KR101903379B1 - 하이브리드 인장 라이저 스트링 - Google Patents

하이브리드 인장 라이저 스트링 Download PDF

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Abstract

인핸스드 라이저 제어 시스템은 와이어들에 의해 시추 라이저에 결합된 전기 텐셔너들을 채용할 수 있다. 전기 텐셔너들은 시추 라이저들의 포지셔닝을 처리하기 위해 인장력 제어기에 빠른 응답을 제공할 수 있다. 인핸스드 라이저 제어 시스템의 전기 텐셔너들은 라이저 하이브리드 인장 시스템에서 하이드로 공압 텐셔너들과 결합될 수 있다. 인핸스드 라이저 제어 시스템내 제어기는 전기 텐셔너들에 인장력을 분배하고 전기 텐셔너들을 제어하여 제 1 및 제 2 와이어들의 길이를 조정하도록 구성될 수 있다. 전기 텐셔너들은, 예를 들면, 와유기 진동(VIV)을 억제하고 시추 라이저 반동을 제어하기 위해 사용될 수 있다.

Description

하이브리드 인장 라이저 스트링{HYBRID TENSIONING RISER STRING}
본 출원은, 둘 모두 참조로서 여기에 통합된, Wu 외에 의해 2011년 12월 22일에 출원되었고 발명의 명칭이 "인핸스드 라이저 제어 시스템(Enhanced Riser Control System)"인 미국 가출원 제 61/579,353 호, 및 Wu 외에 의해 2012년 11월 12일에 출원되었고 발명의 명칭이 "라이저 하이브리드 인장 시스템(Riser Hybrid Tensioning System)"인 미국 가출원 제 61/725,411 호의 이익을 주장한다.
본 발명은 라이저 제어 시스템들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 전기 텐셔너들을 갖는 라이저 인장 제어 시스템에 관한 것이다.
안정성 및 성능은 시추 라이저에서 중요한 고려 사항들이다. 더 깊은 심해 및 더 가혹한 환경들에서 자원들을 개발하기 위한 과거 수십년에 걸친 경향들에 의해, 시추 라이저들의 안정성 및 성능을 보장하는 것은 도전적인 과제로 되었다.
라이저 인장 시스템은 강성 라이저 스트링에 의해 연결되는 해상 시추 장치와 해저 사이의 상대 운동들을 보상하는 것을 목표로 한다. 종래 시스템들에서, 가장 널리 사용된 라이저 인장 시스템은 하이드로 공압 실린더들, 공기/오일 어큐뮬레이터들, 및 공기압 용기로 구성된 하이드로 공압 라이저 인장 시스템이다. 그러나, 하이드로 공압 인장 시스템들에 결점들이 있다.
첫째, 하이드로 공압 인장 시스템에 대한 응답 시간은 특정 상황들에 대해 너무 느리다. 공압 시스템들의 상대적으로 느린 동작은, 명령을 발행하는 것과 힘이 인장력 시스템에 의해 인가되는 것 사이에 시간인, 긴 제어 응답 시간을 초래한다. 긴급한 라이저 분리와 같은, 특정 상황들에서, 인장력 변경 응답은 너무 느릴 수 있다. 느리고, 큰 과도한 견인력은 밖으로 향하는 자유로운 라이저 파이프들을 가속시킬 수 있어 그들이 뛰쳐나가게 하고 결과적으로 시추 장치 플로어 및 라이저 파이프들에 손상을 줄 수 있다.
둘째, 세로 방향의 과도한 인장력을 증가시키는, 파괴적인 와유기 진동(VIV)을 억제하기 위해 사용된 하이드로 공압 인장 시스템들의 종래의 방법은 지지 장치상에 스트레스를 야기하고, 인장 시스템의 마모 및 파손을 증가시키고 라이저 파이프 피로를 증가시킨다. 또한, 세로 방향의 과도한 견인력을 증가시키는 것은 시추 장치가 높은 파도 상태들을 경험하면서 한 쌍의 하이드로 공압 텐셔너들이 정비를 받고 있는 상황들에서 안전성 우려들을 증가시킨다.
