自升式海洋石油平台液压升降系统分析.pdf

1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/连 接 时 ,要 分 清 3 种 口 的 位 置 ,正 确 连 接 ,不 要 搞 错 ; 在 电 气 控 制 部 分 ,要 根 据 电 磁 换 向 阀 的 供 电 电压 来 进 行 电 路 设 计 。 QCS008 型 液 压 实 验 台 保 留 可 用的 电 磁 换 向 阀 的 供 电 电 压 为 直 流 24 V ,所 以 改 进 的 液压 实 验 台 的 电 磁 换 向 阀 要 接 变 压 器 和 整 流 电

2、路 。4 技 术 经 济 比 较实 验 使 用 证 明 ,改 进 后 的 液 压 实 验 台 性 能 良 好 ,能够 达 到 预 期 的 实 验 项 目 技 术 性 能 要 求 。实 验 台 改 造 经 费 如 下 :购 买 液 压 缸 、 定 量 泵 、 换 向阀 、 溢 流 阀 、 阀 板 等 液 压 元 件 、 辅 助 件 约 6000元 ;液 压系 统 改 造 费 约 5000 元 ;电 气 控 制 系 统 改 造 费 约 1000元 ;改 造 费 总 计 :12000 元 。 若 重 新 购 进 新 的 多 性 能 实验 台 所 需 经 费 约 46000 元 。 采 用 QCS00

3、8 型 液 压 实 验台 改 进 的 方 法 ,可 节 约 设 备 购 置 费 约 34000 元 。参 考 文 献 :1 章 宏 甲 ,黄 谊 ,王 积 伟 . 液 压 与 气 压 传 动 M . 北 京 :机 械工 业 出 版 社 ,2000.2 俞 启 荣 . 液 压 传 动 M . 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,1990.3 周 宝 花 . 移 动 工 作 台 液 压 系 统 的 改 进 J . 液 压 与 气 动 ,2006 (10) .自 升 式 海 洋 石 油 平 台 液 压 升 降 系 统 分 析李 文 华 1 , 张 银 东 1 , 陈 海 泉 1 , 孙 玉 清

4、1 , 张 敬 2Analysis of the Hydraulic Elevating Systems of the Self2elevating Offshore PlatformL I Wen2hua1 , ZHAN G Yin2dong1 , CHEN Hai2quan1 , SUN Yu2qing1 , Zhang Jing2(1. 大 连 海 事 大 学 轮 机 工 程 学 院 , 辽 宁 大 连 116026 ; 2. 中 国 石 油 集 团 海 洋 工 程 有 限 公 司 , 辽 宁 盘 锦 124010)摘 要 :介 绍 了 自 升 式 海 洋 石 油 平 台 的 液 压 升

5、 降 系 统 ,分 析 了 其 液 压 系 统 的 工 作 原 理 及 其 同 步 平 衡 控制 。 该 平 台 现 已 投 入 使 用 ,经 实 际 运 行 证 明 ,基 于 PLC 和 液 压 控 制 的 升 降 系 统 具 有 较 高 的 实 时 性 和 可 靠 性 ,能 够 确 保 整 个 自 升 式 海 洋 石 油 平 台 平 稳 、 安 全 地 升 降 。关 键 词 :自 升 式 海 洋 平 台 ; 液 压 ; 升 降 系 统中 图 分 类 号 : TH137. 7 文 献 标 识 码 :B 文 章 编 号 :100024858 (2006) 0820023203引 言在 用 于

6、海 洋 石 油 开 发 的 各 种 海 洋 平 台 及 其 他 海 洋构 筑 物 中 ,自 升 式 平 台 比 较 适 合 于 浅 海 区 域 ,具 有 用 钢量 少 、 造 价 低 、 水 上 完 井 、 在 各 种 海 况 下 几 乎 都 能 持 续作 业 和 效 率 高 等 优 点 ,因 此 ,在 国 内 外 海 洋 勘 探 和 开 发中 ,特 别 是 在 近 海 海 洋 石 油 开 发 中 发 挥 了 巨 大 的 作用 1 。 升 降 系 统 作 为 自 升 式 平 台 中 的 关 键 部 分 ,在 平台 的 设 计 制 造 和 使 用 中 历 来 受 到 高 度 重 视 ,其 性 能

