朱建鲁，宋存永，单卫光

(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院 油气储运工程国家级实验教学示范中心，山东 青岛 266580)

0 引 言

全球海洋油气资源潜力十分巨大。据国际能源署(IEA)统计，2017年全球海洋油气技术可采储量分别为10 970亿桶和311万亿m3，分别占全球油气技术可采总量的32.81%和57.06%[1]，随着能源的日益短缺以及需求量的不断增加，海洋油气资源的开发正逐步成为各国重要的能源发展战略，在海上作业的油气生产装置，会随着波浪一起晃动，进而对油气生产工艺和设备造成影响[2]。在此背景下，我校油气储运工程专业依托国家级实验教学示范中心，按照“新工科”建设的要求[3-4]，采用实验教学的模式，培养学生的创新实践的能力，结合相关理论课教学，培养海洋油气储运工程人才[5-6]。

对于晃荡问题，国内外有很多学者对其进行了研究[7-16]。晃荡研究主要有3种方法：理论解析、数值模拟和物理模型试验。理论解析和数值模拟法未能考虑液货舱内部液体变化机理，无法科学真实的反映晃荡所产生的问题，而模型试验由于成本较低且较为可靠，是主流的研究手段，国内外各晃荡研究机构均采用运动平台在室内复现液舱的运动。六自由度晃荡平台是模拟波浪运动的实验装置，用来研究真实海洋条件下设备运行状态，对于海上油气开采具有重要意义。学生通过本实验可以对比不同晃荡条件下设备和工艺参数的变化，对于理解海上油气集输等课程中所学知识，并开展大学生创新实验，培养理论知识应用能力和实验创新能力。

1 六自由度晃荡平台教学设计

油田工艺系统中的大多数处理器，无论是油气水分离器或净化器都依靠重力分离原理。重力分离要求被处理液体处于较平稳的状态，而浮式生产系统破坏了这种平稳状态。其他的工艺设备都会受到运动的影响而降低操作性能。为了模拟海上运行的特点并验证油气储运装置在晃荡工况下运行能行，设计并建造一套运动试验台。该运动试验台为六自由度运动试验台，除了能进行各单自由度运动外，还能在规定的角度处于长时间稳定倾斜状态，主要由机械系统、驱动系统和伺服控制系统组成，驱动系统采用电动系统。

1.1 设计参数

最大负载质量：6 000 kg；

质心高：0.5 m；

上平台尺寸为：4 m×4 m；

下平台尺寸为：φ4.3 m六边形

安装在浮式平台上的生产设备随着浮体的运动或多或少会产生如图1所示的6种形式的运动：纵荡(surge)、横荡(sway)、垂荡(heave)，属于线性运动；横摇(roll)、纵摇(pitch)和首摇(yaw)，属于角度运动。海洋环境中不同浮式生产系统所受运动形式的影响程度存在差异，设计参数如表1所示。

图1 船体的六自由度运动

表1 设计参数

1.2 硬件及软件设计

六自由度电动运动试验台系统组成如图2所示。

整个系统由以下4部分组成：

(1)机械系统。①平台。用于负载、试件的安装，并带动负载、试件实现需要的运动。②上、下连接铰。③预埋件。

(2)伺服控制系统硬件。①监控单元。主要功能为监控稳定平台的工作状态、接受操作人员控制指令，控制试验系统完成试验任务。②伺服控制单元。主要功能为实现系统启动/停止、运动控制、系统的运动状态监测、故障处理以及安全保护。③信号调理单元。主要功能为完成与系统运动状态相关的各种位移、速度和数字I/O信号的调理，以及抱闸装置的驱动等。