셋째, 하이드로 공압 인장 시스템은 상당한 양의 정비를 요구하는 비교적 복잡하고 고가의 시스템이고 유압 유체의 누출에 대한 위험이 있다. 하이드로 공압 인장 시스템은, 선박 좌우 요동 및 상하 요동에 의해 야기된 와유기 진동(VIV) 또는 불규칙하고 비선형의 하중과 같은 요인들에 의한 벤딩에 노출되는 하이드로 공압 실린더 로드 및 씰을 포함한다. 이들 요인들은 높은 실패 위험을 야기할 수 있고, 유압 유체 누출 및 환경 오염의 위험들을 피하기 위해 높은 정비 비용을 요구할 수 있다. 또한, 복잡한 하이드로 공압 시스템은 시추 장치상의 유용한 플로어 공간을 소비하는 상당한 체적의 공기 어큐뮬레이터들 및 공기 저장기들을 포함한다.
전기 텐셔너를 갖는 인핸스드 라이저 인장 시스템은 하이드로 공압 텐셔터들만을 갖는 종래의 라이저 인장 시스템들보다 추가적인 안정성 및 성능을 제공할 수 있다. 시스템은 심해 라이저 시스템의 전체 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 전기 텐셔너들은 하이드로 공압 텐셔너들보다 더 빠른 응답 시간들을 갖는다. 더 빠른 응답 시간들에 의해, 전기 텐셔너들은 더 정확한 융기 보상 제어, 더 안전한 반동 방지 제어 및 라이저 스트링상의 와유기 진동(VIV)에 의한 피로 손상의 감소를 제공하기 위해 가변적인 인장력들을 인가할 수 있다. 이러한 라이저 하이브리드 인장 시스템은 또한, (1) 새로운 라이저 위치 제어 동작 모드, (2) 선박 움직임 안정 장치의 새로운 기능 및 (3) 이중 시추 스테이션들 사이의 움직이는 라이저 스트링의 새로운 기능과 같은 라이저 동작 프로세스를 간소화하기 위한 새로운 기능들을 제공해준다.
일 실시예에 따라, 장치는 복수의 와이어들 중 제 1 및 제 2 와이어를 통해 시추 라이저에 기계적으로 결합되고 직류(DC) 배전 버스에 전기적으로 결합된 제 1 및 제 2 전기 텐셔너를 포함한다. 상기 장치는 또한 에너지 저장 시스템 및 전력 소산 장치를 포함할 수 있고, 그 둘 모두는 또한 DC 배전 버스에 연결된다. 장치는 복수의 와이어들 중 제 3 와이어를 통해 시추 라이저에 기계적으로 연결된 하이드로 공압 텐셔너를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 장치는 전기 및 하이드로 공압 텐셔너 모두에 의해 전달된 인장력 및 속도를 측정하도록 구성된 제어기를 포함할 수 있다. 제어기는 또한, 하이드로 공압 텐셔너의 라이저 하중 및 측정된 인장력에 부분적으로 기초하여 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들에 대한 인장력을 결정하도록 구성될 수 있다. 제어기는 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들에 인장력을 분배하고 제 1 및 제 2 와이어들의 길이를 조정하기 위해 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들을 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 장치내 전기 텐셔너는 모터 또는 발전기 및 에너지 인버터로서 동작하도록 구성된 모터를 포함할 수 있다. 에너지 인버터는 모터에 연결되고 또한 DC 배전 버스에 연결될 수 있다. 전기 텐셔너는 추가로 모터에 연결된 기어 박스를 포함하고 윈치를 포함할 수 있다. 윈치는 기어 박스에 연결될 수 있고 시추 라이저 와이어를 통해 시추 라이저에 결합될 수 있다. 전기 텐셔너내 에너지 인버터는 AC 에너지를 DC 에너지로 또는 DC 에너지를 AC 에너지로 인버트할 수 있다. 제어기는 또한 복수의 에너지 인버터들에서 토크 및 전력 흐름을 조절하도록 구성될 수 있다.
에너지 관리는 에너지 저장 시스템의 사용을 통해 선박에 대해 개선될 수 있다. 예를 들면, 에너지는 전기 텐셔너가 선박의 반파 움직임으로 에너지를 재생하기 위한 발전기로서 동작할 때 저장 시스템에 저장될 수 있고, 그 반대도 마찬가지다.
