海洋钻井补偿绞车的液压驱动系统 |
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| 申请号 | CN201610382999.X | 申请日 | 2016-06-01 | 公开(公告)号 | CN105804675A | 公开(公告)日 | 2016-07-27 |
| 申请人 | 中国石油大学(华东); | 发明人 | 黄鲁蒙; 张彦廷; 孙选建; 葛政; 赵博; 王康; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种海洋钻井补偿绞车的液压驱动系统，利用液压二次调节元件和被动 液压缸 联合驱动绞车完成升沉补偿功能，利用送钻 液压 马 达 驱动绞车完成自动送钻功能。在补偿过程中，利用被动液压缸及其液气蓄能装置来承担钻机的全部静 载荷 ，并对负载重 力 势能 进行周期性回收与释放；液压二次调节元件工作于恒压网络，克服补偿过程中的其余载荷，并利用液气蓄能装置对绞车回转系统的惯性 动能 进行周期性回收与释放。在送钻运动过程中，利用送钻液压马达及其液气蓄能装置对钻机负载重力势能进行回收，然后在提升钻机游动系统时释放出来。本发明整体结构紧凑，液压 能量 回收系统的工作效率高、使用寿命长， 发动机 功率及能耗低。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种海洋钻井补偿绞车的液压驱动系统，包括恒压变量泵(1)、发动机(2)、溢流阀(3)、油箱(4)、减压阀(5)、第一双活塞式蓄能器(6.1)、第二双活塞式蓄能器(6.2)、第一高压气瓶(7.1)、第二高压气瓶(7.2)、第一泄压阀(8.1)、第二泄压阀(8.2)、补油阀(9)、被动液压缸(10)、联轴器(11)、螺杆(12)、螺母(13)、法兰(14)、步进电机(15)、送钻液压马达(16)、倾角传感器(17)、变量液压缸(18)、电液伺服阀(19)、液压二次调节元件(20)、PLC(21)、旋转编码器(22)、井下钻压测量装置(23)、运动参考单元(24)、差动行星减速器(25)，其特征在于，液压二次调节元件(20)与差动行星减速器(25)的外齿圈动力输入轴(26)机械连接，液压二次调节元件(20)的斜盘与变量液压缸(18)的活塞杆机械连接；被动液压缸(10)的活塞杆与联轴器(11)的一端机械连接，联轴器(11)的另一端与螺杆(12)机械连接，螺杆(12)与螺母(13)组成滚动螺旋副，螺母(13)与法兰(14)的一端机械连接，法兰(14)的另一端与外齿圈动力输入轴(26)机械连接；送钻液压马达(16)与差动行星减速器(25)的太阳轮动力输入轴(27)机械连接，送钻液压马达(16)的斜盘与步进电机(10)机械连接；发动机(2)与恒压变量泵(1)机械连接；倾角传感器(17)与变量液压缸(18)的活塞杆连接，旋转编码器(22)与外齿圈动力输入轴(26)连接，井下钻压测量装置(23)安装在钻具下部的钻铤内，运动参考单元(24)与钻井平台固联； |
