 ， 越小动态性能 越好 、抗干扰能力越强 ，但 过小会导致系统不稳定 ， 调节 时，要权衡系统鲁棒性与快速性两方面的要求。 4系统验证 图 5 内模 P I D阶跃响应 4 ． 1内模 P I D控制器非线性仿真 为 了验证半主动式海洋钻井绞车升沉补偿 系统的 补偿效果 ，考虑各种非线性因素及传动效率 ，建立了 非线性时域仿真模型。针对万米钻柱进行补偿 ，最大 补偿位移为 7 ． 6 2 m，补偿周期为 1 2 s ，最大补偿载荷 为 3 5 0 t 。采用 内模 P I D控制器 ，取 为 0 ． 0 5 。仿真结 果 见图 6 表明 补偿后大钩位移稳定在一 0 ． 2 2 ～0 ． 2 2 r n ，补偿率达到 9 5 ％，补偿效果良好 。 罢 j 四 图 6 内模 P I D补偿曲线 4 ． 2 实验 研究 为了验证绞车升沉补偿系统的可行性 ， 根据相似理 H 及工程经验搭建了小功率钻机起升系统实验台 见 图 7 ，主要包括升沉补偿模拟液压缸、负载模拟液压 缸、绞车驱动与传动装置 减速器 、绞车、变频电机 。 图 7 小功率钻机起升系统实验台原理图 利用小功率钻机起升系统实验台 ，针对大钩补偿 位移 3 ． 6 m、 补偿周期 1 5 s 、 钩载 0 ． 5 t 的条件进行实验。 实验结果 见图 8 表 明补偿率达到 9 0 ％以上 ，外层 内模 P I D控制器在时变扭矩干扰下具有较好的动态性 能 ，本文设计的绞车升沉补偿系统具有可行性。 5结论 图 8 实 验曲线 本文设计的半主动式绞车升沉补偿系统采用差动 行星齿轮系作为传动机构 ，实现了升沉补偿与 自动送 钻两种运动的解耦控制 ；气液转换器通过被动补偿液 压马达承担钻柱的部分静载荷 ，主动补偿 电机克服运 动补偿过程 中的其余载荷 ，降低了系统能耗。 系统建模时 ，采用质量集中法和能量守恒原则对 系统进行 了简化 ，求得了液压马达与蓄能器的流量连 续性方程 、绞车多轴拖动运动方程 、钻机起升系统负 载动力学方程 、系统闭环传递函数等。 6 2 4 石油勘探与开发 石油工程 V O 1 ． 4 0 N o ． 5 提出了外环大钩位移闭环与内环电机转速闭环 的 双层控制方案， 设计了外层内模 P I D鲁棒位移控制器， 内模控制在模型匹配与模型失配情况下的稳态偏差均 为零 ，滤波器时间常数越小动态性能越好 、抗干扰能 力越 强 。 通过非线性时域仿真与实验研究对系统进行了验 证 。结果表 明 仿真模拟和实验研究 的补偿率均在 9 0 ％以上 ，补偿效果 良好 ，系统具有可行性。 符 号注释 电机轴折算转动惯量 ，k g m ；mz 补偿负载 当量质量，k g ；C n 钢丝绳折算刚度 ， N／ m； 电机输 出扭矩 ，N m；Kf 变频器压频转换系数 ；U 电机电 压，V；F l p 电机转速，r ／ rai n ；k 电机极对数 ；R 2 折合到定子侧 的转子每相电阻 ， Q； 蓄能器流量 ，IT I ／ S ； P蓄能器实际压力，MP a ；t 时间，s ；P 0 蓄能器 平衡位置工作压力 ，MP a ；Z 0 蓄能器平衡位置工作体积 ， m ； 液压马达排量 ， m ／ r ；i 】 2 差动减速器外齿圈啮 合传动比；i l H 电机轴到行星架传动比；l。b R 行星轮与 内齿圈 自转啮合传动比；J 滚筒轴转动惯量 ，k g 1 T I ； 滚筒体转动惯量，k g 1 T 1 ； 外齿圈小齿轮转动惯 量 ，k g m ； ‘ ， 4 外齿圈转动惯量，k g m ；以行星轮 自转转动惯量 ， k g m ； J 6 行星轮公转转动惯量 ， k g IT I ； 行星架转动惯量 ，k g 1 1 3_ ；J 8 电机轴转动惯量 ， k g 1T I ； 负载折算转矩，N m；P 1 2 快绳拉力 ，N； v 快绳速度，m／ s ；C 1 负载系统组合刚度，N ／ m；z 一 游绳根数 ；C 钢丝绳刚度 ， N／ m；C d 井架刚度 ， N／ m； 叩 游动系统效率 ；G o 升沉补偿静载荷 ，N； 钢 丝绳伸长量 ，m；KO 万米钻柱的当量刚度 ，N／ m；c 钻井液阻力系数；Y h 大钩绝对位移 ，m；O s 补偿电 机轴运动角位移 ，r a d ；s 最大补偿位移 ，m； 控制 系统输人 ；“ 控制器输出；y 控制系统输出； 干 扰信号 ；c 内模控制器 ；P s 被控对象模型 ； 被控对象内部模型 ；D s 干扰信号对系统输出 的影响；C o 等效反馈控制器 ； f s 低通滤波器 ； 内部模型最小相位系统； 滤波器时间常数 ； 滤波器阶次；△ 建模误差。 参考文献 [ 1 ] 方华 灿 ．海 洋钻 井船 升沉 补偿 装 置的设 计 [ J ] l石油 矿场 机 械， 1 9 7 6 5 2 5 3 7 ． F a ng Hu a c a n． T h e d e s i g n o f h e a v e c o mp e ns a t i o n e q u i p me n t o f o c e a n d r i l l s h i p [ J ]Oi l F i e l d E q u i p me n t ， 1 9 7 6 5 2 5 - 3 7 ． [ 2 ] 姜浩，刘衍 聪，张彦 廷，等 ．浮式钻井平 台主动式钻柱升沉补偿 装置设计[ J ] ．