라이저 인장 시스템의 인장력을 제어하는 방법은 텐셔너에 의해 전달된 인장력을 측정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 측정된 인장력에 부분적으로 기초하여 복수의 전기 텐셔너들에 대한 인장력을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 결정된 인장력을 복수의 전기 텐셔너들에 분배하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 결정된 인장력에 부분적으로 기초하여 복수의 전기 텐셔너들을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 결정된 인장력을 복수의 전기 텐셔너들에 분배하는 단계를 포함하는 라이저 인장 시스템의 인장력을 제어하는 방법은 시추 선박에서 라이저를 안정화하는데 유용할 수 있다.
일 실시예에서, 측정되는 전달된 인장력은 하이드로 공압 텐셔너 또는 전기 텐셔너의 인장력일 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 인장 시스템은 라이저 하이브리드 인장 시스템일 수 있고, 이는 전기 인장 시스템을 하이드로 공압 텐셔너들과 통합시키는 라이저 인장 시스템이다.
전술한 것은 후속하는 본 발명의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 대체로 본 발명의 특징들 및 기술적 이점들을 더 개설했다. 본 발명의 청구항들의 요지를 형성하는 본 발명의 추가의 특징들 및 이점들은 이후에 설명될 것이다. 개시된 개념 및 특정 실시예가 본 발명의 동일한 목적들을 실행하기 위한 다른 구조들을 변경하거나 설계하기 위한 기초로서 쉽게 이용될 수 있다는 것이 본 기술의 숙련자들에 의해 이해되어야 한다. 이러한 동등한 구조들은 첨부된 청구항에 설명된 바와 같이 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않는다는 것이 본 기술의 숙련자들에 의해 이해되어야 한다. 다른 목적들 및 이점들과 함께 그의 구조 및 동작의 방법 모두에 관한, 본 발명의 특징이라고 생각되는 신규의 특징들은 첨부하는 도면들과 관련하여 고려될 때 다음의 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 도면들의 각각은 단지 예시 및 설명의 목적을 위해 제공되고, 본 개시의 한정들의 규정으로서 의도되지 않는다는 것이 분명히 이해되어야 한다.
본 발명은 종래의 라이저 인장 시스템들보다 추가적인 안정성 및 성능을 제공할 수 있는 인핸스드 라이저 인장 시스템을 제공한다.
도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 전기 인장 시스템의 평면도를 도시하는 블록도.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 하이브리드 인장 시스템의 평면도를 도시하는 블록도.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 인장 시스템을 도시하는 블록도.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 인장 시스템에 대한 제어기를 도시하는 블록도.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 인장 시스템의 인장력을 제어하는 방법을 도시하는 플로차트.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 인장 시스템 내 에너지 전달을 제어하는 방법을 도시하는 플로차트.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 속도와 라이저 인장력 사이의 관계를 도시하는 그래프.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 속도와 라이저 인장력 사이의 관계를 도시하는 그래프.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 하이브리드 인장 시스템에서 전기 및 하이드로 공압 텐셔너들에 의해 인가된 인장력을 도시하는 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 하이브리드 인장 시스템내 에너지의 라우팅을 도시하는 블록도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 디바이스들에 대한 제어 방식을 도시하는 블록도.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 스트링이 제 1 시추 스테이션으로부터 제 2 스테이션으로 움직이고 있을 때 전기 텐셔너들을 갖는 이중-기능 선박의 측면 및 평면도를 도시하는 블록도.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 스트링이 제 2 시추 스테이션으로부터 제 1 스테이션으로 움직이고 있을 때 전기 텐셔너들을 갖는 이중-기능 선박의 측면 및 하부도를 도시하는 블록도.
개시된 시스템 및 방법들의 더 완전한 이해를 위해, 첨부하는 도면들과 함께 취해진 다음의 설명들에 대해 여기서 참조가 행해진다.