7、 的优 劣 直 接 影 响 平 台 的 安 全 和 使 用 效 果 。1 平 台 升 降 系 统 构 成该 平 台 船 体 侧 视 图 如 图 1 所 示 ,自 升 式 平 台 的 升降 系 统 大 致 分 为 两 大 类 :齿 轮 齿 条 式 和 液 压 缸 顶 升 式 。由 于 齿 轮 齿 条 式 升 降 系 统 具 有 升 降 速 度 快 、 操 作 简 单和 易 对 井 位 的 优 点 ,因 此 新 造 的 自 升 式 平 台 多 采 用 齿轮 齿 条 升 降 方 式 。 齿 轮 齿 条 升 降 系 统 就 是 在 平 台 的 每根 桩 腿 上 设 置 几 根 齿 条 ,对 应 于 每

8、 根 齿 条 上 设 置 几 个小 齿 轮 ,齿 条 及 其 对 应 小 齿 轮 数 量 根 据 平 台 所 要 求 的举 升 能 力 和 平 台 总 体 要 求 加 以 确 认 。 动 力 通 过 桩 边 马达 驱 动 齿 轮 减 速 箱 ,然 后 传 递 给 与 齿 条 啮 合 的 小 齿 轮 ,从 而 带 动 平 台 的 升 降 。 齿 轮 齿 条 式 升 降 系 统 由 动 力 驱动 系 统 、 动 力 传 递 系 统 (主 要 包 括 齿 轮 齿 条 及 相 应 的 减速 机 构 )和 平 台 升 降 控 制 系 统 等 3 大 部 分 组 成 。图 1 自 升 式 海 洋 平 台

9、侧 视 图收 稿 日 期 :2006201205作 者 简 介 :李 文 华 (1980 ) ,男 ,湖 南 省 衡 阳 市 祈 东 人 ,助 教 ,硕 士 ,主 要 从 事 船 舶 动 力 装 置 机 电 一 体 化 方 向 的 科 研 和 教 学 工作 。322006 年 第 8 期 液 压 与 气 动 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/2 升 降 系 统 液 压 系 统 分 析液 压 系 统 的 主 要 功 能 是 为 整 套 升 降 系 统 提

10、 供 动力 ,该 平 台 为 3 条 桩 腿 ,每 条 桩 腿 上 配 有 1 套 单 独 的 液压 系 统 ,如 图 2 所 示 ,而 每 套 液 压 系 统 由 1 台 主 泵 A1、1 台 控 制 泵 B1、 3 套 各 种 功 能 模 块 和 6 台 并 联 的 双 速液 压 马 达 E1 等 组 成 。 该 平 台 整 套 液 压 升 降 系 统 由 3套 单 独 的 系 统 并 联 而 成 ,其 中 共 同 使 用 1 个 油 箱 、 2 台补 油 泵 等 提 供 液 压 油 源 设 备 。每 套 桩 腿 升 降 液 压 系 统 可 分 为 主 油 路 系 统 、 控 制油 路 系

11、 统 和 增 压 系 统 。 每 套 系 统 按 模 块 划 分 可 以 分 为主 泵 变 量 模 块 A、 先 导 泵 模 块 B、 泵 加 载 / 卸 荷 阀 组 模块 C、 操 控 阀 组 模 块 D、 液 压 马 达 变 速 模 块 E、 刹 车 / 调速 阀 组 模 块 F ,各 模 块 的 功 能 如 下 。主 液 压 泵 变 量 模 块 A :工 作 时 为 整 个 升 降 系 统 提供 动 力 ,主 液 压 泵 与 伺 服 变 量 机 构 组 成 压 力 补 偿 变 量回 路 ,平 台 和 桩 腿 的 升 降 速 度 将 由 伺 服 阀 控 制 主 液 压泵 来 实 现 。先

12、导 泵 模 块 B :主 要 用 途 为 : 主 液 压 泵 变 量 系统 、 液 压 马 达 换 向 、 液 压 马 达 变 速 提 供 控 制 油 源 ; 为液 压 马 达 刹 车 系 统 提 供 动 力 油 源 ; 为 蓄 能 器 提 供 压力 油 。泵 加 载 / 卸 荷 阀 组 模 块 C :主 要 用 于 改 变 主 泵 输 出口 的 工 作 压 力 ,保 护 主 泵 不 致 于 过 压 ,并 协 助 主 泵 变 量模 块 按 要 求 (如 调 压 或 卸 载 )进 行 运 行 。图 2 桩 腿 升 降 液 压 系 统 原 理 图42 液 压 与 气 动 2006 年 第 8 期

