超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及海洋工程设备技术领域，尤其涉及一种超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车及其工作方法。
【背景技术】
[0002]已探明海洋石油储量达1357X 108 t，占地球全部储量的75%以上。其中有30%分布在深水区和超深水区，且随着深水勘探技术的进步，这一比例只会越来越高。勘探和开采深水区和超深水区的石油只能采用浮式作业平台，超深浮式钻井需要大功率的钻井绞车和大功率、长行程的升沉补偿系统，钻井绞车和升沉补偿系统性能的好坏直接影响着海洋石油开发的效率和进度。
[0003]绞车是石油钻机上最重要、最关键的设备，是钻机的核心。主要钻井功能几乎都依赖于绞车，如提放钻具(钻柱、防喷器)、钻进过程中钻头进给、钻压控制等。大功率钻机绞车是超深钻井作业的必需装置之一。
[0004]但目前超深钻井常用的绞车和升沉补偿系统为两套独立的系统，且都存在体积和质量大、功率消耗高的缺点。
[0005]按执行机构的不同，升沉补偿系统可分为液压缸型和绞车型。液压缸型应用比较普遍，但应用于超深钻井时，存在补偿行程不够、体积大、重心高等缺点。而绞车型升沉补偿系统通过控制绞车旋转的速度和方向来实现升沉补偿功能，是近年来才提出来的一种新型升沉补偿系统。但是目前常见的几种补偿绞车以电动的居多，液压驱动的比较少。电动补偿绞车能量回收不方便，刹车系统功耗大，制动能不易回收。液压补偿绞车都以阀控为主，有些没考虑能量回收，有些仅采用蓄能器来回收部分能量。
[0006]新型液压变压器和蓄能器结合，可以高效回收液压系统的压力能。但到目前为止，新型液压变压器还存在变压范围小、发热大、噪音大等缺点，流量小，功率低，其性能远没有达到工程实际应用的要求。由双变量马达组成的传统型液压变压器变压范围大、能量回收效率高，应用于大功率场合时，其体积大的缺点也就不存在了。采用伺服电机直接驱动变量泵作为泵源、以变量马达作为执行机构的直驱容积控制液压系统无节流和溢流损耗，用在超大功率场合时其节能效果更明显。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够同时具有钻井绞车和升沉补偿系统功能的超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车及其工作方法。
[0008]为了实现以上目的，本发明采用的技术方案是:一种超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车，包括滚筒、用于驱动滚筒转动的若干滚筒液压马达、用于降低滚筒液压马达输出转速的减速机构和油箱，各所述滚筒液压马达的T 口连接油箱，其特征在于:还包括有至少两个直驱泵源机构、单向阀、泵源换向阀、至少两个液压变压器、蓄能器组、蓄能器组安全阀、刹车换向阀和液控刹车机构；其中，每一所述直驱泵源机构包括直驱泵源变量泵和用于驱动直驱泵源变量泵的直驱泵源伺服电机，所述直驱泵源变量泵的进油口连接油箱；每一所述液压变压器包括输出轴相连的初级马达和次级马达，各液压变压器的初级马达的T口和次级马达的T 口相连并连接油箱；所述单向阀的A 口与各直驱泵源机构的直驱泵源变量泵的出油口相连，其B 口与泵源换向阀的P 口和刹车换向阀的B 口相连；所述泵源换向阀的A 口与泵源安全阀、各滚筒液压马达的P 口和各液压变压器的初级马达的P 口相连，其B 口与各液压变压器的次级马达的P 口、蓄能器组、蓄能器组安全阀和刹车换向阀的A 口相连；所述刹车换向阀的P 口与液控刹车机构相连。