심해 라이저 인장 시스템의 안정성 및 성능은 라이저의 인장력을 제어하기 위한 전기적 구성 요소들을 사용함으로써 개선될 수 있다. 라이저 하이브리드 인장 시스템은 라이저 전기 인장 시스템을 기존 하이드로 공압 텐셔너들과 통합시켜서 종래의 라이저 인장 시스템들보다 안정성 및 기능을 개선할 수 있다. 라이저 인장 시스템은 또한 단지 전기 텐셔너들만을 포함할 수 있다. 전기 기기와 같은, 전기적 구성 요소들은 거의 동시적인 제어 응답인 밀리초 범위내 제어 응답을 제공할 수 있다. 전기 구성 요소들의 사용은 인장 시스템이 상이한 상태들에 더 빠르게 응답하도록 허용함으로써 안정성 및 기능을 개선하는 빠른 응답을 허용한다. 더욱이, 라이저 하이브리드 인장 시스템의 추가적인 기능은 심해 라이저 인장 시스템들에서 마주하는 많은 문제점들을 해결하기 위해 향상된 모드들의 동작을 제공할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 전기 인장 시스템(150)의 평면도를 도시하는 블록도이다. 라이저(130)는 로프들에 의해 전기 텐셔너들(110 내지 117)에 연결될 수 있다. 도 1a가 8 개의 전기 텐셔너들(110 내지 117)을 갖는 전기 라이저 인장 시스템(150)을 도시하지만, 전기 라이저 인장 시스템(150)은 이러한 특정수의 전기 텐셔너들(110 내지 117)로 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시예에서, 전기 라이저 인장 시스템은 4 개의 전기 텐셔너들을 포함할 수 있다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 하이브리드 인장 시스템(100)의 평면도를 도시하는 블록도이다. 라이저(130)는 전기 텐셔너들(110 내지 113) 및 하이드로 공압 텐셔너들(120 내지 123)에 로프들에 의해 결합될 수 있다. 전기 텐셔너들(110 내지 113) 및 하이드로 공압 텐셔너들(120 내지 123)은 함께 라이저 하이브리드 인장 시스템(100)을 형성할 수 있다. 하이드로 공압 라이저 텐셔너들(120 내지 123)만을 채용하는 라이저 인장 시스템들의 많은 결점들이 이미 상술되었지만, 하이드로 공압 텐셔너들(120 내지 123)의 이점들을 이용하기 위해 하이드로 공압 텐셔너들(120 내지 123)이 라이저 하이브리드 인장 시스템(100)에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 하이드로 공압 텐셔너들(120 내지 123)을 갖는 라이저 하이브리드 인장 시스템(100)은, 하이드로 공압 텐셔너들(120 내지 123)이 외부 시스템들과 에너지 교환을 갖지 않는 수동이고 자체로서 완비된 시스템들이기 때문에 양호한 신뢰도를 가질 수 있다. 또한, 라이저 하이브리드 인장 시스템(100)은 외부 시스템들의 방해들 및 변동들에 더 잘 견딜 수 있다. 전기 라이저 텐셔너들(110 내지 113)은 높은 정확도를 갖고 동적으로 가변적인 토크를 전달하는 것, 빠른 제어 응답들을 제공하는 것, 및 설치가 쉬운 것과 같은 많은 이점들을 추가한다. 그러므로, 라이저 하이브리드 인장 시스템(100)은 하이드로 공압 인장 시스템들(120 내지 123) 및 전기 텐셔너들(110 내지 113)의 결합된 이점들로부터 이익을 얻을 수 있다.
도 1b가 네 개의 전기 텐셔너들(110 내지 113) 및 네 개의 하이드로 공압 텐셔너들(120 내지 123)을 갖는 라이저 하이브리드 인장 시스템(100)을 도시했지만, 라이저 하이브리드 인장 시스템은 이러한 특정한 수의 전기 텐셔너들 및 하이드로 공압 텐셔너들로 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 실시예에서, 라이저 하이브리드 인장 시스템은 여섯 개의 하이드로 공압 텐셔너들 및 네 개의 전기 텐셔너들을 포함할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 인장 시스템(200)을 도시하는 블록도이다. 인장 시스템(200)은 전기 텐셔너들(210)을 시추 라이저(230)에 결합하는 와이어들(231)의 인장력을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 단지 하나의 전기 텐셔너(210)가 도시되었지만, 추가의 전기 텐셔너들이 상기의 도 1a에 도시된 것과 같이 존재할 수 있다.