(3)驱动系统。①电动缸；②伺服电动机、驱动器、位置检测设备。

(4)伺服控制系统软件。伺服控制系统软件结合伺服控制系统硬件完成系统各种控制功能，包括：①系统管理与监控软件。②伺服控制应用软件。

运动控制计算机为一台工业控制计算机，其上运行运动控制软件，界面见图3。运动控制计算机的主要功能包括：产生各种运动波形，运动波形的幅度、频率等参数受监控单元控制，实时运动学解算，将运动试验台位姿指令转换为电动缸的位移指令，电动缸的位置闭环控制，以便精确实现各种运动轨迹，运动试验台的启动、停止等逻辑控制，接收驱动器返回的编码器信号，用于伺服电机闭环控制。

图3 控制软件界面

1.3 实验步骤与安排

实验装置分为上位机和下位机，学生分为两组，每组人数2～3人，第1组学生控制上位机，用来操作晃动平台的运动型式、幅度和频率，第2组学生控制下位机，以及工艺系统，记录实验数据。实验操作步骤：

(1)打开下位机，进入主界面，选择“客户机与服务器设置”，“地址”框选择“dstp：//localhost/1_dof6”，点击“连接”按钮，若状态栏输出“active connected”，则与服务器连接成功。

(2)打开上位机，点击进入“datasocket”，进入主界面后，“地址”框选择“.1.4/1”，点击“连接”按钮，若状态栏输出“active connected”，则与服务器连接成功。

(3))“动态试验”时，设定运行时间，点击“进入中位”，选择相应晃动型式按钮(X轴、Y轴、Z轴、RX轴、RY轴、RZ轴)，双击选框，输入所需幅度mm/(°)、周期(s)和相位(°)，点击“全部参数输送”，反馈参数输送完成后，点击“动态参数检验”、“动态运动”，设备开始运行；若中途需停止设备，点击“动态停止”；若进行下一组工况时，需重新点击“进入中位”后，修改参数、参数检验、驱动设备。

(4)自由度显示时，选“自由度”，根据图形显示情况，相应调整“宽度倍数”、“间隔”数值。

(5)缸位移输出显示时，勾选“缸位移out”，根据图形显示情况，相应调整“宽度倍数”、“间隔”数值。

(6)缸位移反馈显示时，选“缸位移return”，根据图形显示情况，相应调整“宽度倍数”、“间隔”数值。

(7)图形存储时，选“在线存盘wave.dat”，点击“在线保存”，若需停止，点击“停止保存”。

(8)实验停止，关闭上位机，按照下位机操作步骤进行设备复位、关闭下位机。

2 晃荡平台应用

2.1 设备安装

为了通过晃动实验验证海上工艺的合理性、晃动对于设备运行的影响以及整体装置在晃动工况下的运行性能，将装置固定于晃动平台，通过调节晃动平台的运行参数实现对不同海况的模拟[17]，如图4所示。

图4 海上装置晃荡模拟实验图

实验装置需进行不同形式、不同频率和不同幅度的晃动，因此对主要设备的撬装强度和配管连接强度提出了更高的要求。为了增强主要设备、仪表和阀门的安装固定强度，通过支架对各设备的连接强度进行增强，并对配管连接的螺纹和焊口进行加强，保证晃动实验中设备安装和配管连接的强度。

晃动实验中需将主撬座固定至摇摆平台上，主撬水平距离和竖直高度均发生变化。考虑到主撬需进行不同工况的晃动实验，主撬与地面装置应采用软管重新连接。

驱动系统是运动试验台的运动执行部分，也是安全保护的具体执行者，为了保证运动试验台的安全运行，驱动系统设计了多种安全保护功能。主要包括：

(1)电动缸的保护。行程开关。在电动缸的两端设置有行程开关，当电动缸到达行程开关处时，控制系统执行相关的保护动作。

(2)电机的刹车。①刹车装置。当系统处于危险状态时，电动机的动态刹车装置可以把驱动系统减速。②机械抱闸。伺服电机除了具有动态刹车外，还有机械抱闸装置，它与动态刹车相互配合，能够实现要求的刹车过程。而且在系统断电时，机械抱闸可以将伺服电机锁住。