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| 说明书全文 | 海洋钻井补偿绞车的液压驱动系统技术领域： [0002] 海洋石油钻井所采用的浮式钻井装置在风浪等自然因素的作用下将产生周期性的升沉运动，从而带动钻井装备和钻柱进行升沉运动，影响了钻进效率，增加了钻井成本，甚至造成安全事故。因此浮式钻井平台或钻井船上必须配备一套升沉补偿系统，用来稳定井底钻压，减轻钻机动载荷，其综合性能的好坏直接影响着海洋石油的开发成本。升沉补偿系统是集机、电、气、液、自动控制、智能检测为一体的复杂装备，具有高技术、高投入、高风险等特点。 [0003] 升沉补偿系统按照其安装位置可以分为：天车升沉补偿装置、游车和大钩间的升沉补偿装置以及绞车升沉补偿装置；其中绞车升沉补偿技术作为一项新技术，具有其独特的性能优势，包括钻井效率高、传动简单、设备重心低、平台载荷与占用空间少的等性能优势，逐渐受到业内关注。 [0004] 近年来，国外对海洋钻井补偿绞车的研究已经取得较大的进展，并且已有电动补偿绞车产品面世，在新建深水钻井平台上得到了有效应用，其主要原理是在传统钻井绞车的基础上增大电机功率，采用交流变频电机主动补偿技术，多台电机联合驱动，通过传感器将钻柱位置及平台升沉信号送入控制器，实时控制绞车电机的转速和转向，实现升沉补偿功能；电动补偿绞车具有诸多的性能优势，但也存在着装机功率与能耗过高、电机发热量大、变频电机防爆性能差等技术问题。发明内容： [0005] 本发明的目的是要提供一种海洋钻井补偿绞车的液压驱动系统，满足海洋石油钻井的性能要求，同时降低系统的装机功率及能耗、提高海洋钻井工作效率。 [0006] 为实现上述目的，本发明的总体构思是：利用液压二次调节元件和被动液压缸联合驱动差动行星减速器的外齿圈，完成升沉补偿运动；利用送钻液压马达驱动差动行星减速器的太阳轮，完成自动送钻运动；从而使行星架驱动绞车完成复合运动。在升沉补偿运动过程中，利用被动液压缸及其液气蓄能装置来承担钻机的全部静载荷，利用液压二次调节元件克服其余载荷，并利用液气蓄能装置对钻机负载的重力势能与绞车回转系统的惯性动能进行周期性回收与释放；在自动送钻运动过程中，利用送钻液压马达及其液气蓄能装置来回收与存储钻机负载的重力势能，然后在提升钻机游动系统时释放出来。 [0007] 本发明所采用的技术方案是在由发动机、发电机、主动补偿电机、被动补偿液压马达、送钻电机、差动行星减速器、滚筒、液压盘刹、PLC所构成的绞车升沉补偿装置的基础上所开发的液压驱动方案，用液压二次调节元件替换主动补偿电动机，用被动液压缸替换被动补偿液压马达，用送钻液压马达替换送钻电机，用双活塞式蓄能器替换气液转换器和高位油箱，还增加了恒压变量泵、溢流阀、减压阀、电液伺服阀、变量液压缸、倾角传感器、泄压阀、步进电机、螺杆、螺母、法兰。液压二次调节元件与差动行星减速器的外齿圈动力输入轴机械连接；被动液压缸的活塞杆与联轴器的一端机械连接，联轴器的另一端与螺杆机械连接，螺杆与螺母组成滚动螺旋副，螺母与法兰的一端机械连接，法兰的另一端与外齿圈动力输入轴机械连接；送钻液压马达与差动行星减速器的太阳轮动力输入轴连接；液压二次调节元件的斜盘与变量液压缸的活塞杆机械连接；送钻液压马达的斜盘与步进电机机械连接；发动机与恒压变量泵机械连接；双活塞式蓄能器高压腔和低压腔内的活塞与同一根活塞杆机械连接，两个腔体内的活塞运动同步。倾角传感器与变量液压缸的活塞杆连接，旋转编码器与外齿圈动力输入轴连接，井下钻压测量装置安装在钻具下部的钻铤内，运动参考单元与钻井平台固联。恒压变量泵的进油口与油箱连接，恒压变量泵的一个出油口通过减压阀与电液伺服阀的P口连接；电液伺服阀的A口和B口分别与变量液压缸的a口和b口连接，电液伺服阀的T口与油箱连接；恒压变量泵的另一个出油口与第一双活塞式蓄能器的高压腔连接；溢流阀并联于恒压变量泵两端；液压二次调节元件的高压油口和低压油口分别与第一双活塞式蓄能器的高压腔、低压腔连接；送钻液压马达的高压油口和低压油口分别与第一双活塞式蓄能器的高压腔、低压腔连接；被动液压缸的无杆腔、有杆腔分别与第二双活塞式蓄能器的高压腔、低压腔连接；第一高压气瓶分别与第一双活塞式蓄能器的气腔、第一泄压阀连接；第二高压气瓶分别与第二双活塞式蓄能器的气腔、第二泄压阀连接；补油阀的一端与恒压变量泵的出油口连接，另一端与第二双活塞式蓄能器的高压腔连接。