2. 国家油气钻井装备工程技术研究中心
2. National Engineering Research Center for Oil & Gas Drilling Equipment
0 引言
采用波浪补偿技术可减轻或避免风、浪、流等对海洋吊机的影响，提高海洋吊机作业的安全性，增强吊机的工作能力。波浪补偿技术可分为被动波浪补偿(Passive Heave Compensation，PHC)和主动波浪补偿(Active Heave Compensation，AHC)。AHC应用检测和预测技术获得波浪引起的船舶相对运动数据，由控制系统给出信号驱动执行机构动作，减小相对运动来实现补偿。AHC在海洋石油钻井、海底管线铺设和水下工具吊放等方面都有应用，具有适应性强和补偿精度高的优点。然而其技术和产品被少数国外公司所垄断，我国仅处于技术研究阶段，还没有成熟产品推出。因此，掌握AHC技术并研制高性能的AHC吊机是振兴我国海洋石油工程装备的必由之路。
1 发展现状 1.1 国外发展现状1986年，Huisman公司将二次控制液压技术应用于海洋吊机上，实现了主动波浪补偿。近十年来AHC技术发展迅速，研究成果不断推出，N.JORG等[1]从控制角度方面对波浪补偿进行分析，提出了力和速度2种补偿控制策略，同时对波浪起伏采用预测算法，提高了补偿精度；T.I.FOSSEN等[2]通过引入波浪同步控制方法，在主动波浪补偿系统中加入前馈补偿器，实现了波浪补偿同步控制，补偿性能大大提高。2009年Macgregor公司成功研制了250 t AHC吊机(见图 1)，提升了公司的竞争力。
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| 图 1 Macgregor公司250 t AHC吊机 Fig.1 Macgregor 250 t AHC crane |
目前，已有多家外国公司具备生产工作载荷500～4 000 kN、作业水深500～3 000 m、补偿精度95%以上AHC吊机的能力，代表公司有Huisman、TTS、NOV及Macgregor等[3-4]。图 2为TTS公司为中海油生产的AHC折臂吊机，其最大工作载荷1 500 kN，最大作业水深2 000 m，波浪周期10 s，波浪幅值±3.2 m，最大补偿速度2.01 m/s，补偿精度95%。
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| 图 2 TTS公司150 t AHC吊机 Fig.2 TTS 150 t AHC crane |
1.2 国内发展现状
我国从21世纪初开始研究海洋吊机波浪补偿技术，前期取得的成果主要集中在PHC方面。近几年我国在AHC方面也有突破，徐小军等[5]提出了一种基于差动行星齿轮传动机构的主动波浪补偿系统；刘贺等[6]采用绞车主动补偿形式对起艇系统进行了研究，收到较好的效果。2015年振华重工研制了国内首台30 t AHC吊机(见图 3)，最大作业水深600 m，波浪幅值±2.5 m，最大补偿速度1.96 m/s，补偿精度90%以上。
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| 图 3 振华重工30 t AHC吊机 Fig.3 ZPMC 30 t AHC crane |
2 AHC工作原理
根据执行机构的不同，海洋吊机的AHC技术有液压缸式和绞车式2种型式。
2.1 液压缸式液压缸式AHC通过改变液压泵流量大小来控制液压缸的伸缩长度，它在PHC的基础上增加了测量系统、控制系统和主动缸补偿装置[7]。如图 4所示，当船舶相对于货物向上加速时，钢丝绳上张力增大，压迫被动缸缩回，主动补偿系统根据检测数据计算主动缸需要伸缩的长度，然后调整液压泵的流量，在液压泵的驱动下主动缸动作并拉动被动缸伸长，收起钢丝绳。船舶相对于货物向下运动的情况与向上运动相反，这样就补偿了货物与船舶的相对运动。
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| 图 4 液压缸式主动补偿原理图 Fig.4 Schematic diagram of hydraulic cylinder type active compensation 1—绞车；2—被动缸；3—主动缸；4—液压泵。 |
2.2 绞车式
绞车式AHC应用液压的二次调节控制技术[8]，通过调节液压马达斜盘倾角使其排量变化来控制绞车，进而实现加速或减速。如图 5所示，当船舶相对于货物向上加速时，钢丝绳上张力增大，这时液压马达将液压油压入蓄能器，使压力油与气体平衡，能量被储存，绞车放出钢丝绳。船舶相对于货物向下运动的情况与向上运动相反。
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| 图 5 绞车式主动补偿原理图 Fig.5 Schematic diagram of winch type active compensation 1—绞车；2—液压马达；3—蓄能器；4—液压泵。 |
