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輸油軟管張力補(bǔ)償振蕩現(xiàn)象抑制研究

捷宇石油管道 發(fā)布時(shí)間:2017-05-13

 

當(dāng)前,行進(jìn)中兩船之間輸油作業(yè)主要采用高架索法,通過跨索吊掛輸油管進(jìn)行輸油作業(yè)。某新型輸油裝置的工作方式是在輸油船與受油船中間,通過一根自身承受張力的輸油軟管完成輸油作業(yè)。該在行進(jìn)中開展輸油作業(yè),輸油軟管由于自身承重,會(huì)在兩船之間產(chǎn)生   的下垂高度H。由于兩船間距的不斷變化以及風(fēng)浪等因素的影響,可能導(dǎo)致以下情況:
1)下垂高度過大,張力太小軟管落入水中;
2)下垂高度過小,軟管所承受的張力太大。這兩種情況都會(huì)影響輸油裝置的使用   。
如果   依靠人工操作來保持適當(dāng)?shù)南麓垢叨葧?huì)產(chǎn)生以下問題:
1)行進(jìn)中輸油作業(yè)一般持續(xù)時(shí)間較長,僅憑人工控制下垂高度,操作人員體力上很難勝任;
2)人工操作只能憑感官判斷,控制精度不高;
3)反應(yīng)不夠及時(shí)。
針對(duì)上述問題,該輸油裝置在設(shè)計(jì)中采用基于PLC、扭矩傳感器、液壓伺服器件的自動(dòng)補(bǔ)償控制系統(tǒng),控制軟管絞車自動(dòng)調(diào)節(jié)輸油軟管的下垂高度,使其在輸油作業(yè)中始終處于正常工作范圍內(nèi)。由于軟管下垂高度H與其所承受的張力N之間呈近似的線性關(guān)系,可以用軟管張力補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)下垂高度的自動(dòng)補(bǔ)償。
一、自動(dòng)補(bǔ)償原理
該輸油裝置主要包括軟管絞車、液壓驅(qū)動(dòng)單元、軟管組件、控制系統(tǒng)四部分。輸油軟管張力自動(dòng)補(bǔ)償工作原理是:用扭矩傳感器檢測(cè)出軟管絞車驅(qū)動(dòng)軸承受的扭矩,間接計(jì)算出軟管承受的張力;用光電開關(guān)組測(cè)出軟管絞車轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和圈數(shù),間接計(jì)算出絞車收放軟管的長度。PLC根據(jù)預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)表判斷當(dāng)軟管長度為L時(shí),承受的張力是否超過上下限值,張力過小時(shí),控制絞車自動(dòng)放出軟管,張力過大時(shí)控制絞車自動(dòng)收管,使軟管始終保持合適的下垂高度。
二、共振產(chǎn)生原因及解決方案
1.共振產(chǎn)生原因分析
該輸油裝置張力補(bǔ)償試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),軟管產(chǎn)生共振是一個(gè)需要解決的主要問題:軟管本身具有   的彈性,其自身承受了張力,加上補(bǔ)償動(dòng)作、慣性、海風(fēng)、船身起伏的影響,在輸油作業(yè)中將不可避免的始終處于上下振蕩狀態(tài)中,當(dāng)振蕩幅度增大到   程度時(shí),將嚴(yán)重影響輸油作業(yè)。導(dǎo)致軟管產(chǎn)生振蕩的原因主要分為以下三類:
1)共振問題:自動(dòng)補(bǔ)償收管和放管動(dòng)作產(chǎn)生的振蕩會(huì)相互干擾,可能發(fā)生共振問題,導(dǎo)致振幅越來越大,這是對(duì)自動(dòng)補(bǔ)償影響   大的問題;
2)慣性影響:絞車開始轉(zhuǎn)動(dòng)和停止轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間,絞車驅(qū)動(dòng)軸上的扭矩出現(xiàn)階躍跳變;收放管動(dòng)作停止時(shí),軟管由于慣性繼續(xù)向上/下運(yùn)動(dòng)帶來振蕩。兩種情況會(huì)導(dǎo)致收放高度與實(shí)際需要的補(bǔ)償量之間出現(xiàn)偏差;
