книги из ГПНТБ / Капустин, К. Я. Плавучие буровые установки и буровые суда

тельной входной величины (угла смещения). Применение такого прибора может быть рекомендовано лишь для бурения с БС в защищенных акваториях, где отсутствует значительное волнение и, следовательно, колебания судна.

Как видно из уравнения (197), одним из эффективных спосо­ бов уменьшения колебания маятника под действием волнения яв­ ляется уменьшение амплитуды ко-

ный резервуар связан с судном электрокабелем 3, проходящим через трубу 7.

Описанное устройство обладает следующим преимуществом: практически оно исключает колебания маятника, вызванные кач­ кой судна и позволяет получить сигнал действительного отклоне­ ния бурового судна от точки бурения с весьмд высокой точностью. Однако такое устройство гораздо сложнее устройства с верхним расположением приборного резервуара: вместо троса необходимо собирать колонну труб малого диаметра с проходящим в них многожильным кабелем.

198

Кроме того, резервуар и заделка его отверстий должны быть

рассчитаны на значительное давление.

Ниже, в качестве примера, определяются составляющие накло­ нения троса (трубы) при перемещениях бурового судна, вызван­ ных внешним возмущением. Глубина воды в месте бурения при­ нимается 150 м. Рассматриваются лишь статические перемещения. В соответствии со схемой рис. 87 принимаются k = 2 м, 0т =3°, Tim= l,5 м, что соответствует наибольшему углу крена (дифферен­ та), допустимому из условий бурения при высоте волны Нвол —

= 3,5-1-4 м.

Допустимое смещение БС принимается в пределах 3% глубины моря. В этом случае смещения, вызванные различными видами нагрузки на судно, будут:

от бортовой качки БС

Аб.к = = 0,0525 • 2 = 0,1 м,

от горизонтальной качки

Аг.к — 1 >5 м,

от действия всех внешних сил

А150 • 3 = 4,5 м.

100

Как видно из вышеприведенного практически реального при­ мера, смещением, вызванным бортовой качкой, можно пренебречь, циклические колебания, вызванные горизонтальной качкой, состав­ ляют треть от допускаемых смещений. Поэтому при большом (осо­ бенно предельном) волнении имеет смысл использовать систему удержания БС для изменения амплитуд горизонтальной качки, т. е. сделать ее восприимчивой к промежуткам времени, измеряемым периодом этих колебаний, которые находятся в пределах 7—15 с и равны периоду волны.

Акустический датчик

На буровом судне «Пеликан» установлено одно из современ­ ных акустических устройств наведения на точку бурения (рис. 30).

Излучатель с судна периодически посылает импульсы частотой 25 кГц продолжительностью 2 мс на донный отражатель, находя­ щийся вблизи скважины. Ответный сигнал донного акустического буя принимается тремя, бортовыми гидрофонами, расположенными на корпусе судна по треугольнику на равном расстоянии один от другого. В целом образуется пирамида с дойным гидроакустиче­ ским буем в вершине и бортовыми гидрофонами в основании. В случае асимметрии пирамиды, появляющейся при смещении судна от донного отражателя, на бортовых гидрофонах появля­ ются сигналы в разное время. Разность во времени приема сигна­ лов и служит индикатором смещения судна. Сигналы регистри-

199

руются на счетчиках, и информация о расстоянии представляется в виде числового кода. Влияния бортовой, килевой качки и крена от нагрузки на судно учитываются при помощи гировертикали. На судне предусмотрено дублирование оборудования: установлен четвертый гидрофон, второй излучатель (способный работать так­ же на частоте 7 и 9 кГц) и второй донный отражатель (срок жизни батареи на дне моря 6 месяцев). Это обеспечивает непре­ рывность информации в случае аварии одного из датчиков. Сред­ няя точность акустической системы составляет 1 % глубины воды.

