一种浮体方向可调控的半潜式平台及调控方法
【专利摘要】本发明公布了一种浮体方向可调控的半潜式平台及调控方法，所述平台从上而下依次由平台主体、4个立柱、4个回转支承、4个鱼形浮体依次连接构成，此外还包括设置于平台主体上的锚泊定位系统和方向调整装置。所述方法通过流速流向传感器测出海水流速及其流向信号、通过角度测量传感器测量鱼形浮体纵向与平台主体的夹角信号，传递给工控机，工控机发出控制指令给回转伺服马达，驱动回转支承，使4个鱼形浮体相对于各自的立柱转动，直至鱼形浮体纵向与海水作用方向平行。本发明使得锚被拉出海床概率最小，有利于保证半潜式平台正常作业。
【专利说明】一种浮体方向可调控的半潜式平台及调控方法
【技术领域】
[0001]本发明属于海洋工程领域，涉及一种浮体方向可调控的、采用锚泊定位系统的半潜式平台及其浮体方向调控方法。
【背景技术】
[0002]目前，海上油气资源的勘探和开采不断向深水发展，由百米水深增加至千米水深，海洋平台是海洋油气开发的关键装备。公知的海洋平台可分为自升式平台和半潜式平台两类。其中，自升式平台通过桩腿、桩靴支撑平台主体于海面进行油气开采工作，作业水深越大，桩腿的总长、桩腿之间的间距、桩靴和平台主体外形尺寸就越大，因此，自升式平台工作水深一般不超过200米，无法进行更深海域的油气勘探和开采。
[0003]半潜式平台则是深水油气勘探和开采的主要装备，利用在海面上漂浮的浮体(俗称“鱼形船”或者“鱼形浮体”)通过立柱支撑起平台主体，可以勘探和开采千米水深的海上油气资源。半潜式平台在工作时，海水以波浪载荷和海流载荷形式作用在鱼形船上，其中波浪载荷为动态载荷，海流载荷为定常载荷。当海水作用方向改变时，鱼形船受力状态也随之改变。半潜式平台在平行于鱼形船纵向的海水作用下受力最小，在垂直于鱼形船纵向的海水作用下受力最大，最大载荷一般为最小载荷的3 - 5倍。
[0004]定位系统是用于平衡半潜式平台所受外载荷，保证其在海上处于合理的运动范围，并能进行正常生产作业的重要装备，主要分为三种:锚泊定位系统、动力定位系统以及锚泊与动力组合定位系统。其中，锚泊定位是一种采用锚及锚链、锚缆将半潜式平台系留于海上，限制风、海浪和洋流等环境载荷所引起的漂移，使半潜式平台保持在预定位置上作业的定位方式。一般来说，对于水深在1500米以下作业的半潜式作业平台，采用锚泊定位系统。
[0005]对于采用锚泊定位系统的半潜式平台，所承受的波浪载荷和海流载荷通过锚机、锚链、锚缆传递到固定于海底的锚上。导致锚周围的海床土壤的应力分布改变，体现在两个方面:由波浪载荷引起的应力幅值，由海流载荷引起的平均应力。这种应力分布特性可能导致锚周围的海床土壤发生疲劳破坏继而松动，致使锚被拉出海床，相对于海底发生滑移，使得锚泊系统的受力状态随之发生改变，此时半潜式平台无法正常保持在预定位置上作业甚至发生整体倾斜，尤其当半潜式平台受到垂直于鱼形船纵向的海水作用时，这种情况出现的概率最大，比受到平行于鱼形船纵向的海水作用的情况高出3 - 5倍。
[0006]然而，公知的采用锚泊定位系统的半潜式平台存在如下缺点:当完成锚泊定位系统安装之后，无论受到哪个方向的波浪和海流作用，鱼形船自身的方向都无法改变，导致鱼形船受力状态随着海水作用方向改变而改变，进而导致锚周围的海床土壤的应力分布也会随着海水作用方向改变而改变，无法保证土壤应力分布始终处于最小状态，锚被拉出海床的概率很大。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为了克服现有技术缺陷，提供一种浮体方向可调控的半潜式平台及调控方法。本发明可始终使鱼形浮体承受的波浪载荷和海流载荷处于最小状态，即承受平行于鱼形浮体纵向的海水作用，保证锚周围的土壤应力分布始终处于最小状态，使得锚被拉出海床概率最小，有利于保证半潜式平台在预定位置上作业而不发生整体倾斜。