전기 텐셔너(210)는 다른 전기 텐셔너들과 공유될 수 있는 공통 DC 배전 버스(270)에 연결될 수 있다. DC 버스(270)는 인장 시스템(200)으로 및 그의 외부로의 에너지 흐름을 위해, 및 다른 전력 장치들을 위한 물리적 링크를 제공한다. DC 버스(270)는 하나 이상의 발전기들(274)에 의해 동력이 공급된 AC 버스(272)로부터의 전력을 변환하는 활성 프론트 엔드(AFE) 정류기(260)에 연결될 수 있다. AFE 정류기(260)의 전력 모듈은 AFE 제어기(260a)를 통해 전력 관리 시스템(250)에 의해 제어될 수 있다.
전기 텐셔너(210)는 AC로부터 DC로 또는 DC로부터 AC로 에너지를 인버트하기 위한 가변적인 주파수 드라이브(VFD; 211)를 포함할 수 있다. VFD형 인버터(211)는 VFD 제어기(211a)를 통해 인장력 제어기(202)에 의해 제어될 수 있다. 일 방향으로, 인버터(211)는 DC 버스(270)로부터의 DC 에너지를 전기 텐셔너(210)에 의한 사용을 위해 AC 에너지로 변환할 수 있다. 다른 방향으로, 인버터(211)는 전기 텐셔너(210)로부터 AC 에너지를 DC 버스(270)상에 전달되는 DC 에너지로 변환할 수 있다.
전기 텐셔너(210)는 또한 와이어(231)에 의해 도르래(214)에 및 라이저(230)에 연결된 모터(212)를 포함할 수 있다. 모터(212)는, 예를 들면, 높은 토크 저속 머신일 수 있다. 모터(212)는, 축방향 자속의 영구 자석 디스크 모터와 같은, 직접 구동식 모터일 수 있다. 모터(212)는 VFD(211)에 의해 제어될 수 있다. 위치 센서(PS; 216)는 모터 회전 위치(231)를 측정하고 인장력 제어기(202)에 위치를 보고하기 위해 전기 텐셔너(210)에 연결될 수 있다. 온도 센서(218)는 모터(218) 내 또는 모터(218)상에 위치될 수 있고 VFD 제어기(211a)에 피드백을 제공할 수 있다. 예를 들면, 센서(218)에 의해 측정된 온도가 안전 레벨을 초과할 때, 보조 냉각 시스템의 순환이 증가될 수 있거나, 또는 모터(212)가 그의 온도를 감소시키기 위해 셧 다운될 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같은 모든 전기 인장 시스템에서, 다수의 전기 텐셔너들은 와이어(231)에 의해 라이저(230)에 연결될 수 있다. 인장 시스템(200)이 도 1b에 도시된 바와 같이 하이브리드 시스템일 때, 시스템(200)은 연관된 제어기(252a)를 갖는 하이드로 공압 텐셔너(252)를 포함할 수 있다. 단지 하나의 하이드로 공압 텐셔너(252)가 도시되었지만, 다수의 하이드로 공압 텐셔너들이 와이어들(231)을 통해 라이저(230)에 결합될 수 있다. 제어기(252a)는 또한 인장력 제어기(202)와 통신 상태에 있을 수 있다.
인장력 제어기(202)는 하이브리드 또는 전기 라이저 인장 시스템내에 많은 태스크들을 수행하고 전력 관리 제어기(250)로 피드백을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어기(202)는 상이한 제어 알고리즘들을 통한 상이한 제어 목적들을 위해 모터(212)에서 토크를 조절할 수 있다. 다른 예로서, 제어기(202)는 하이드로 공압 텐셔너(252)와 전기 텐셔너(210) 사이의 인장력을 분배하는 하중 분산 제어기로서 사용될 수 있다. 또한, 제어기(202)는 와이어라인(231) 인장력을 동적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 모니터링 및 제어 목적들을 위해, 전기 텐셔너들(210), 하이드로 공압 텐셔너들(252), 라이저(230) 및 라이저 인장 시스템이 채용된 시추 선박의 상태 피드백이 제어기(202)에 전송될 수 있다. 대안적으로, 제어기(202)는 상이한 제어 알고리즘들을 사용하여 전기 및 하이드로 공압 텐셔너들 모두에 대한 기준 신호들을 계산할 수 있다. 알고리즘들은 해저에 대한 라이저 상부 및 시추 선박 융기의 상대적인 위치들, 움직임 기준 유닛(MRU; 232)으로부터 속도 및 가속도, 선박상의 MRU(도시되지 않음), 및 전기 텐셔너(210) 및 하이드로 공압 텐셔너(252)의 인장력 측정들에 부분적으로 기초할 수 있다. 더욱이, 제어기(202)는 전기 텐셔너(202)의 내외부의 에너지의 라우팅을 모니터링하고 이러한 에너지 신호를 전력 관리 제어기(250)로 전송하도록 구성될 수 있다.