Акустическая система может быть использована при подходах и отходах судна от точки бурения, судно в состоянии как бы «видеть» сигнал донного отражателя в горизонтальной плоскости и наводится с его помощью. Преимуществом акустического дат­ чика является отсутствие механической связи между судном и дном моря, подверженной внешним повреждениям, особенно в арктических водах.

Гироскопический датчик

В качестве датчика угла наклона троса может быть использо­ вана гировертикаль. Гировертикаль основана на принципе гиро­ маятника и состоит из двух площадок на карданном подвесе. Оси карданных валов соединяются через редукторы с сельсинами дат­ чика. Оси, сохраняя всегда заданное положение, в случае наклона троса поворачивают ротор сельсина относительно статора пропор­ ционально наклону троса. Гировертикаль, предназначенная для длительного срока работы, имеет корректирующие устройства, по­ зволяющие с высокой точностью в течение длительного времени сохранять заданное положение всех карданных валов. Эти устрой­ ства нашли широкое распространение в морской практике и авиа­ ции. Однако, обладая высокой точностью (особенно процезионные гироскопы) и устойчивостью против помех в виде колебаний си­ стемы, эти устройства отличаются большей сложностью.

БС С ЯКОРНОЙ СИСТЕМОЙ БЕЗ УПРАВЛЕНИЯ ПО ВЕЛИЧИНЕ СИГНАЛА

Такая система может быть применена на ПБС с якорной си­ стемой удержания для уменьшения горизонтальных перемещений сооружения. Работа этой системы происходит в следующем по­ рядке.

Прибор регистрирует перемещения сооружения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а затем подает сигнал на любое устройство, служащее для управления смещением бурового осно­ вания. После получения сигнала о наличии смещения, превышаю­ щего допустимые пределы, система управления включает тросо­ вые лебедки, которые выбирают трос на борт, противоположный смещению, и травит трос с борта, получившего смещение, причем

200

эта работа происходит синхронно. Таким образом, сооружение по­ лучает дополнительную горизонтальную реакцию от тросов удер­ живающей системы и стремится возвратиться в исходное положе­ ние, т. е. система стабилизации является автоматической. Схема работы такой системы показана на рис. 89.

От гировертикали 1 сигнал поступает на сельсин-датчик 2 при­ бора для замера смещения БС и далее к сельсину-приемнику 3, работающему в трансформаторном режиме. Сигнал в виде э. д. с. обмотки ротора сельсина-приемника, пропорциональный углу рас­ согласования роторов обоих сельсинов, поступает в электронный

Рис. 89. Принципиальная схема работы системы автома­ тической стабилизации.

усилитель 4. Сигнал после усиления (по мощности) поступает в поляризованное реле 5. В случае, если мощность сигнала превы­ шает определенный уровень, реле 5 срабатывает и включает ис­ полнительный двигатель 6. Применение поляризованного реле по­ зволяет производить включение лебедок 7 на режим выборки якор­ ного каната на барабан или травления его, в зависимости от на­

правления тока в обмотке реле, т. е. в зависимости от направления смещения БС от точки бурения. Линия обратной связи 9 автома­ тической системы стабилизации (АСС) состоит из линейного вра­ щающегося трансформатора, механически соединенного с валом лебедки 7. Напряжение t/2, снимаемое с линейного вращающегося трансформатора 9 подается на вход усилителя 4, где оно алге­ браически суммируется с напряжением U\. Вся система через главную обратную связь является замкнутой: якорная система 8 действует на положение сооружения относительно оси скважины, а смещение последнего приводит в свою очередь к изменению по­ казаний прибора датчика отклонения. Однако указанная схема не позволяет регулировать скорость вращения лебедки: вращение лебедки происходит с постоянной скоростью до тех пор, пока вследствие исчезновения в системе сигнала реле не выключит ле­ бедку и не переключит ее на вращение в противоположную сторо ну с той же скоростью.