[0008]为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案是:
[0009]一种浮体方向可调控的半潜式平台，从上而下依次由平台主体、4个立柱、4个回转支承、4个鱼形浮体依次连接构成，此外还包括设置于平台主体上的锚泊定位系统和方向调控装置；鱼形浮体与回转支承、回转支承与立柱之间分别采用螺钉连接；立柱下部两两之间采用横撑杆连接；每根立柱下端均设有法兰形支架、3个回转伺服马达，3个回转伺服马达互成120°安装在法兰形支架上并与回转支承之间采用圆柱直齿齿轮形成内啮合传动。
[0010]所述锚泊定位系统由分布在平台主体上甲板4个角落处的4套结构相同的锚泊定位装置组成，所述锚泊定位装置由锚绞机、锚泊线、导缆器、锚依次连接而成。
[0011]所述方向调控装置包括流速流向传感器、无线信号发射器、无线信号接收器、角度测量传感器、A/D转换器、工控机、D/A转换器和驱动器，其中，流速流向传感器、无线信号发射器布置在海面上并通过软绳系在鱼形浮体上，流速流向传感器用于采集海水流速及其流向信号，并通过无线信号发射器将采集得到的海水流速流向无线传输给接无线信号接收器；角度测量传感器布置在立柱下部，用于测量的鱼形浮体纵向与平台主体的夹角；无线信号接收器接收到的信号，以及鱼形浮体纵向与平台主体的夹角信号依次经过A/D转换器、工控机、D/A转换器传输至驱动器进而控制回转伺服马达运转。
[0012]本发明的一种浮体方向可调控的半潜式平台的调控方法，包括如下步骤:
[0013]第一步S1:通过流速流向传感器采集海水流速及流向信号，并通过无线信号发射器向外发送海水流速及流向信号；
[0014]第二步S2:通过无线信号接收器接收海水流速及流向信号，经A/D转换器传递给工控机；
[0015]第三步S3:工控机提取海水流速信号并计算得出其均值va，比较海水流速的均值va和设定值v0,若海水流速的均值va小于vO,返回第一步SI,否则进入第四步S4 ；
[0016]第四步S4:工控机提取海水流向信号并计算得出海水流向相对平台主体夹角及其均值aa，将海水流向相对平台主体夹角的均值a a与角度测量传感器采集的鱼形浮体纵向相对平台主体的夹角β相比较，若两者差值小于3°，返回第一步SI，否则进入第五步S5 ；
[0017]第五步S5:工控机发出控制指令，经D/A转换器、驱动器，控制回转伺服马达，以(aa-β )的角度转动鱼形浮体，使其纵向与海水流向平行，返回第一步SI继续重复上述流程。
[0018]本发明的一种浮体方向可调控的半潜式平台及调控方法，具有以下优点和有益效果:
[0019]通过流速流向传感器测出海水流速及其流向信号、通过角度测量传感器测量鱼形浮体纵向与平台主体的夹角信号，传递给工控机，工控机发出控制指令给回转伺服马达，驱动回转支承，使4个鱼形浮体相对于各自的立柱转动，直至鱼形浮体纵向与海水作用方向平行，此时，半潜式平台所受海水载荷最小，锚泊定位系统承受的海水载荷也处于最小状态，因而锚被拉出海床概率最小，有利于保证半潜式平台正常作业。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的浮体方向可调控的半潜式平台的结构示意图；
[0021]图2为本发明的法兰形支架的主视图；
[0022]图3为本发明的调控方法的流程图；
[0023]图4为本发明在海水载荷垂直鱼形浮体纵向时，调整前的俯视图；
[0024]图5为本发明在海水载荷垂直鱼形浮体纵向时，调整后的俯视图；
