浮式钻修井平台的电磁驱动式张紧器及控制方法

本发明涉及海洋油气钻采工程，具体涉及一种浮式钻修井平台的电磁驱动式张紧器及控制方法。

背景技术：

1、浮式钻修井平台是深海油气勘探开发的核心装备之一。在波浪作用下，浮式平台会产生大幅升沉运动，最大升沉幅值可达正负3米，极端海况下甚至更大。隔水管系统连接钻井平台与海底井口，是钻井液循环和钻具通过的通道。为保证隔水管与海底井口的相对位置稳定，防止隔水管受压屈曲或过度拉伸，必须设置张紧器提供恒定的向上拉力并补偿升沉运动。

2、传统张紧器主要有钢丝绳式和液压式两类。前者结构庞大、摩擦损耗高、响应滞后；后者存在液压油泄漏风险、动密封易磨损、能量效率低、系统复杂等固有缺陷。在深水作业对环保性、响应速度和维护便利性要求日益提高的背景下，亟需一种全新的技术方案。

3、近年来，电磁力控制在重载、高速及高动态响应领域取得了突破性进展。例如，大型结构永磁电涡流阻尼装置成功应用于超高层建筑减振，火炮电磁反后坐技术可实现冲击能量的回收与主动缓冲，火箭回收着陆装置采用电磁缓冲显著提高重复使用可靠性，航母电磁弹射器通过再生制动实现大功率能量回收。上述实践表明，电磁技术具备非接触、响应快、可控性强、能量转换效率高等突出优势。然而，该技术尚未被应用于浮式钻井平台隔水管张紧器领域。

技术实现思路

1、为了解决传统张紧器响应慢、能耗高、易泄漏的技术问题，本申请提供了一种浮式钻修井平台的电磁驱动式张紧器及控制方法，实现高效、精准的主动补偿。

2、根据本发明的一方面，提供了一种浮式钻修井平台的电磁驱动式张紧器，包括：

3、张紧器单元，围绕浮式平台月池中心线周向均布，每个所述张紧器单元的缸筒上端通过耳轴和挂环与钻井平台月池区域的船体铰接；

4、每个所述张紧器单元包括：

5、缸筒，其内壁固定有分段式定子组件，所述分段式定子组件由沿轴向分段拼接的定子铁芯和嵌入定子铁芯槽内的三相定子绕组组成；

6、活塞杆，同轴滑动设置于所述缸筒内，其外壁固定有动子组件，所述动子组件包括沿轴向排列的halbach永磁体阵列，所述halbach永磁体阵列嵌入所述活塞杆外壁的环形槽内并通过导磁盖板密封；

7、张紧环，与所述活塞杆的下端通过球铰接头连接，用于传递张紧力；

8、伸缩节，安装于月池中心，由上端与钻井平台底部结构连接的内筒和下端与隔水管串连接的外筒构成，所述外筒的上端与所述张紧环固定连接，所述内筒和外筒之间设有动态密封总成，用于将钻井平台升沉运动转化为内外筒的相对滑动并将张紧力传递至隔水管；

9、电力电子变换器，与各段所述定子绕组电连接，用于控制电流的方向和大小；

10、传感器系统，包括用于测量浮式平台升沉运动的运动参考单元、用于测量活塞杆位移的位置传感器以及用于测量张紧力的张力传感器；

11、控制系统，接收所述传感器系统的信号，计算生成电流指令并控制所述电力电子变换器，使所述活塞杆跟随钻井平台运动实现升沉补偿。

12、优选地，每个所述磁极段落的轴向长度与极距相等；每个所述磁极段落内，永磁体按halbach阵列周向排列，产生单边增强的径向磁场，相邻磁极段落的径向极性相反，形成n极和s极交替分布。

13、优选地，每个所述磁极段落由多块扇形永磁体组成，每块扇形永磁体的充磁方向按以下顺序沿周向重复排列：

14、径向向外、切向顺时针、径向向内、切向逆时针；在s极段落的情况下，所述充磁方向整体反转一百八十度。

15、优选地，所述缸筒为分段式结构，由多个缸筒段通过法兰螺栓连接而成，每个缸筒段的长度与对应的定子段长度一致；相邻缸筒段的法兰连接面设有双道密封圈和位于两道密封圈之间的检漏孔。

16、优选地，所述张紧器单元还包括导向组件，所述导向组件包括固定于所述活塞杆外壁的导向环，所述导向环安装于所述活塞杆两端的非导磁套筒上，每端非导磁套筒上至少安装两个导向环，且两个所述导向环之间设有轴向间距以形成长导向段；所述导向环外径小于所述缸筒内径，两者之间形成用于建立润滑油膜的间隙。

17、优选地，还包括冷却系统，所述冷却系统包括设置于每个缸筒段壁内的独立螺旋冷却流道、沿缸筒轴向布置的冷却液进液总管和回液总管，以及连接各缸筒段进出水口与总管的支管；冷却液从缸筒下部进液口进入、从上部出液口流出，形成下进上出的流动方向。