13、1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/操 控 阀 组 模 块 D :主 要 由 安 全 阀 D5、 平 衡 阀 D3、D4、 电 液 换 向 阀 D2 和 卸 荷 阀 D1 等 组 成 ,电 液 换 向 阀D2 为 液 压 马 达 获 得 两 种 不 同 的 转 向 ,平 衡 阀 D3、 D4回 路 用 以 提 高 系 统 运 行 时 的 平 稳 性 ,卸 荷 阀 D1 使 主油 路 呈 卸 载 状 态 ,安 全 阀 D5 在 电 液 换 向 阀 D2 阀

14、 芯 在中 位 时 ,与 液 压 马 达 E6 接 成 制 动 回 路 。液 压 马 达 变 速 模 块 E :通 过 液 控 换 向 阀 E8 的 动作 ,使 双 速 液 压 马 达 E6 实 现 变 速 。刹 车 / 调 速 阀 组 模 块 F :主 要 功 用 为 电 磁 换 向 阀F1、 F2 分 别 控 制 液 压 马 达 刹 车 装 置 的 松 开 和 双 速 液 压马 达 的 变 速 。2. 1 主 油 路 系 统主 油 路 液 压 系 统 工 作 流 程 为 :先 启 动 补 油 泵 H1或 备 用 泵 H2 ,为 主 泵 和 控 制 泵 提 供 足 够 的 供 油 压 力 ;

15、进 行 升 降 操 作 前 启 动 先 导 模 块 B 中 的 先 导 泵 B1 使 系统 建 立 起 控 制 压 力 ,主 泵 在 接 受 控 制 信 号 后 可 进 行 变量 操 作 ,以 控 制 平 台 和 桩 腿 的 升 降 速 度 。 加 载 / 卸 荷 模块 C 根 据 控 制 信 号 可 使 任 一 主 泵 站 投 入 工 作 或 三 泵并 联 输 出 ,并 调 节 主 泵 输 出 压 力 。 操 控 阀 模 块 中 的 比例 电 液 换 向 阀 D2 阀 芯 处 于 中 位 时 ,液 压 马 达 E1 通 过安 全 阀 D5 接 成 制 动 回 路 。 当 换 向 阀 D2 阀

16、 芯 处 在 左或 右 位 时 ,从 而 使 液 压 马 达 E1 获 得 两 种 不 同 的 转 向 。2. 2 控 制 油 路 系 统补 油 泵 H1 或 备 用 泵 H2 向 先 导 泵 模 块 B 中 的 先导 泵 B1 提 供 一 定 压 力 的 供 油 ,然 后 再 启 动 控 制 泵 B1 ,建 立 系 统 的 控 制 压 力 。 溢 流 阀 B2 用 于 设 定 控 制 泵 的压 力 ,换 向 阀 F2 动 作 ,使 液 压 马 达 变 速 模 块 中 的 “ 二位 二 通 ” 液 控 换 向 阀 E3 动 作 ,从 而 使 双 速 液 压 马 达 根据 不 同 的 作 业 工

17、 况 进 行 变 速 ;换 向 阀 F1 动 作 ,接 通 液压 马 达 的 刹 车 液 压 缸 E2 进 口 ,液 压 马 达 E1 的 刹 车 装置 将 松 开 刹 车 。2. 3 液 压 系 统 的 保 护 措 施为 确 保 平 台 升 降 安 全 、 可 靠 ,在 平 台 整 套 液 压 升 降系 统 中 采 用 了 多 种 安 全 保 护 措 施 :(1) 3 台 主 泵 并 联 互 为 备 用 ,在 1 台 甚 至 2 台 损 坏 的情 况 下 ,仍 能 保 证 以 相 对 慢 的 速 度 升 降 ;控 制 油 路 中 3 台并 联 的 先 导 泵 ,亦 互 为 备 用 ,确 保

