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浮式钻井生产储卸油系统(Floating,Drilling,Production,Storage and Offloading unit,简称FDPSO)是一种集钻井、生产、储卸油等多功能一体化的深水油田开发新型装备。其中,圆筒型FDPSO浮体虽然克服了船型浮体对浪向敏感等缺陷,但是在波浪环境中存在垂荡运动幅度较大等性能局限。鉴于上述问题,一种具有优异水动力性能的新概念沙漏型浮体被提出。在此基础上形成的沙漏型FDPSO具有较强的海洋环境适应能力,为超浅海、深海及超深海等海洋油气开采提供有利支撑。当沙漏型FDPSO在深水及超深水复杂海洋环境中作业时,由于钻井工艺对浮体定位精度具有较高要求,因此需要采用定位精度高、不受工作水深限制的动力定位技术进行运动控制。其中,定位精度和燃料消耗是限制动力定位系统应用的关键问题。本文将基于沙漏型FDPSO浮体特殊的外形特点,以提高定位精度和降低能耗为出发点,开展浮体的运动控制方法研究。主要研究内容如下:(1)动力定位条件下沙漏型FDPSO运动性能和运动控制方法基础研究。首先,采用沙漏型FDPSO浮体缩尺模型开展运动性能的水池试验研究,发现沙漏型FDPSO浮体纵摇固有频率较小,与动力定位作用下的纵荡固有频率相接近。其次,开展动力定位条件下沙漏型浮体纵荡-垂荡-纵摇耦合运动研究,发现动力定位条件下沙漏型FDPSO浮体的纵荡运动和纵摇运动的耦合效应显著。然后,开展沙漏型浮体纵荡-纵摇耦合运动控制方法基础研究,以控制浮体初稳性高来减弱纵荡-纵摇耦合运动效应为出发点,研究在沙漏型浮体纵荡控制力中考虑纵摇回复刚度的控制方法(简称“线性PID控制方法”(proportional-integral-differential control,PID))。进而形成沙漏型浮体动力定位系统中控制方法的研究基础。(2)动力定位条件下沙漏型FDPSO运动控制方法研究,建立基于分段设计的自适应模糊PID控制方法。首先,在沙漏型浮体纵荡控制力中考虑纵摇回复刚度的控制方法的基础上,研究基于浮体纵荡运动位置和方向性的分段PID控制方法(简称“分段PID控制方法”)。进一步引入模糊控制方法,研究将纵荡比例控制项作为输出量的单输出自适应模糊PID控制方法(简称“单输出模糊PID控制方法”)和将纵荡和纵摇比例控制项同时作为输出量的双输出自适应模糊PID控制方法(简称“双输出模糊PID控制方法”)。在“线性PID控制方法”、“分段PID控制方法”、“单输出模糊PID控制方法”以及“双输出模糊PID控制方法”等四种控制方法中,在定位效果方面,四种控制方法均能满足沙漏型浮体的定位精度要求;在能耗方面,双输出模糊PID控制方法的能耗最优,单输出模糊PID控制方法次之,线性PID控制方法能耗最高。(3)风倾力矩作用下沙漏型FDPSO平均纵摇角问题及动力定位控制方法研究。理论研究结果表明,风载荷作用于沙漏型FDPSO,风倾力矩使浮体纵倾,即导致纵摇运动的平均纵摇角问题。现行动力定位系统可提供的水平面内的运动控制推力无法解决平均纵摇角问题。本文提出并研究了基于纵摇风倾力矩前馈的控制方法:基于消除平均纵摇角的功能需求提出了正交两向平面内全回转推进器和空间全方位回转推进器;进一步,研究了基于纵摇风倾力矩前馈控制的运动控制推力分配策略。研究结果表明:与传统全回转推进器和可伸缩全冋转推进器相比,采用上述方法以及新型动力定位推进器不仅可以解决沙漏型FDPSO浮体在风倾力矩下出现的较大平均纵摇角问题,而且具有较低的能耗。其中,空间全方位冋转推进器的能耗最低,正交两向平面内全回转推进器的能耗次之。(4)动力定位条件下沙漏型FDPSO艏摇失稳问题研究。动力定位推进器的安装位置偏差将导致纵荡运动控制推力指向偏离浮体重心,进而形成浮体艏摇运动激励。首先,基于规范允许的动力定位推进器组安装偏差限值,建立了动力定位条件下沙漏型浮体1.5自由度艏摇非线性运动方程,并开展了沙漏型浮体在纵荡控制推力激励下的艏摇运动性能研究;研究结果表明,沙漏型FDPSO浮体的回转体外形导致较小的艏摇运动阻尼,动力定位推进器安装偏差形成的艏摇运动激励力矩可能会导致沙漏型浮体艏摇运动失稳而产生大幅艏摇运动响应。其次,分别采用多尺度法、LP(Lindstedt-Poincare)方法以及Runge-Kutta方法,针对最优艏向控制和艏向保持控制等两种实际工程中常见的动力定位模式,研究不同因素对沙漏型FDPSO浮体艏摇运动性能的影响;通过对比上述两种定位模式可以发现,在风、浪、流入射方向较稳定时,最优艏向控制模式在浮体艏摇运动稳定后所需的推力要小于艏向保持控制模式;但是,浮体艏向角变化相对较大,因此,针对艏摇运动定位要求较高的作业工况,应该采用艏向控制模式。