倾角传感器、旋转编码器、运动参考单元和井下钻压测量装置的电信号接入PLC，PLC输出控制信号与电液伺服阀、步进电机、补油阀连接。 [0008] 本发明与现有技术相比，具有下列有益效果： [0009] 1.采用液压驱动方式，由发动机直接驱动恒压变量泵，减少了能量转换环节；液压系统采用容积控制方式，无溢流损失，提高了系统的传动效率；此外，液压系统功率密度大，结构紧凑，减少了平台载荷与占用空间。 [0010] 2.采用液压二次调节元件与被动液压缸联合驱动绞车实现升沉补偿功能，利用被动液压缸承担钻机的全部静载荷，降低了发动机与液压二次调节元件的输出功率及能耗，还具有泄漏量小、能量回收效率高、工作寿命长的优势；利用液压二次调节元件克服其余载荷，并对绞车回转系统的惯性动能进行回收与再利用，进一步降低了发动机的功率及能耗。 [0013] 下面结合附图和实施例来进一步描述本发明。 [0014] 图1是本发明所提出的海洋钻井补偿绞车液压驱动系统的原理图。 [0015] 图中：1—恒压变量泵；2—发动机；3—溢流阀；4—油箱；5—减压阀；6.1—第一双活塞式蓄能器；6.2—第二双活塞式蓄能器；7.1—第一高压气瓶；7.2—第二高压气瓶；8.1—第一泄压阀；8.2—第二泄压阀；9—补油阀；10—被动液压缸；11—联轴器；12—螺杆； 13—螺母；14—法兰；15—步进电机；16—送钻液压马达；17—倾角传感器；18—变量液压缸；19—电液伺服阀；20—液压二次调节元件；21—PLC；22—旋转编码器；23—井下钻压测量装置；24—运动参考单元；25—差动行星减速器；26—外齿圈动力输入轴；27—太阳轮动力输入轴；28—行星架动力输出轴；G—气腔；H—高压腔；L—低压腔。 具体实施方式： [0016] 下面结合附图和实施例来进一步描述本发明。 [0017] 如图1所示，液压驱动系统主要包括液压二次调节元件20、被动液压缸10、送钻液压马达16、第一双活塞式蓄能器6.1、第二双活塞式蓄能器6.2、第一高压气瓶7.1、第二高压气瓶7.2、恒压变量泵1、变量液压缸18、电液伺服阀19、步进电机10。安装时，液压二次调节元件20与差动行星减速器25的外齿圈动力输入轴26机械连接，液压二次调节元件20的斜盘与变量液压缸18的活塞杆机械连接；被动液压缸10的活塞杆与联轴器11的一端机械连接，联轴器11的另一端与螺杆12机械连接，螺杆12与螺母13组成滚动螺旋副，螺母13与法兰14的一端机械连接，法兰14的另一端与外齿圈动力输入轴26机械连接；送钻液压马达16与差动行星减速器25的太阳轮动力输入轴27机械连接，送钻液压马达16的斜盘与步进电机10机械连接；发动机2与恒压变量泵1机械连接。倾角传感器17与变量液压缸18的活塞杆连接，旋转编码器22与外齿圈动力输入轴26连接，井下钻压测量装置23安装在钻具下部的钻铤内，运动参考单元24与钻井平台固联。 [0018] 恒压变量泵1的进油口与油箱4连接，恒压变量泵1的出油口通过减压阀5与电液伺服阀19的P口连接，溢流阀3并联于恒压变量泵1的两端，电液伺服阀19的A口、B口分别与变量液压缸18的a口、b口连接，电液伺服阀19的T口与油箱4连接；恒压变量泵1的另一个出油口与第一双活塞式蓄能器6.1的高压腔H连接，液压二次调节元件20的高压油口、低压油口分别与第一双活塞式蓄能器6.1的高压腔H、低压腔L连接；送钻液压马达16的高压油口、低压油口分别与第一双活塞式蓄能器6.1的高压腔H、低压腔L连接；被动液压缸10的无杆腔、有杆腔分别与第二双活塞式蓄能器6.2的高压腔H、低压腔L连接；第一高压气瓶7.1分别与第一双活塞式蓄能器6.1的气腔G、第一泄压阀8.1连接；第二高压气瓶7.2分别与第二双活塞式蓄能器6.2的气腔G、第二泄压阀8.2连接；补油阀9的一端与恒压变量泵1的出油口连接，另一端与第二双活塞式蓄能器6.2的高压腔H连接。旋转编码器22、井下钻压测量装置23、运动参考单元24、倾角传感器17的电信号接入PLC21，PLC21的输出控制电信号与电液伺服阀19、步进电机15、补油阀9连接。第二双活塞式蓄能器6.2与第二高压气瓶7.2通过被动液压缸10承担补偿运动过程中的钻机静载荷；第一双活塞式蓄能器6.1、第一高压气瓶7.1及恒压变量泵1组成恒压网络，驱动液压二次调节元件20克服补偿运动过程中的其余载荷，并驱动送钻液压马达16克服送钻过程中的钻机载荷。 [0019] 本发明的工作原理如下： [0020] 当浮式海洋钻井平台随波浪上升、下沉时，PLC21根据旋转编码器22检测的补偿运动角位移信号、运动参考单元24检测的平台升沉运动信号、斜盘倾角传感器17检测的液压二次调节元件斜盘角度信号，并根据制定好的控制策略向电液伺服阀19发出控制信号，通过调节变量液压缸18活塞杆的位置来控制液压二次调节元件20的斜盘倾角，从而驱动外齿圈动力输入轴26正反向转动来实现升沉补偿功能。在补偿运动过程中，被动液压缸10与液压二次调节元件20共同驱动外齿圈；被动液压缸10通过螺旋传动将活塞杆的直线运动转换为外齿圈动力输入轴26的旋转运动，将活塞杆输出的力转换为扭矩作用在外齿圈动力输入轴26上，承担了钻机的全部静载荷，并利用第二双活塞式蓄能器6.2与第二高压气瓶7.2对钻机负载重力势能进行回收与再利用；液压二次调节元件20克服补偿运动过程中的其余载荷，并利用第一双活塞式蓄能器6.1与第一高压气瓶7.1对绞车回转系统的惯性动能进行回收与再利用：当绞车需要减速运动时，液压二次调节元件20工作于液压泵工况，从而使绞车及滑轮组的惯性动能储存在第一双活塞式蓄能器6.1与第一高压气瓶7.1中，当绞车加速运动时，液压二次调节元件20工作于液压马达工况，释放已储存的能量。 [0021] 在钻机的送钻过程中，PLC21根据井下钻压测量装置23检测的井底钻压信号，并根据制定好的控制策略向步进电机15发出控制信号，通过调节步进电机15的角位移来控制送钻液压马达16的斜盘倾角，使其驱动太阳轮动力输入轴27连续转动，实现恒钻压自动送钻，同时将送钻过程中的钻机负载重力势能存储到第一双活塞式蓄能器6.1与第一高压气瓶7.1中。 [0022] 本发明将液压节能驱动技术应用于海洋钻井补偿绞车，通过液压二次调节元件、液压缸、恒压变量泵、蓄能器、螺杆螺母等装置组成的系统来驱动绞车，在实现升沉补偿和自动送钻功能的同时，对钻机负载重力势能及绞车回转系统惯性动能进行了周期性的回收与再利用，提高了液压能量回收系统的效率与使用寿命，降低了补偿绞车的装机功率及能耗；此外，本发明采用液压容积控制方式，具有传动效率高、结构紧凑、防爆性能好等优点。 |
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