전력 관리 제어기(250)는 DC 버스(270) 전압 및 AC 버스(272) 주파수를 모니터링하도록 구성될 수 있다. 또한, 제어기(250)는 전기 텐셔너(210), 울트라-캐퍼시터 뱅크(222), 및 전력 소산 장치(242)와 같은 다른 전력 구성 요소들 사이에 전력을 조정할 수 있다.
도 2a를 다시 참조하면, 정규 동작에서, 라이저 하이브리드 인장 시스템을 갖는 시추 선박은 전기 텐셔너(210)로 및/또는 전기 텐셔너(210)로부터 대량의 힘을 전달하는 파도의 활동을 경험할 수 있다. 예를 들면, 선박이, 선박이 아래로 움직이게 하는 파도들을 경험할 때, 전기 텐셔너(210)는 시추 장치의 전력 네트워크(250)로부터 에너지를 소비할 수 있다. 전기 텐셔너(210)에 의해 소비된 에너지는 메가줄(Megajoule) 범위 내에 있을 수 있고, 요구된 피크 전력은 이후 메가와트 범위 내에 있을 수 있다. 선박이, 선박이 위로 움직이게 하는 파도들을 경험할 때, 전기 텐셔너(210)는 동일한 전력을 DC 버스(270)상에 방출한다. 파도들로부터의 힘의 변동들은 요소들(222, 242)로, 즉, 에너지 저장 요소들(222)에 의해 DC 버스(270)에 리턴된 에너지를 저장함으로써 또는 에너지 소산 장치 요소들(242)에서 에너지를 분산시킴으로써 보상될 수 있다.
에너지 저장 요소들(220)은 DC 버스(270)에 연결될 수 있다. 각각의 에너지 저장 요소(222)는 DC/DC 전력 초퍼(DDPC; 221)에 연결될 수 있다. 에너지 저장 요소들(220)에 대해 사용된 특정한 수 및 형태의 에너지 저장 디바이스들(222)은 사용된 선박의 형태 또는 에너지 저장 요소들(220)에 이용가능한 공간과 같은 애플리케이션 특정 파라미터들에 의존할 수 있다. 에너지 저장 요소들(222)은, 예를 들면, 울트라캐퍼시터 뱅크(UCB), 배터리 뱅크, 또는 플라이휠일 수 있다. UCB가 에너지 저장 디바이스(222)를 위해 사용될 때, UCB는 최상위 해상 상태 기준의 선박 융기 및 UCB의 용량 경감의 다섯배 모두의 최대치의 적어도 1.2배의 용량을 갖도록 선택될 수 있다.