18、了 为 主 油 路 、 刹 车 及 速度 转 换 提 供 动 力 ,增 强 了 平 台 脱 离 危 险 状 况 的 能 力 。(2) 操 控 阀 模 块 D 中 的 平 衡 阀 D3、 D4 实 现 刹 车的 一 级 保 护 , 若 失 效 则 比 例 阀 块 D2 实 现 二 级 保 护 ,这两 级 保 护 可 实 现 在 液 压 源 失 效 时 平 台 或 桩 腿 安 全 停 留在 原 位 置 。(3) 系 统 中 设 置 了 由 液 压 控 制 、 弹 簧 刹 车 的 盘 式刹 车 机 构 ,一 旦 系 统 出 现 异 常 (如 断 电 、 超 载 、 超 速 等 ) ,将 自 动 刹

19、车 。(4) 3 套 蓄 能 器 G在 液 压 源 出 现 故 障 时 仍 可 保 证主 油 路 工 作 ,同 时 使 系 统 在 启 动 和 停 止 时 具 有 一 定 的减 震 性 能 ,而 无 需 增 加 其 他 的 减 震 措 施 。(5) 增 加 升 降 能 力 储 备 ,在 单 桩 1 台 马 达 损 坏 时仍 能 进 行 平 台 升 降 。3 液 压 升 降 系 统 的 同 步 平 衡 控 制 和 操 控 方 式在 平 台 整 套 液 压 升 降 系 统 主 油 路 中 ,3 个 桩 腿 的相 对 速 度 由 比 例 换 向 阀 来 控 制 ,每 根 桩 腿 上 的 6 个 马达

20、 油 路 并 联 ,即 靠 桩 腿 或 平 台 的 质 量 (马 达 的 负 载 ) 来实 现 刚 性 同 步 。 同 时 配 有 自 动 平 衡 控 制 系 统 ,自 动 平衡 控 制 系 统 由 平 衡 传 感 器 、 信 号 变 换 电 路 和 PLC 控 制软 件 组 成 ,自 动 平 衡 控 制 系 统 能 够 在 平 台 自 动 上 升 和下 降 运 动 中 ,使 其 3 个 桩 腿 在 设 定 时 间 内 实 现 自 动 整步 ,从 而 保 持 平 台 上 升 或 下 降 过 程 中 ,平 台 姿 态 控 制 精度 0. 3 。采 用 PLC 控 制 ,在 控 制 上 设 置 1

21、 个 集 控 台 和 3 个桩 边 控 制 台 ,若 集 控 台 失 灵 则 在 桩 边 控 制 台 上 操 作 平台 升 降 ,在 集 控 台 上 设 自 动 控 制 和 手 动 控 制 ,同 时 根 据平 台 的 作 业 的 情 况 设 置 了 6 种 操 作 模 式 ,控 制 方 式 为位 移 与 船 体 姿 态 的 双 重 控 制 ,设 有 检 测 反 馈 系 统 。4 结 束 语本 文 描 述 了 某 自 升 式 海 洋 石 油 平 台 升 降 系 统 的 组成 ,并 对 其 液 压 升 降 系 统 的 工 作 原 理 、 平 衡 控 制 和 操 控方 式 进 行 了 分 析 研 究

22、 。 该 平 台 自 投 产 以 来 ,平 台 移 位多 次 ,液 压 升 降 系 统 运 行 状 况 良 好 。 经 实 践 证 明 ,该 液压 控 制 系 统 方 案 可 行 、 合 理 ,保 证 了 升 降 系 统 的 运 行 平稳 、 安 全 、 可 靠 。参 考 文 献 :1 马 志 良 ,罗 德 涛 . 近 海 移 动 式 平 台 M . 北 京 :海 洋 出 版社 ,1993.2 王 运 安 . 胜 利 修 井 平 台 升 降 系 统 设 计 J . 中 国 海 洋 平台 ,2003 (2) .3 孙 永 泰 . 自 升 式 海 洋 平 台 齿 轮 齿 条 升 降 系 统 的 研 究 J .石 油 机 械 ,2004 (10) .4 孙 玉 清 ,姜 培 元 ,等 . 自 升 式 海 洋 石 油 平 台 液 压 平 台 液 压机 构 动 力 学 分 析 J . 大 连 海 事 大 学 学 报 ,1998 (2) .5 谭 跃 ,邱 赤 东 ,姜 培 元 . 自 升 式 海 洋 平 台 自 动 平 衡 控 制 的研 究 J . 大 连 海 事 大 学 学 报 ,2000 (2) .522006 年 第 8 期 液 压 与 气 动