[0009]进一步，还包括有安装于所述滚筒死绳端的死绳拉力传感器、与平台固定连接的平台速度测量单元、滚筒转速传感器、与所述蓄能器组相连的蓄能器压力传感器、与若干所述滚筒液压马达P 口相连的马达压力传感器和控制器。
[0010]进一步，所述控制器包括主控制器、直驱泵源控制器和液压变压器控制器，其中，所述主控制器可输入死绳拉力传感器、平台速度测量单元、滚筒转速传感器的感应信号和目标控制值，并且，对直驱泵源控制器输出直驱泵源的期望流量，对液压变压器控制器输出液压变压器的期望流量，对泵源换向阀和刹车换向阀输出控制信号，对若干滚筒液压马达输出期望排量；所述液压变压器控制器可输入蓄能器压力传感器和马达压力传感器的感应信号及液压变压器期望流量，并且，输出各初级马达和各次级马达的期望排量；所述直驱泵源控制器可输入直驱泵源机构期望排量，并且，输出各直驱泵源变量泵的期望排量和各直驱泵源伺服电机的控制信号。
[0011]进一步，各所述滚筒液压马达的排量不等，各所述直驱泵源机构中的直驱泵源变量泵的排量不等，各初级马达的排量不等，各次级马达的排量不等。
[0012]一种超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车的工作方法，当绞车在进行上升补偿或下放作业时，各所述滚筒液压马达工作于泵工况，各所述初级马达工作于马达工况，各所述次级马达工作于泵工况，压力油进入蓄能器组，同时，直驱泵源机构停止输出液压油或者通过泵源换向阀向蓄能器充液储能，使能量被回收；当绞车在进行下降补偿或提升作业时，各所述滚筒液压马达工作于马达工况，各所述初级马达工作于泵工况，各所述次级马达工作于马达工况，压力油从蓄能器组释放出来，能量被释放，同时，直驱泵源机构向各滚筒液压马达供油。
[0013]进一步，当绞车在制动时，若蓄能器组内的压力正常，则接通刹车换向阀的A 口和P 口，由蓄能器组对液控刹车机构供油；若蓄能器组内的压力偏低，则接通刹车换向阀的B口和P 口，由直驱泵源机构对液控刹车机构供油。
[0014]本发明的有益效果是:本发明的绞车在进行上升补偿和下放作业时，滚筒自然转动带动滚筒液压马达的输出轴转动，使其工作于泵工况，配合液压变压器变换压力，使压力油流入蓄能器组，能量以压力能的形式储存于蓄能器组内；当绞车在进行下降补偿和提升作业时，蓄能器能释放内部的压力油，并通过液压变压器变换压力使压力油流入滚筒液压马达中，驱动其输出轴转动，从而释放蓄能器内的能量。其过程能有效节约系统的能量。同时，由绞车来实现主动升沉补偿，省去了专门的升沉补偿系统，且补偿行程不受限制。用于浮式钻井作业时，既可实现钻井作业时钻柱的升沉补偿，又可实现起下钻水下钻具时的升沉补偿。
【附图说明】
[0015]图1为实施例一的原理图。
[0016]图2为实施例一控制器的原理框图。
[0017]图3为实施例二的原理图。
[0018]其中，I为滚筒，2为油箱，3为滚筒液压马达，4为直驱泵源机构，41为直驱泵源变量泵，42为直驱泵源伺服电机，5为液压变压器，51为初级马达，52为次级马达，6为蓄能器组，7为液控刹车机构，8为单向阀，9为泵源换向阀，10为刹车换向阀，11为泵源安全阀，12为蓄能器组安全阀，13为死绳拉力传感器，14为平台速度测量单元，15为滚筒转速传感器，16为马达压力传感器，17为蓄能器压力传感器，18为控制器，181为主控制器，182为液压变压器控制器，183为直驱泵源控制器。
【具体实施方式】
[0019]现结合附图和具体实施例对本发明要求保护的技术方案作进一步详细说明。
[0020]实施例一
如图1所示，本实施例的绞车包括有滚筒1、两个滚筒液压马达3、减速机构、两个直驱泵源机构4、两个液压变压器5、蓄能器组6、液控刹车机构7、泵源安全阀11、蓄能器组安全阀12、单向阀8、泵源换向阀9、刹车换向阀10和油箱2。