CC BY
51
УДК [629.5.065.5:629.563.2]:629.5.017.21.22
С. В. Ткаль, Ш. А. Турпищев, Н. Г. Романенко
СРЕДСТВО ПЕРЕДАЧИ ГРУЗОВ С БУРОВОЙ ПЛАТФОРМЫ НА СУДНО
ПРИ ВОЛНЕНИИ НА МОРЕ
В последнее десятилетие проблема грузовых операций в открытом море стала особенно актуальной. Объясняется это в первую очередь значительным развитием флота крупнейших морских держав мира, связанных как с обеспечением решения коммерческих задач, так и с освоением Мирового океана с целью добычи полезных ископаемых.
Быстро растущее потребление нефти и газа усилило внимание к их добыче не только на суше, но и в морях и океанах. Практически все морские страны ведут нефтепромысловые работы в море. Буровые работы по проходке скважин осуществляются с плавучих установок -буровых судов и полупогруженных сооружений, а также с буровых вышек, устанавливаемых на дне моря. Для обслуживания и ремонта этих сооружений необходимо производить грузовые операции с судов обеспечения при значительном волнении моря.
Для решения проблем, возникающих при освоении углеводородных месторождений на шельфе Каспийского моря, представители ООО «ЛУКОЙЛ-Нижневолжскнефть» предложили сотрудникам кафедры «Электрооборудование и автоматика судов» Астраханского государственного технического университета провести предварительные иссследования по данной тематике.
Передача грузов в море с буровой платформы на судно сопряжена с известными трудностями, обусловленными качкой судна на волнении. В процессе качки судно, более конкретно -две характерные точки, например нок стрелы крана платформы и место установки груза на принимающем судне, будут совершать сложные колебательные движения, в процессе которых непрерывно изменяется взаимное положение этих точек в пространстве. Представим себе буровую платформу и судно (рис. 1): платформа передаёт, а судно принимает груз. Точкой А обозначен нок стрелы крана, а точкой В - место установки груза на принимающем судне. Если качки нет и судно неподвижно в пространстве, то точки А и В будут постоянно занимать приданное им положение. Груз будет опускаться по прямой АВ с заданной скоростью как относительно точки А, так и относительно точки В. При качке судна условная прямая АВ, соединяющая точки А и В, будет непрерывно изменять свою длину и положение в пространстве.
Рис. 1. Изменение положения характерных точек в пространстве вследствие качки судна
Непрерывное изменение длины прямой, соединяющей характерные точки: ААВТ = АВХ — АВ, говорит о том, что груз при опускании, равномерно удаляясь от точки А, со скоростью, развиваемой механизмом подъёма крана, не может быть также равномерно приближен и опущен на палубу принимающего судна, т. к. неравномерное изменение расстояния между характерными точками исключает возможность равномерного движения груза относительно обеих точек сразу. Неравномерность скорости опускания (или подъёма) груза относительно какой-либо характерной точки может привести к соударению груза с судном в этой точке.
Непрерывное изменение положения характерных точек в пространстве (отклонение прямой АВ от вертикали) приводит к раскачиванию груза относительно нока стрелы, затрудняя точную установку груза в заданное место на палубе принимающего судна и создавая опасность соударения груза с окружающими предметами, надстройками и т. п.
При значительном раскачивании и переменной скорости опускания груза относительно места его установки на палубу принимающего судна безударность и точность передачи груза могут быть обеспечены только за счёт применения каких-либо дополнительных вспомогательных устройств. Такими устройствами могут быть приспособления, уменьшающие раскачивание груза, амортизаторы, смягчающие его соударение с местом установки, и т. п. Но все такие устройства только уменьшают раскачивание или силу соударения груза с судном, но не исключают их.
Для того чтобы полностью исключить раскачивание и возможность соударения груза с принимающим судном, необходимо обеспечить, во-первых, направление опускания (подъёма) груза относительно места его установки и, во-вторых, равномерное движение груза по этому направлению относительно того же места установки. Создание направляющих исключит раскачивание груза и, следовательно, возможность горизонтальных соударений, а постоянство относительной скорости опускания груза вдоль направляющих позволит плавно и безударно уложить или поставить груз на палубу принимающего судна.