[0025]图中:1-锚，2-锚泊线，3-导缆器，4-锚绞机，5-立柱，6_鱼形浮体，7_回转支承，8-横撑杆，9-平台主体，10-流速流向传感器，11-回转伺服马达，12-法兰形支架，13-无线信号发射器，14-无线信号接收器，15-A/D转换器，16-工控机，17-D/A转换器，18-驱动器，19-信号线，20-角度测量传感器。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0027]如图1所示，为本发明的一种浮体方向可调控的半潜式平台，从上而下依次由平台主体9、4个立柱5、4个回转支承7、4个鱼形浮体6依次连接构成，此外还包括锚泊定位系统、方向调控装置。鱼形浮体6与回转支承7、回转支承7与立柱5之间分别采用螺钉连接。立柱5下部两两之间采用横撑杆8连接。每根立柱5下端均设有法兰形支架12(如图2所示)、3个回转伺服马达11，回转伺服马达11互成120°均匀安装在法兰形支架12上，与回转支承7之间采用圆柱直齿齿轮形成内啮合传动。
[0028]如图1所示，本发明中的锚泊定位系统由分布在平台主体9上甲板4个角落处的4套结构相同的锚泊定位装置组成，对半潜式平台进行4点锚泊定位，该装置由锚绞机4、锚泊线2、导缆器3、锚I依次连接而成。方向调整装置包括流速流向传感器10、无线信号发射器13、无线信号接收器14、角度测量传感器20、A/D转换器15、工控机16、D/A转换器17、驱动器18、回转伺服马达11，以及若干信号线19，其中，流速流向传感器10、无线信号发射器13布置在海面上，它们之间通过信号线19连接，并通过软绳系在鱼形浮体6上，流速流向传感器10采集海水流速及其流向信号并通过无线信号发射器13将采集得到信号无线传输给接无线信号接收器14 ;角度测量传感器20布置在立柱5下部，用于测量的鱼形浮体6纵向与平台主体9的夹角；无线信号接收器14、A/D转换器15、工控机16、D/A转换器17、驱动器18之间采用信号线19连接，布置在平台主体9上，此外角度测量传感器20与A/D转换器15之间也通过信号线19连接。
[0029]本发明中的方向调控装置主要用来测量海水流速及其流向信号以及鱼形浮体6纵向与平台主体9的夹角信号，并把这些信号传递给工控机16，再由工控机16发出控制指令给驱动器18，控制回转伺服马达11，回转伺服马达11在接收到驱动器18信号后，通过与回转支承7齿轮啮合，输出回转力矩使鱼形浮体6转动；法兰形支架12作用是固定回转伺服马达11于立柱5上；回转支承7主要用来连接立柱5与鱼形浮体6，使得鱼形浮体6可以相对于立柱5转动。[0030]本发明中的浮体方向调控方法，如图3所示，第一步(SI):通过流速流向传感器10采集海水流速及其流向信号，并通过无线信号发射器13向外发送该信号；第二步(S2):通过无线信号接收器14接收流速、流向信号，经A/D转换器15传递给工控机16 ;第三步(S3):工控机16提取流速信号并计算出其均值va,比较va和设定值vO,若va小于vO,返回第一步SI，否则进入第四步S4 ;第四步(S4):工控机16提取流向信号并计算得出海水流向相对平台主体9夹角及其均值a a，将a a与角度测量传感器20采集的鱼形浮体6纵向相对平台主体9的夹角β相比较，若两者差值小于3°，返回第一步SI，否则进入第五步S5;第五步(S5):工控机16发出控制指令，经D/A转换器17、驱动器18，控制回转伺服马达11，以(a a - β )的角度转动鱼形浮体6，使其纵向与海水流向平行，返回第一步SI重复上述流程。
[0031]具体使用过程如下:
[0032]首先，移动半潜式平台到工作海域，采用上述锚泊定位系统对其进行4点锚泊定位。其次，把流速流向传感器10及无线信号发射器13放到海面上并通过软绳系在鱼形浮体6上，角度测量传感器20布置在立柱5下部，无线信号接收器14、A/D转换器15、工控机16、D/A转换器17、驱动器18布置在平台主体9上。此时平台即可进入工作状态。