인장 시스템(200)은 또한 단일 방향의 전력 초퍼(241)를 통해 DC 버스(270)에 연결된 전력 소산 장치(242)를 포함할 수 있다. 단일 방향의 전력 초퍼(241)는 전력 소산 장치(242)에 의해 에너지의 양이 소산되도록 조절할 수 있다. 전력 소산 장치(242)는 저항 또는 히트 싱크와 같은 에너지를 소비하는 임의의 디바이스일 수 있다. 전력 관리 시스템(250) 내 동작 알고리즘은, 에너지 저장 디바이스들(222)이 완전히 충전될 때 또는 UCB들의 동작 전압들이 최대 동작 전압을 초과할 때, 에너지를 전력 소산 장치들(242)로 라우팅할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 인장 시스템의 인장력을 제어하는 방법(300)을 도시하는 플로차트를 도시한다. 방법(300)은 라이저 인장 시스템 내 텐셔너에 의해 전달된 인장력을 측정으로 블록(302)에서 시작한다. 측정된 인장력은 하이드로 공압 텐셔너 또는 전기 텐셔너에 의해 전달된 인장력일 수 있다. 일 실시예에서, 도 2a의 제어기(202)와 같은 제어기는 하이드로 공압 또는 전기 텐셔너에 의해 전달된 인장력 피드백 신호들을 수신하여 하이드로 공압 또는 전기 텐셔너 중 하나에 의해 전달된 측정된 인장력을 획득할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 하이드로 공압 및/또는 전기 텐셔너들은 제어기에 의해 모니터링될 수 있다. 일 실시예에서, 도 2a의 제어기(202)와 같은 제어기는 텐셔너 안에 있는 동안 하이드로 공압 또는 전기 텐셔너들에 의해 전달된 인장력을 측정할 수 있다.
블록(304)에서, 복수의 전기 텐셔너들에 대한 원하는 인장력은 블록(302)에서 측정된 인장력에 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 복수의 전기 텐셔너들에 대해 원하는 인장력을 결정하기 위해 사용될 수 있는 다른 파라미터들은 하이드로 공압 또는 전기 텐셔너에 의해 전달된 인장력, 전체 라이저 인장 시스템의 총 요구된 인장력, 라이저 하이브리드 인장 시스템에서 하이드로 공압 텐셔너들의 총 수, 및/또는 시스템에서 전기 텐셔너들의 총 수를 포함한다. 또한, 도 2a의 제어기(202)는, 선박상의 하이드로 공압 및 전기 텐셔너들의 총 수와 같은, 시추 선박의 모니터링된 파라미터들에 부분적으로 기초하여 전기 텐셔너의 원하는 인장력을 결정하도록 구성될 수 있다.
블록(306)에서, 블록(304)의 원하는 인장력이 복수의 전기 텐셔너들에 분배될 수 있다. 복수의 전기 텐셔너들은 이후 복수의 전기 텐셔너들의 각각의 전기 텐셔너들에 연결된 와이어에 균등하게 롤링 인 또는 롤링 아웃함으로써 결정된 인장력을 전달하도록 제어될 수 있다.
일 실시예에 따라 전기 텐셔너 또는 복수의 전기 텐서녀들의 원하는 인장력은 다음의 수식을 사용하여 계산될 수 있다:
Figure 112014067730440-pct00001
여기서 TETi는 개개의 전기 텐셔너 i의 원하는 인장력을 나타내고, THTi는 임의의 주어진 시간에 하이드로 공압 텐셔너 i에 의해 전달된 인장력이고, TTotal은 전체 라이저 하이브리드 인장 시스템의 총 원하는 인장력을 나타낸다. nHT 및 nET 파라미터들은 시스템에서 하이드로 공압 및 전기 텐셔너들, 각각의 총 수이다.
블록 308에서, 복수의 텐셔너들은 블록(304)에서 결정되고 블록(306)에서 분배되는 인장력에 부분적으로 기초하여 제어될 수 있다. 예를 들면, 텐셔너들은 와이어들에 인장력을 인가할 수 있다. 복수의 전기 텐셔너들은 상이한 제어 목적들을 만족하도록 제어되고 조정될 수 있다. 이는 연안의 시추 선박에서 라이저를 안정화하는 것을 도울 수 있다. 예를 들면, 텐셔너들에 의해 전달된 인장력을 측정하는 것은 텐셔너의 원하는 인장력을 동적으로 계산하고 텐셔너들에 의해 전달되는 인장력을 제어하기 위해 계속하여 수행될 수 있다. 이는 하이드로 공압 및/또는 전기 텐셔너들에 의해 총 전달된 인장력이 거의 일정하게 유지되는 것을 보장할 수 있다. 일 실시예에서, 도 2a의 제어기(202)는 상이한 시추 동작 및 해상 상태에 따라 복수의 전기 텐셔너들을 제어하고 와이어라인 인장력을 조정하도록 구성될 수 있다. 도 3a의 블록들에 개시된 동작들은 연속적으로, 그리고 도 3b의 블록들(330, 340)에서 기술된 바와 같이 시스템에서 에너지를 관리하는 동작들과 동시에 수행될 수 있다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 인장 시스템내 에너지 전달을 제어하는 방법을 도시하는 플로차트이다. 도 3a의 방법(300)의 동작들은 연속적으로, 그리고 도 3b의 방법(350)의 동작들과 동시에 수행될 수 있다.