Создание направляющих для укладки или установки груза не представляется особо сложным. Обеспечение постоянства относительной скорости опускания груза значительно труднее. Чтобы решить эту задачу, необходимо чётко уяснить, что будет представлять собой эта скорость или, другими словами, из чего она должна складываться. Чтобы ответить на этот вопрос, вернёмся к рис. 1. Предположим, что прямая АВ - упругая направляющая груза, и она имеет возможность изменять свою длину и положение в пространстве, а груз при опускании может перемещаться только вдоль этой направляющей. Обозначим его мгновенное положение точкой С Очевидно, что для равномерного приближения груза (точки С) к палубе принимающего судна (к точке В) скорость опускания груза (скорость перемещения точки С вдоль АВ) должна складываться из двух компонентов:
— скорости изменения длины АВ, т. е. скорости перемещения точки В относительно точки А (нока стрелы) в направлении ВА (данная составляющая скорости точки С обеспечит при изменении длины отрезка АВ во времени постоянство длины отрезка СВ, т. е. постоянство положения груза относительно палубы принимающего судна на прямой АВ - иначе говоря, груз и палуба будут совершать почти синхронные колебания в процессе качки);
— какой-то постоянной скорости относительно той же точки А (эта составляющая скорости точки С позволит осуществить равномерное приближение точки С к точке В, т. е. равномерное приближение и опускание груза на палубу принимающего судна).
Такую комбинацию скоростей и должен сообщать грузу кран, чтобы обеспечить безударность передачи. Очевидно, что суммарная скорость перемещения точки В относительно точки А будет случайной величиной. Для сообщения точке С этой случайной скорости точки В или, другими словами, для обеспечения слежения груза (точки С) за палубой принимающего судна (точкой В) в направлении ВА, в составе крана должен быть предусмотрен специальный механизм слежения за колебаниями точки В, связанный с подъёмным механизмом крана и точкой В. Механизм слежения должен сообщать грузу (точке С) скорость точки В, а механизм подъёма -постоянную скорость.
Для передачи людей и различного рода грузов с одного судна на другое или на какое-либо морское сооружение (буровая нефтяная вышка, надводная эстакада или подводное сооружение и т. д.) используются портовые, плавучие и судовые крановые устройства. Кроме указанных грузовых операций, часто возникает необходимость поддерживать неизменным положение груза, находящегося под водой и подвешенного к судну (аппаратура для научных исследований, кинокамеры и др.).
Для выполнения подобных операций при волнении моря крановые устройства судов и морских сооружений, кроме узлов и механизмов, входящих в состав грузоподъемных машин общего назначения, оснащаются следующими дополнительными узлами и механизмами: направляющими устройствами, уменьшающими раскачивание груза и обеспечивающими точную посадку груза в заданное место на палубе принимающего судна; механизмами слежения, обеспечивающими постоянную скорость подъема и опускания груза относительно палубы принимающего груз судна [1].
Большинство типов обычных подъемно-транспортных машин может быть использовано в качестве таких крановых устройств, причем при выборе типа машины нужно учитывать род и свойства передаваемых грузов, потребную производительность, направление и длину пути перемещения груза, способы укладки грузов в начальном и конечном положениях и др.
По типу механизма слежения крановые устройства можно классифицировать следующим образом: конвейерного типа; с шарнирным механизмом; с тормозным механизмом; с грузовыми уравновешивающими механизмами; с пружинными следящими механизмами; с пневматическими и гидравлическими механизмами слежения; с электрическими и электрогидравлическими следящими приводами.
Во всех перечисленных крановых устройствах механизм слежения тем или иным способом связан с грузовой лебедкой или грузом и обеспечивает изменение скорости движения груза в зависимости от взаимных перемещений передающего и принимающего грузы судов. В устройствах первых шести типов обеспечивается жесткая связь с помощью муфт включения, подвижных и неподвижных полиспастных блоков или другими способами. В крановых устройствах с электрическими и гидравлическими следящими приводами связь механизма слежения с грузом осуществляется через систему управления, действующую по сигналам о взаимных перемещениях передающего и принимающего грузы судов и требуемой скорости подъема (опускания) груза.
Анализ особенностей вышеперечисленных устройств показал, что для решения данной задачи наиболее подходят системы с пневматическими и гидравлическими механизмами слежения и с электрическими и электрогидравлическими следящими приводами.