石油学报， 2 0 1 2 ， 3 3 3 4 8 3 - 4 8 4 ． J i a n g Ha o， Li u Ya n c o n g ，Zh a n g Ya n t i n g， e t a 1 ． De s i g n f o r a n a c t i v e d r i l l - s t r i n g h e a v e c o mp e n s a t i o n s ys t e m o f t h e flo a t i n g d r i l l i n g p l a t f o r m[ J ] ． Ac t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 1 2 ， 3 3 3 4 8 3 - 4 8 4 ． [ 3 】 鞠少栋，畅元江，陈 国明，等．深水钻 井隔水管连接作业 窗口分 析[ J 】 l 石油勘探与开发， 2 0 1 2 ， 3 9 1 1 0 5 ． 1 1 0 ． J u S h a o d o n g ， C h a n g Y u a n j i a n g ， C h e n G u o mi n g ， e t a 1 ． E n v e l o p e s for c o n n e c t e d o p e r a t i o n o f t h e d e e p wa t e r d r i l l i n g r i s e r [ J ] P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 0 1 2 ， 3 9 1 1 0 5 - 1 1 0 [ 4 ] 任克忍，沈大春，王定亚 ，等．海洋 钻井升沉补偿系统技 术分 析 [ J 】 _ 石油机械， 2 0 0 9 ， 3 7 9 1 2 5 1 2 8 ． Re n Ke r e n ，S h e n Da c h u n ， W a ng Ding y a ， e t a 1 ． T e c h n i c a l a n a l y s i s o f o c e a n d r i l l i n g h e a v e c o m p e n s a t i o n s y s t e m[ J ] ．C h i n a P e t r o l e u m Ma c h i n e r y ， 2 0 0 9 ， 3 7 9 1 2 5 - 1 2 8 ． [ 5 ] 张彦廷，黄鲁蒙，刘 美英，等．海 洋浮式钻井平 台绞车升沉补偿 装置中国， 2 O 1 2 1 0 1 8 3 4 4 2 ． 5 [ P ] ． 2 0 1 2 ． 0 9 2 6 ． Zh a n g Ya n t i n g ，Hu a n g L u me n g ， Li u M e i y i n g ，e t a 1 ．Dr a wwo r k s h e a v e c o mpe n s a t i o n d e v i c e o f o f f s h o r e fl o a t i n g d r i l l i n g p l a t f o r m C h i n a ， 2 0 1 2 1 0 1 8 3 4 4 2 ． 5 [ P ] ． 2 0 1 2 - 0 9 - 2 6 ． [ 6 ] Na t i o n a l Oi l we l l V a r c o ．P r o d u c t d a t a s h e e t AH D一 7 5 0 5 7 5 0 6 3 8 2 - 1 0 ． 5 a c t i v e h e a v e d r i l l i n g d r a ww o r k s [ E B ／ O L ] [ 2 0 1 2 - 1 1 1 0 ] ． h t t p ／ ／ a p p s ． n o v ． c o m／ Ge t Do c u me n t ／ g e t Do c u me n t ．a s p x d o c R VNBk P g F k 9 z J Nb G b t d v 9 Od l d x s s P Kf M3 4 ／ s P Y F uf d z xk L O p s r g E u y j uf V g c u 8 3 C 5 q Z k E e x p Ux q 6 V z P 8 D 1 E o E mP V1 6 H V i 6 r 0 8 C T K q B ／ D B YQ3 e a b b Kbd x 6 U5 6 DHt J i v m． [ 7 ] 胡 军，唐 友 刚 ，李 士喜海洋 钻 机 井架 振 动 检测 及 评估 以 Z J 5 0 ／ 3 1 5 0 DB钻机为例 [ J 】 ．石油勘探与开发， 2 0 1 3 ， 4 O 1 1 1 7 - 1 2 0 ． Hu J u n ， T a n g Yo u g an g ， L i S h i x i ． Vib r a t i o n t e s t and a s s e s s me n t f o r an o c e an d r i l l i n g r i g d e r r i c k T a k in g t h e Z J 5 0 ／ 3 1 5 0 D B d r i l l i n g r i g a s an e x a mp l e [ J ] P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p me n t ， 2 0 1 3 ， 4 0 1 1 1 7 1 2 0 [ 8 ] 刘庆．