3)海況影響:船身上下起伏、左右擺動(dòng)、兩船間距變化、海風(fēng)海浪對(duì)軟管的作用都會(huì)造成軟管的振蕩。
2.補(bǔ)償系統(tǒng)振蕩分析
穩(wěn)定是控制系統(tǒng)能夠運(yùn)行的   要條件,解決軟管振蕩對(duì)補(bǔ)償?shù)挠绊憜栴},實(shí)質(zhì)是自動(dòng)控制系統(tǒng)在輸入信號(hào)和擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。分析軟管產(chǎn)生振蕩的三類原因可知,自動(dòng)補(bǔ)償控制面對(duì)的   主要,也是對(duì)補(bǔ)償性能影響   大的擾動(dòng)信號(hào)屬于瞬時(shí)變化的階躍函數(shù),補(bǔ)償系統(tǒng)輸入信號(hào)為斜坡函數(shù)。將自動(dòng)補(bǔ)償控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu):R(s)為輸入信號(hào),M(s)為比例放大器控制的輸出,N(s)為擾動(dòng)信號(hào),K1為前向通道增益。
3.振蕩解決途徑
振蕩是大多數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)固有的問題,振蕩并不是要使軟管   沒有振蕩,而是盡量減小振蕩的幅度,使振蕩處于自動(dòng)補(bǔ)償工作可以接受的范圍內(nèi),對(duì)補(bǔ)償和輸油作業(yè)不會(huì)產(chǎn)生大的影響。事實(shí)上該輸油裝置中軟管的振蕩是不可能   的。根據(jù)前述理論方法,采取擾動(dòng)措施如下:
1)對(duì)扭矩傳感器檢測(cè)出的扭矩值進(jìn)行積分處理后再作為控制系統(tǒng)輸入信號(hào)使用,其實(shí)質(zhì)是軟件濾波。
2)將補(bǔ)償中收管和放管動(dòng)作由連續(xù)改為步進(jìn)方式。設(shè)定絞車以恒定節(jié)奏收、放管,每個(gè)收、放管動(dòng)作持續(xù)較短時(shí)間T,收放管長度為相同定值L;T結(jié)束時(shí)判斷軟管張力是否滿足要求,仍超過限定值則繼續(xù)收放管動(dòng)作直到滿足張力要求,實(shí)質(zhì)也是加入積分環(huán)節(jié)進(jìn)行濾波(用一階函數(shù)近似代替積分),避免軟管在張力上下限臨界點(diǎn)處發(fā)生振蕩。
3)實(shí)際使用中,要求收管速度相對(duì)較快(軟管下垂高度過大會(huì)落入水中),采取收管和放管動(dòng)作不同速度(V1、V2),不同持續(xù)時(shí)間(T1、T2)的方法減小振蕩,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,V1:V2=1.5:1,T1:T2=1:1.5時(shí)具有較好的減振效果,實(shí)質(zhì)是利用收管放管動(dòng)作的不同頻率來防止共振的發(fā)生。自動(dòng)控制系統(tǒng)中加入積分環(huán)節(jié)在擾動(dòng)作用影響的同時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。因此需要權(quán)衡考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性、抗擾動(dòng)誤差和動(dòng)態(tài)性能之間的關(guān)系,在實(shí)際中,要通過大量實(shí)驗(yàn)找到   佳的平衡點(diǎn)。
實(shí)踐結(jié)果表明,采用前述振蕩措施的控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)補(bǔ)償輸油軟管的下垂高度,具有較高的靈敏度和反應(yīng)速度,較好的了各種擾動(dòng)帶來的振蕩,提高了輸油裝置使用   性,其解決思路也為面對(duì)類似振蕩問題的自動(dòng)控制系統(tǒng)提供了   的參考。
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