[0033]假设半潜式平台受到与鱼形浮体6纵向垂直的海水作用，如图4所示，首先，通过流速流向传感器10采集海水流速及其流向信号，并通过无线信号发射器13向外发送该信号；然后，通过无线信号接收器14接收流速、流向信号，经A/D转换器15传递给工控机16,工控机16提取流速信号并计算出其均值va=40m/s,比较va和设定值v0=10m/s, va大于vO ;接着，工控机16提取流向信号并计算得出海水流向相对平台主体9夹角及其均值aa=90°，比较鱼形浮体6纵向相对平台主体9夹角β=0°与aa，两者差值大于3° ;最后，工控机16发出控制指令，经D/A转换器17、驱动器18，控制回转伺服马达11，以90°的角度转动鱼形浮体6，使其纵向与海水流向平行，如图5所示。
【权利要求】
1.一种浮体方向可调控的半潜式平台，其特征在于所述平台从上而下依次由平台主体(9)、4个立柱(5)、4个回转支承(7)、4个鱼形浮体(6)依次连接构成，此外还包括设置于平台主体(9)上的锚泊定位系统和方向调控装置；鱼形浮体(6)与回转支承(7)、回转支承(7)与立柱(5)之间分别采用螺钉连接；立柱(5)下部两两之间采用横撑杆(8)连接；每根立柱(5)下端均设有法兰形支架(12)、3个回转伺服马达(11)，3个回转伺服马达(11)互成120°均匀安装在法兰形支架(12)上并与回转支承(7)之间采用圆柱直齿齿轮形成内啮合传动。
2.根据权利要求1所述的一种浮体方向可调控的半潜式平台，其特征在于所述锚泊定位系统由分布在平台主体(9)上甲板4个角落处的4套结构相同的锚泊定位装置组成，所述锚泊定位装置由锚绞机(4)、锚泊线(2)、导缆器(3)、锚(I)依次连接而成。
3.根据权利要求1所述的一种浮体方向可调控的半潜式平台，其特征在于所述方向调控装置包括流速流向传感器(10)、无线信号发射器(13)、无线信号接收器(14)、角度测量传感器(20)、A/D转换器(15)、工控机(16)、D/A转换器(17)和驱动器(18)，其中，流速流向传感器(10)、无线信号发射器(13)布置在海面上并通过软绳系在鱼形浮体(6)上，流速流向传感器(10)用于采集海水流速流向并通过无线信号发射器(13)将采集得到的海水流速流向无线传输给接无线信号接收器(14);角度测量传感器(20)布置在立柱(5)下部，用于测量的鱼形浮体(6)纵向与平台主体(9)的夹角；无线信号接收器(14)将接收到的海水流速流向信号以及鱼形浮体纵向与平台主体的夹角信号依次经过A/D转换器(15)、工控机(16)、D/A转换器(17)传输至驱动器(18)进而控制回转伺服马达(11)运转。
4.一种基于权利要求1所述的浮体方向可调控的半潜式平台的调控方法，其特征在于包括如下步骤: 第一步S1:通过流速流向传感器(10)采集海水流速及流向信号，并通过无线信号发射器(13)向外发送海水流速及流向信号； 第二步S2:通过无线信号接收器接收海水流速及流向信号，经A/D转换器(15)传递给工控机(16)； 第三步S3:工控机(16)提取海水流速信号并计算得出其均值va，比较海水流速的均值va和设定值v0,若海水流速的均值va小于v0,返回第一步SI,否则进入第四步S4 ； 第四步S4:工控机(16)提取海水流向信号并计算得出海水流向相对平台主体(9)夹角及其均值aa，将海水流向相对平台主体(9)夹角的均值a a与角度测量传感器(20)采集的鱼形浮体(6)纵向相对平台主体(9)的夹角β相比较，若两者差值小于3°，返回第一步SI，否则进入第五步S5 ； 第五步S5:工控机(16)发出控制指令，经D/A转换器(17)、驱动器(18)，控制回转伺服马达(11)，以(aa-β )的角度转动鱼形浮体(6)，使其纵向与海水流向平行，返回第一步SI继续重复上述流程。
【文档编号】B63B21/50GK103600818SQ201310551800
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】张建, 唐文献, 张阳, 苏世杰, 齐继阳, 李亚男 申请人:江苏科技大学