交流变频 电驱动钻机起升系统仿真研究[ J ] ．石油矿场机械， 2 0 1 1 ， 4 O 2 1 0 - 1 5 ． L i u Qi n g ． P r e l i mi n a r y s t u d y o n s i mu l a t i o n for o i l d r i l l i n g r i g h o i s t i n g s y s t e m o f AC c o n v e r s i o n e l e c t r i c d r i v e n d r i l l i n g r i g [ J ] ．O i l F i e l d E q u i p me n t ， 2 0 1 1 ， 4 O 2 1 0 1 5 ． [ 9 ] 陈伯时．电力拖动 自动控制系统[ M] ． 北京机械工业 出版社， 2 0 0 5 ． C h e n B o s h i ． E l e c t r i c i t y p u l l a u t o ma t i o n c o n t r o l s y s t e m[ M] ． Be i j i n g Ch i n a M a c h i n e Pr e s s ， 2 0 0 5 ． [ 1 0 ] Ga r c i a C E ， Mo r a r i M． I n t e r n a l mo d e l c o n t r o l A u n i f y i n g r e v i e w a n d s o me n e w r e s u l t s [ J ] ． I n d ．E n g ．C h e m．P r o c e s s De s ．D e v ，1 9 8 2 ， 2 1 2 3 0 8 - 3 2 3 [ 1 1 】 龚 晓峰，高衿畅，周春晖．时滞系统 P I D 控制器 内模整定方法的 扩展[ J 】 l控制与决策， 1 9 9 8 ， l 3 4 3 3 7 - 3 4 1 ． Go n g Xi a o f e n g ，Ga o J i nc h a n g ，Z ho u Ch u n h u i ．Ex t e n s i o n o f I M C t u n i n g o f P I D c o n t r o l l e r p a r a me t e r [ J ] ． C o n t r o l a n d De c i s i o n ， 1 9 9 8 ， 1 3 f 4 1 3 3 7 - 3 41 ． [ 1 2 ] 魏乐．面 向工业过程 的 I MC - P I D 控制器设计 ⋯．华北 电力 大学 学报， 2 0 0 3 3 5 3 ． 5 6 We i L e ． D e s i g n i n g o f I MC- P I D c o n t r o l l e r for i n d u s t r i a l p r o c e s s e s [ J ] ． J o u r n a l o f No r t h C h i n a E l e c t r i c P o we r U n i v e r s i t y , 2 0 0 3 3 5 3 5 6 【 l 3 】 赵志诚 ，文新宇．内模控制及其应用[ M] ．北京电子工业出版社， 2 0 1 2 1 8 ． 4 O ． Z h a o Z h i c h e n g ， We n Xi n y u ． I n t e rna l mo d e l a n d i t s a p p l i c a t i o n [ M] ． B e i j i n g E l e c t r o n i c I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 1 2 1 8 - 4 0 [ 1 4 ] 杨俊杰．相似理论 与结构模型试验[ M] ．武汉 武汉理工大学 出版 社． 2 0 0 5 1 0 - 5 0 ． Y a n g J u n j i e ． S i mi l a r i t y t h e o r y a n d s t r u c t u r a l mo d e l t e s t [ M] ． Wu h a n W u h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y P r e s s ， 2 0 0 5 1 0 - 5 0 ． 第一作者简介黄鲁蒙 1 9 8 6 ． ，男，山东单县人 ，中国石油大学 华 东 在读博士研究生，主要从事流体传动与控制工程、石油钻井装备 方面 的研究工作。地址山东省青岛市，中国石油大学 华东 机 电工程学院， 邮政编码2 6 6 5 8 0 。E - ma i l y a n j i u s h e n g h u a n g 1 6 3 ． c o m 收稿日期 2 0 1 2 ． 1 2 1 2 修回 日期2 0 1 3 - 0 5 ． 1 5 编辑胡苇玮 绘图 刘方方