(3)驱动器的过流保护。过流保护。当电机的电流过大时，驱动器的逆变装置会截止并报警。

2.2 平台校核

为了防止在晃荡过程中平台失稳，对平台进行了强度校核。平台下表面安装上铰支座，上表面用于安装负载，负载在平台带动下完成各种姿态的运动，如图5所示。

图5 运动试验台的上平台

平台主要参数如下：

(1)外形尺寸：4 000 mm×4 000 mm×162 mm;

(2)各部板厚:台面板12 mm；底板6 mm；围板8 mm；筋板12 mm;

(3)质量：2 454 kg(不含螺纹柱、下铰底板及加强板)。

平台前3阶固有频率分别为54.37、67.52、117.81 Hz。校核结果如图6所示。

图6 一阶固有频率54.37 Hz

结果表明，在晃荡时平台的受力集中在四周，而且在平台形变和强度的范围内，安全可行，可以开展实验。

3 实验结果与分析

3.1 晃荡条件下分离器运行性能

以分离器为例，对晃荡工况下装置运行特点进行分析，如图7所示。混合介质在绕管式换热器之前气液分离器中进行气液分离，D1503分离罐中的液位在装置静止时基本维持稳定，无明显波动；进行晃荡时(横摇5°,10 s)，液位的波动曲线近似于正弦曲线，周期为10 s，变化幅度为116.44%，液位高度试验比静止时降低7 μm，变化幅度为15.6%，这是由于晃动使分离罐内液体液位高度产生周期性波动；气相进出口前后压差上升3.2%，说明由于晃动的影响，使得流动阻力增大；分离器后的绕管换热器液位没有变化，说明分离器起到了良好的缓冲作用，未对后续设备造成影响。

图7 晃荡工况下分离器性能

3.2 晃荡条件下换热器运行性能

如图8所示。在相同晃动周期工况下，晃动角度越大，深冷气相进出口温差变化越剧烈，在晃荡角度为9°时，变化幅度为-1.86%，变化幅度最大。这是由于在晃动工况下，壳侧与管侧接触更加充分导致的。倾斜工况下，换热器性能下降，晃动工况下，换热器换热能力有所改善，艏摇、纵荡和垂荡对换热性能基本无影响，横摇和纵摇产生积极影响，同时纵摇影响比横摇影响大。当晃动幅度越大，频率越大时，纵摇晃动对换热的促进效果越明显。

图8 不同晃荡幅度工况下换热器温差图

4 实验教学成效

实验教学中采用六自由度晃荡平台的教学成效主要体现在：

(1)适应专业发展的需求，油气领域目前从陆上向海洋发展，通过实验教学让学生了解海洋条件下，油气储运设备和工艺的运行情况，通过实验接触学科前沿，更加深入、全面掌握理论知识，培养创新能力。

(2)有助于学生对理论教学知识的理解，并鼓励学生自主设计实验并验证，激发学生的学习积极性，提升教学效果和质量，并丰富了研究手段，实现了海洋学科和石油与天然气学科的有效融合。

(3)中心的教师和学生可利用六自由度晃荡平台应用于科研，部分科研成果也可转化为本科实验教学内容，实现实验室资源的有效整合和良性循环，即促进了科研的进步，又让学生学到了更多的知识。

5 结 语

为了模拟油气储运装置在海上晃动工况下的运行特点，设计了一套模拟海上船体运动的六自由度晃荡平台，并将核心设备安装在平台上，实验结果表明，在晃荡时，平台的受力集中在四周，而且在平台形变和强度的范围内，满足设计要求；海上晃荡工况下，分离器的液位和流动阻力发生波动，但起到了良好的缓冲作用，保证后续设备运行参数的稳定；倾斜工况下，换热器性能下降，晃动工况下，换热器换热能力有所改善，晃动幅度越大，频率越大时，纵摇晃动对换热的促进效果越明显。

实验教学中采用六自由度晃荡平台对油气储运行业在海洋领域的发展具有指导意义，对于学生学科前沿领域的培养具有指导重要作用。