液压缸式补偿对深水大吨位补偿效果好，动力消耗小，但操作复杂，补偿距离受液压缸行程的限制。绞车式补偿价格便宜，操作简单，补偿距离不受限制，但需要的动力大，工作噪声大[9]。
3 关键技术 3.1 控制技术AHC的核心是控制技术，控制技术的优劣决定了吊机补偿性能的好坏。常见的控制方法有PID控制、Smith控制、预测控制、模糊控制和神经网络控制等[10-12]。针对AHC吊机这种时滞系统，常规的PID控制效果不佳，需要与其他时滞控制方法结合使用。Smith控制从理论上适用于时滞系统，但在实际应用中却不尽人意。主要原因是控制算法依赖于被控对象的数学模型，如果模型准确，控制效果就好，反之就差。
模糊控制只需要操作人员的经验和操作数据就行，不需要精确的数学模型，比较适用于时滞系统。对AHC吊机这种时滞系统的控制不能采用一种方法，而需采用组合控制模式，即把常规控制与智能控制有机组合起来，以适应对象的复杂性和不确定性，最终提高系统的控制性能。
3.2 数据采集技术船舶运动数据采集方法有声学系统、无线电系统、全球卫星定位系统和惯性测量系统等[13]。声学系统是将1组发射器和接收器按一定方式布置在船舶上，系统依靠声信号从发射器经过水传播到接收器，然后根据接收到的信号计算出船舶的运动数据。声能在水中的传播特性在很大程度上影响着声学系统的性能。随着水深的增加，声学定位系统精度相应下降，限制了其应用。GPS卫星定位系统由空间卫星系统、地面监控系统和GPS接收系统组成。地面监控系统根据卫星观测数据计算出卫星的轨道和参数，然后将参数和指令传给卫星系统，GPS接收系统捕获到卫星信号后，计算出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，GPS接收系统的计算机就可按定位解算方法计算出用户的运动参数信息。惯性测量系统利用陀螺仪和加速度传感器测量物体瞬时的角度与加速度，再对加速度进行2次积分得到物体的位移，系统的精度取决于惯性传感器的性能。它不需要在船体外安装其他设备，且可跟随船舶移动，提高了船舶的机动性。另外，它还具有抗干扰能力强、输出信息量大及实时性强等优点。因此，其应用范围较广。
3.3 运动预报技术运动预报技术可以解决滞后问题，提高补偿精度。常见的运动预报方法有统计预报法、神经网络预报法和时间序列方法。统计预报法是对一定时间内的输入数据进行统计，然后分析这些数据，对未来某个时刻的运动状态进行预报。该方法是以积分方程为分析工具并使均方误差为最小的最佳线性预报，但其对船舶运动预报有许多限制因素。时间序列预报方法是利用船舶运动和环境参数的历史数据，建立时间序列来预测船舶的运动状况。这种方法不必建立船舶的运动状态方程，算法简单，易于应用，是一种有效且易实现的运动预报方法。
3.4 节能技术主动波浪补偿系统要求有高的快速响应性能，因此补偿过程中需要很大的瞬时驱动功率，系统能耗高，采用节能技术可减小能耗，降低装机功率。蓄能器是一种常见的节能设备，它可以快速储存和释放能量，使能量回收和重新利用。研究蓄能器的参数(体积、工作压力和初始充气压力)与负载、动力源的匹配对节约能源具有重要意义。
4 国产化发展建议(1)走联合开发、集成创新的道路。AHC是海洋工程领域的一项关键技术，不仅在起重设备上有应用，在海洋钻井和海洋探测等方面都有应用，它们在原理和系统组成等方面有许多共性技术。因此，在研究AHC技术时，应打破行业和部门界限，实行跨行业联合开发，整合有效资源，发挥各自优势，减少重复性研究。
(2)采用由简单到复杂、循序渐进的研发思路。AHC技术研发难度较大, 加之我国的海洋起重设备发展基础薄弱、起步较晚，要在短时间内掌握先进技术，赶上国外先进水平不太现实。建议先研制易实现的具有PHC功能的海洋吊机，有了一定的技术积累后再开发AHC吊机；先开发作业水深500～1 000 m、工作能力300～500 kN的AHC吊机，逐步向深水、大吨位发展。这样可以降低开发难度，减小风险系数。
(3)加强核心技术研究和关键零部件制造能力。我国集成控制核心技术薄弱，大容量绞车、重载回转支承及大拉力钢丝绳等零部件制造能力差，加强核心技术攻关，提高关键零部件制造及使用性能对AHC技术发展具有推动作用。
(4)加强多领域仿真技术和试验平台建设。AHC技术涉及机械、电子、液压和控制等多个专业，采用机-电-液多领域联合仿真对先期技术进行试验验证可以缩短研发周期，降低开发成本。但我国海工装备试验平台少，试验能力差。因此，必须加强试验平台建设，提高海洋工程装备的试验能力。
(5)将AHC技术的安全性作为研究重点之一。AHC吊机比普通海洋吊机系统更复杂，工作环境更恶劣，危险系数更大，研究其安全性尤为重要。另外，考虑吊机安装平台承载能力的限制，在满足功能的前提下，AHC吊机结构应尽量紧凑，以减轻其质量。
5 结束语随着海洋油气开发不断向深海发展，对海洋吊机的能力和性能有了更高的要求，AHC吊机的应用将更加广泛。我国AHC技术与国外先进水平有很大差距，我们应抓住“中国制造2025”的大好发展时机，深入开展AHC技术研究并研制出高性能的AHC吊机，以期打破国外公司垄断，早日实现AHC技术国产化。
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