Крановое устройство с пневматическими механизмами слежения обеспечивает постоянство расстояния между грузом и палубой принимающего судна при неподвижном барабане грузовой лебедки и относительных вертикальных перемещениях судов. Несмотря на известные преимущества (простота конструкции, малая инерция движущихся частей и др.), применение пневматических силовых приводов ограничивается их низким КПД, обильным влагообразованием при низких, особенно отрицательных, температурах, сложностью уплотнения систем высокого давления, неравномерностью движения привода и др.
Гидравлический привод имеет следующие основные особенности, которые сделали его более выгодным по сравнению с пневматическим и обусловили его широкое применение в качестве силового для крановых устройств: возможность создания гидравлической энергии большой мощности, простота ее аккумулирования и использования; легкость создания силовых приводов с большими усилиями или крутящими моментами; разнообразие типов исполнительных приводов (силовые гидроцилиндры, высокомоментные гидромоторы, неполноповоротные гидромоторы) и удобство их компоновки в крановых устройствах; простота плавного, бесступенчатого регулирования скорости движения рабочего органа; высокая производительность; меньшие габариты и вес; простота управления и обслуживания.
Крановые устройства с пневматическими и гидравлическими силовыми цилиндрами, несмотря на свою простоту, имеют следующие недостатки: сложность канатной системы, включающей в себя полиспаст с запасованным в нем натяжным и грузовым канатами, ограниченный ход поршневого штока, лимитирующий диапазон отработки возможных взаимных вертикальных перемещений передающего и принимающего судов.
Увеличение диапазона отработки взаимных перемещений передающего и принимающего судов возможно за счет увеличения кратности полиспаста, что приводит к увеличению нагрузки на поршневой шток и металлоконструкцию стрелы, а следовательно, вызывает увеличение массы и габаритов крана.
В крановых устройствах со следящими системами слежение груза за палубой принимающего судна обеспечивается (с требуемой точностью) электрическим или электрогидравлическим следящим приводом в соответствии с поступающим в систему управления приводом сигналом взаимных перемещений палуб передающего и принимающего судов. В качестве элементов обратной связи, измеряющих и преобразующих выходную величину в электрический сигнал, используются потенциометры, сельсины в трансформаторном режиме, индуктивные датчики и линейные индукционные потенциометры. Измерение и преобразование в электрическое напряжение скорости исполнительных двигателей осуществляется тахогенераторами и индуктивными датчиками.
Основные преимущества электрогидравлического следящего привода следующие: быстродействие (постоянная времени гидродвигателя в несколько раз меньше, чем у соответствующего по мощности электродвигателя, благодаря малому скольжению, малому моменту инерции ротора машины и большому давлению рабочей жидкости); малый удельный вес гидромашины на единицу развиваемой мощности; стабильность скорости при изменении нагрузки (коэффициент скольжения у гидропривода объемного регулирования в 20-30 раз меньше, чем у электропривода постоянного тока) и др. Основные элементы электрогидравлических следящих приводов: гидравлические исполнительные механизмы, гидравлические усилители мощности, электромеханические управляющие устройства. Усилители сигнала ошибки, датчики обратной связи и сигнала рассогласования - те же, что и в электрическом следящем приводе. В следящем электрогидравлическом приводе наиболее удачно сочетаются преимущества электропривода и гидропривода, т. к. маломощный электрический привод передает только командные сигналы, а гидравлический привод осуществляет исполнительные функции. Регулирование скорости гидропривода осуществляется изменением расхода рабочей жидкости, поступающей в исполнительный гидродвигатель. В зависимости от способа регулирования расхода рабочей жидкости исполнительные механизмы делятся на два типа: дроссельного (золотникового) и объемного (гидростатического) управления. Эти механизмы существенно отличаются один от другого как по принципу действия и конструктивному исполнению, так и по статическим и динамическим характеристикам. В исполнительных механизмах первого типа частота вращения гидродвигателя определяется площадью поперечного сечения управляющего дросселя и перепадом давления на нем, в механизмах объемного управления - производительностью насоса.
Для передачи грузов, требующих особенно осторожного обращения, в крановых устройствах целесообразно использовать механизм плавного введения (выведения) груза в режим слежения за палубой принимающего судна для предотвращения значительных ускорений и ударных нагрузок при введении в режим слежения. В крановых устройствах с электрическими и гидравлическими следящими приводами механизм плавного введения груза в режим слежения легко встраивается в систему управления и в зависимости от типа механизмов управления может быть механическим или гидравлическим.
С учетом всех недостатков указанных крановых устройств было принято решение о создании новой системы на основе современных разработок в области электроники и преобразовательной техники.