18、优选地，所述电力电子变换器为四象限运行的双向变换器，配置为：

19、在发电模式下，将活塞杆运动产生的机械能转化为电能回馈至储能系统或平台电网；在电动模式下，从储能系统或电网取电驱动活塞杆运动。

20、优选地，所述控制系统采用前馈加反馈双闭环控制策略，前馈量基于所述运动参考单元测得的浮式平台速度，反馈量基于所述张力传感器和位置传感器；所述控制系统还配置为根据活塞杆位置实时判断永磁体阵列所在的定子段，并仅对该段定子绕组通电。

21、优选地，所述球铰接头为自润滑关节轴承，其内圈基体为高强度铜合金并镶嵌固体润滑剂，外圈为淬硬钢且球面设有防腐镀层。

22、根据本发明的另一方面，提供了一种升沉补偿控制方法，包括以下步骤：

23、s1、通过运动参考单元实时测量钻井平台的升沉速度，通过位置传感器实时测量活塞杆的位移，通过张力传感器实时测量张紧环处的张紧力；

24、s2、根据浮式平台升沉速度积分得到浮式平台位移，计算活塞杆的目标位置，使隔水管上端在惯性坐标系中保持静止；将目标位置与实际位置的误差送入位置环调节器，生成速度指令；

25、s3、根据浮式平台运动方向判定工作模式：在浮式平台上升的情况下，系统工作于发电模式；在浮式平台下降的情况下，系统工作于电动模式；将速度指令与实测速度的误差送入速度环调节器，生成电磁力指令，并转换为电流指令；

26、s4、通过电力电子变换器根据电流指令向定子绕组供电，使电磁力方向始终向上；

27、s5、根据活塞杆位置实时判断永磁体阵列所在的定子段，仅对该段定子绕组通电；在永磁体阵列跨越相邻定子段边界的情况下，使相邻两段定子绕组同时通电预设时间后断开前一段，以实现软切换；

28、s6、在浮式平台运动停止的情况下，切换至位置保持模式，维持静态电流以保持恒定张紧力。

29、与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：1、采用电磁驱动方式直接产生张紧力，消除了液压介质的传递延迟，能够实现对钻井平台升沉运动的快速、精准补偿；2、通过四象限运行的双向变换器，能够在发电模式下将机械能转化为电能回馈电网，显著降低了系统的整体能耗；3、采用分段式定子和缸筒结构，支持局部维修和独立供电，且halbach永磁阵列提高了气隙磁密，减轻重量。

1.一种浮式钻修井平台的电磁驱动式张紧器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的电磁驱动式张紧器，其特征在于，所述halbach永磁体阵列沿轴向设置多个磁极段落，每个所述磁极段落的轴向长度与极距相等；每个所述磁极段落内，永磁体按halbach阵列周向排列，产生单边增强的径向磁场，相邻磁极段落的径向极性相反，形成n极和s极交替分布。

3.根据权利要求2所述的电磁驱动式张紧器，其特征在于，每个所述磁极段落由多块扇形永磁体组成，每块扇形永磁体的充磁方向按以下顺序沿周向重复排列：

4.根据权利要求1所述的电磁驱动式张紧器，其特征在于，所述缸筒为分段式结构，由多个缸筒段通过法兰螺栓连接而成，每个缸筒段的长度与对应的定子段长度一致；相邻缸筒段的法兰连接面设有双道密封圈和位于两道密封圈之间的检漏孔。

5.根据权利要求1所述的电磁驱动式张紧器，其特征在于，所述张紧器单元还包括导向组件，所述导向组件包括固定于所述活塞杆外壁的导向环，所述导向环安装于所述活塞杆两端的非导磁套筒上，每端非导磁套筒上至少安装两个导向环，且两个所述导向环之间设有轴向间距以形成长导向段；所述导向环外径小于所述缸筒内径，两者之间形成用于建立润滑油膜的间隙。

6.根据权利要求1所述的电磁驱动式张紧器，其特征在于，还包括冷却系统，所述冷却系统包括设置于每个缸筒段壁内的独立螺旋冷却流道、沿缸筒轴向布置的冷却液进液总管和回液总管，以及连接各缸筒段进出水口与总管的支管；冷却液从缸筒下部进液口进入、从上部出液口流出，形成下进上出的流动方向。

7.根据权利要求1所述的电磁驱动式张紧器，其特征在于，所述电力电子变换器为四象限运行的双向变换器，配置为：

8.根据权利要求1所述的电磁驱动式张紧器，其特征在于，所述控制系统采用前馈加反馈双闭环控制策略，前馈量基于所述运动参考单元测得的钻井平台速度，反馈量基于所述张力传感器和位置传感器；所述控制系统还配置为根据活塞杆位置实时判断永磁体阵列所在的定子段，并仅对该段定子绕组通电。

9.根据权利要求1所述的电磁驱动式张紧器，其特征在于，所述球铰接头为自润滑关节轴承，其内圈基体为高强度铜合金并镶嵌固体润滑剂，外圈为淬硬钢且球面设有防腐镀层。

10.一种采用权利要求1至9任一项所述电磁式隔水管张紧器的升沉补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：