Таким образом, такая система не позволяет регулировать ра­ боту исполнительного двигателя в зависимости от мощности входного сигнала, а позволяет лишь после отклонения системы возвратить ее через какой-то .промежуток времени в исходное

201

положение. Такая система служит как бы интегрирующим звеном при горизонтальных перемещениях БС, которое вносит астатизм в систему удержания БС при появлении внешнего возмущения.

Ниже рассматриваются внешние и восстанавливающие силы* действующие на БС при горизонтальных перемещениях.

Движение заякоренного БС

Рассмотрим действие на БС дополнительного усилия, возни­ кающего вследствие работы якорных лебедок, выбирающих или стравливающих якорные канаты после включения системы авто­ матической стабилизации.

Рис. 90. Схема ПБС с симметричной якорной системой удержания.

Как указывалось ранее, якорные лебедки после включения системы стабилизации работают с постоянной скоростью строго синхронно, выбирая якорный трос со стороны, противоположной смещению БС, и вытравливая его со стороны борта, в направле­ нии которого произошло смещение. Пусть эта скорость

k = яDn — const.

где D — диаметр барабана лебедки; п — число оборотов барабана лебедки. На рис. 90 показано положение якорного каната и до и после включения обеих лебедок.

Точка соприкосновения троса (наветренного борта) с грунтом

После включения лебедок через промежуток времени t длина каната наветренного борта станет короче на kt, а подветренного —

202

и

под влиянием внешних сил будет эквивалентно по своему воздей­ ствию на параметры якорной системы (выборке и травлению якор­ ного каната), т. е. б— kt.

Этим свойством можно воспользоваться для построения зави­ симости между горизонтальными составляющими натяжения тросов Р3 и длинами выбранного и вытравленного тросов, т. е. можно построить функцию P3(kt). Благодаря одинаковому харак­ теру изменения Q(б) и P3(kt) график P3(kt) можно также до­ вольно точно аппроксимировать полиномом вида

Р3 (kt) = kst + k j 3.

Следует отметить, что реальная автоматическая система, регу­ лирующая натяжение канатов с помощью лебедок, не должна реагировать на циклические горизонтальные смещения и качку, так как в противном случае механизм лебедок может скоро выйти из строя. Поэтому такая система не должна реагировать на сиг­ нал колебаний БС. При указанной на рис. 89 автоматической системе это может быть достигнуто снижением чувствительности системы на поступающий сигнал до уровня величины возможных амплитуд горизонтальной качки.

Величина смещения БС под действием так называемых «по­ стоянных» сил всегда во много раз больше амплитуды смещения БС, возникшей от циклического колебания, вызванного переменной частью волнового давления. Это обстоятельство позволяет с по­ мощью автоматической системы компенсировать лишь «постоян­ ную» часть волнового и ветрового давления, т. е. компенсировать основную часть перемещения.

В первом приближении задачу о перемещении БС с учетом автоматической системы возвращения его в исходное положение можно решить без учета действия переменной составляющей вол­ нового давления. Такая постановка задачи допустима в связи с тем, что величина переменной составляющей от внешних сил мала по сравнению с постоянными силами, влияние этой перемен­ ной составляющей на переходной процесс мало и зона чувстви­ тельности автоматической системы, после окончания переходного процесса, ограничена. Тогда переменную составляющую внешней силы в дифференциальном уравнении можно не учитывать, и без учета сопротивления воды уравнение примет вид:

203

здесь

остальные обозначения прежние.

Ниже приводится решение уравнения (200) для первого ко­ лебания системы — от момента включения автоматической систе­ мы до возвращения в нулевое положение. В этом случае в правой части уравнения необходимо принять знак «минус». Частное ре­ шение линеаризированного уравнения (200) будет:

где я2= р2+ -у- сА2— квадрат собственной частоты линеаризиро­

ванного уравнения.

Заменяя в уравнении (201) К на его значение и решая урав­ нение относительно А, получим:

Задавая последовательно различные значения времени от нуля до момента At, когда амплитуда А станет равной нулю, можно получить уравнение пятой степени с одним неизвестным. Решение такого уравнения известно. Следует заметить, что это уравнение также всегда имеет один вещественный корень.