Предлагается разрабатывать крановое устройство на основе автоматизированного электропривода по схеме «преобразователь частоты - асинхронный двигатель». Устройство будет состоять из приводного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, преобразователя частоты, контроллера управления, датчиков и другого вспомогательного оборудования. Функциональная схема разрабатываемого устройства показана на рис. 2.
Рис. 2. Функциональная схема:
ЗУ - задающее устройство; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; К - контроллер; ПЧ - преобразователь частоты; АД - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;
УЗД - ультразвуковой датчик
В контроллер поступают два сигнала: А - командный сигнал желаемой скорости и направления движения груза; В - действительный сигнал скорости относительно палубы принимающего груз судна, получаемый с ультразвуковых датчиков, и направления движения груза. При опускании груза и его входе в зону действия датчиков контроллер понижает скорость опускания до 0,3 м/с. Одновременно осуществляется контроль за разностью А сигналов А и В. При выходе А за пределы -0,01...0,01 м/с производится сложение А с сигналом А, в результате чего
осуществляется корректировка скорости вращения электродвигателя. При дальнейшем опускании груза производится уменьшение скорости до 0,15 м/с с контролем А по описанному выше алгоритму. Когда груз опустится на палубу и сигнал с ультразвукового датчика станет максимальным, электродвигатель остановится. Если в результате волнения происходит опускание палубы принимающего судна, то контроллер подаст команду на дальнейшее опускание груза со скоростью 0,15 м/с до момента, когда сигнал с ультразвукового датчика станет максимальным.
В результате поисковых исследований установлено, что в качестве следящего устройства можно использовать ультразвуковой датчик расстояния компании SICK AG «UM30-15113» [2]. Этот датчик формирует аналоговый сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта. Рабочая частота датчика составляет 80 кГц; дальность измерения - 800...8 000 мм; разрешение - 1 мм, класс защиты - IP65; напряжение питания - 10.30 В постоянного тока; рабочая температура -20.70 °С. В схему управления введена температурная компенсация. Датчик при помощи технологии Teach-in может быть отрегулирован на измерение расстояния между заданными точками. В таком варианте они могут быть использованы для точного определения расстояния до отражающего объекта. Особенностью датчиков с аналоговым выходом можно считать их выходной каскад. При напряжении питания больше 20 В и сопротивлении нагрузки до 500 Ом, а также при напряжении питания больше 12 В и сопротивлении нагрузки до 100 Ом выходной каскад работает как источник тока в диапазоне 4.20 мА. В то же время при напряжении питания более 15 В и сопротивлении нагрузки до 100 кОм выходной каскад работает как источник напряжения в диапазоне 0.10 В. При этом как начальная, так и конечная точки диапазона могут быть привязаны к определенному расстоянию без изменения электрического сигнала на выходе.
Таким образом, в ходе предварительных исследований по проблеме безударной передачи грузов между судном и неподвижным объектом (буровой платформой) намечены основные направления и пути решения поставленной задачи: проанализированы существующие аналоги, предложена функциональная схема устройства и порядок его работы, определены типы датчиков расстояния для нового устройства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андреева Л. Н., Киев А. В., Маслов А. Е. Средства передачи грузов на суда в море. - Л.: Судостроение, 1973.
2. Зыбайло А. Ультразвуковые датчики расстояния фирмы SICK AG // Электронные компоненты. -2005. - № 11. - С. 93-96.
Статья поступила в редакцию 23.09.2008
MEANS OF CARGOES TRANSFER FROM A DRILLING PLATFORM TO A VESSEL IN ROUGH SEA
S. V. Tkal, Sh. A. Turpishchev, N. G. Romanenko
The paper considers the results of preliminary development of a device to transfer cargoes between a vessel and a fixed object (a drilling platform) conducted by the staff of the department "Electrical equipment and automatics of ships" of Astrakhan State Technical University on the instructions of the LLC "LUKOIL-Nizhnevolzhskneft". The existing analogues are analysed, and their advantages and disadvantages are identified. It is offered to develop the electric drive of this new device due to the system "frequency converter - asynchronous motor" with the application of manager controller. A functional scheme of the device and procedure of its work is shown. Specific types of distance sensors that can be used in the new device are identified.
Key words: cargoes transfer at sea, drilling platform - vessel, frequency converter - asynchronous motor, manager controller, distance sensor.