Уравнение (200) действительно во всех случаях при значениях п от А до 0.

При Т1= 0 судно проходит через положение равновесия. В этом случае восстанавливающая сила (по физическому смыслу задачи) должна быть равна нулю

Р2г) + сг\3 — 0,

при достижении равновесного положения автоматическая система выключается, т. е. ^ = 0 и последний член правой части будет отсутствовать. Однако, так как существование движения описы­ ваемого дифференциальным уравнением (200) правомочно и для случая т]=0, то это уравнение становится:

инерции, равная по величине внешней силе и направленная в сторону движения. Под влиянием этой силы после прохождения

204

циальнбё уравнение движения не будет отличаться от уравнения

( 200) .

В этом случае БС будет совершать циклические колебания с одинаковой амплитудой как угодно долго. В действительности такого положения быть не может, так как при составлении урав­ нения (200) не учтено сопротивление воды движению бурового судна. Действительные колебания БС будут затухающими.

Затухание свободных колебаний обычного судна при линейных восстанавливающих силах и силах сопротивления, пропорциальных первой степени скорости, происходит по экспоненциальному закону; отношение двух последовательных амплитуд равно

где h = ~ ^ — коэффициент сопротивления колебаниям; Т — период

*>iVl

колебания судна.

Для БС, закрепленного с помощью якорной системы, период колебания нельзя считать постоянной величиной, не зависящей от амплитуды колебаний, из-за нелинейных восстанавливающих сил. Однако для приближенного определения времени возвращения БС в исходное положение г)= 0 можно принять период колебания неизменным, равным удвоенной величине времени, полученного решением уравнения (202), т. е.

Т = 2Аt.

Исходя из предыдущего, можно получить следующее прибли­ женное выражение для определения количества колебаний (вре­ мени затухания) до зоны нечувствительности автоматической системы БС:

здесь Ац — величина зоны нечувствительности автоматической си­ стемы БС; Апб — наибольшее отклонение БС, вычис­ ляемое по формуле (202).

Применив эту формулу к любой аналогичной по принципу действия АСС, можно определить в какой-то мере качество пере­ ходного процесса и количество колебаний БС вокруг равновесного положения. При этом, чем меньше колебаний совершит БС вокруг равновесного положения, тем более удачно подобраны характе­ ристики АСС. Вариации могут производиться путем задания раз­ личных скоростей выборки канатов, т. е. за счет различных коэф­ фициентов у и d в уравнении (200).

Пример расчета смещения БС. Рассматривается задача о смещении бурового судна под действием внешних сил. Судно удерживается на точке бурения с по­ мощью двух якорных линий левого и правого борта так, как это показано на рис. 90. Якорные линии и внешние силы действуют в одной плоскости. Приняты следующие данные: й=0,1; зона нечувствительности АСС А„= 1 м; начальное

205

.каната лебедки иЛеб= 1 м/с.

Используя уравнение (57), (59), находим первоначальные значения парамет­

усилий, выраженных в тоннах, являются Р2=6 и с=0,216, откуда восстанавли­ вающая сила выразится полиномом

М (х) —6г| + 0,216г|3.

На рис. 91 пунктиром показана эта функция, которая близка к действи­ тельной восстанавливающей силе.

Вычислим наибольшее отклонение БС без учета влияния автоматической си­ стемы удержания.

Численное решение по способу Чекмарева А. И.

| 0,216бз -I- 6Ь+ 0,324А2 — 100 = 0,

I 0,162Аз + о,6586М -Ь 6А — 400о)М — 30 = 0.

способах решения, близки и колеблются в пределах 6,54-7,5 м, амплитуда гори­

206

Рис. 92. Амплиту­ ды отклонений БС.

Рис. 93. Зависи­ мость амплитуды отклонений от вре­ мени колебаний БС.

Рис. 91. Графики восстанавливающих сил б= f(a) при перемещениях БС.