블록(320)에서, 선박이 수직으로 위 아래로 움직였는지의 여부가 결정된다. 일 실시예에서, 수직 운동에 대해 모니터링되는 선박은 도 1a에서와 같은 라이저 인장 시스템, 또는 도 1b에서와 같은 라이저 하이브리드 인장 시스템이 위치되는 연안 시추 선박일 수 있다. 선박의 수직 운동은 해양에서 파도들에 의해 야기될 수 있다.
블록(320)에서, 선박이 아래쪽으로 움직일 때, 방법(350)은 블록(330)으로 진행하고, 여기서 에너지가 전기 텐셔너로부터 에너지 저장 디바이스들로 전달될 수 있다. 즉, 전기 인장 시스템의 모터는 선박이 위로 움직일 때 발전기로서 동작할 수 있다. 블록(330)에서, 전기 텐셔너로부터의 에너지는 에너지 저장 시스템으로 또는 전기 텐셔너에 의해 생성된 에너지를 소산시키기 위해 전력 소산 장치들로 전달될 수 있다. 전기 텐셔너로부터 전달된 에너지는 전기 텐셔너에 의해 생성된 에너지일 수 있다. 예를 들면, 선박이 위로 움직일 때, 전기 텐셔너에 연결된 와이어가 롤 아웃한다. 와이어가 롤 아웃함에 따라, 모터들은 위치 에너지를 AC 전기 에너지로 변환시키는 발전기들로서 동작할 수 있다. 생성된 AC 전기 에너지는 AC/DC 인버터에 의해 DC 에너지로 인버트될 수 있고, 이후 저장을 위해 에너지 저장 디바이스들로 전달될 수 있는 공통 DC 배전 버스상으로 흐를 수 있다.
전기 텐셔너로부터 발생된 에너지가 라우팅되어야 할 곳을 결정하기 위한 결정들이 행해진다. 예를 들면, 블록(331)에서, 에너지 저장 디바이스가 그의 최대 에너지 용량에 도달했는지가 결정된다. 블록(332)에서, 전기 텐셔너에 의해 발생된 에너지는 에너지 저장 디바이스가 그의 최대 용량에 도달하지 않았다는 것이 블록(331)에서 결정되는 경우 저장을 위해 에너지 저장 디바이스에 전달될 수 있다. 전기 텐셔너에 의해 발생된 에너지는 에너지 저장 디바이스 또는 디바이스들이 그들의 최대 에너지 용량에 도달될 때까지 에너지 저장 디바이스 또는 디바이스들에 계속 저장될 수 있다. 에너지가 에너지 저장 디바이스 또는 디바이스들에 저장될 때, 에너지 저장 디바이스 또는 디바이스들에서 에너지는 최대 에너지 용량이 도달되는지를 블록(331)에서 결정하기 위해 모니터링될 수 있다.
블록(331)에서 전기 인장 시스템에서 에너지 저장 디바이스들이 그들의 최대 에너지 용량에 도달되었다는 것의 결정 후에, 전력 네트워크가 용량에 도달되었는지가 블록(333)에서 결정된다. 일 실시예에서, 전력 네트워크에 대한 안전한 동작 기준 또는 임계치는 전력 네트워크가 용량에 도달되었는지의 여부를 결정하는데 도움을 주는 역할을 할 수 있다. 전력 네트워크가 그의 최대 용량에 도달되었다는 것이 블록(333)에서 결정되는 경우, 블록(334)에서, 전기 텐셔너에 의해 생성된 에너지가 다른 전력 소비를 위해 AC 전력 네트워크에 전달될 수 있다. 전기 텐셔너에 의해 생성된 에너지는 전력 네트워크가 그의 최대 에너지 용량에 도달될 때까지 AC 전력 네트워크로 계속 전달될 수 있다. 에너지가 전력 네트워크에 흡수될 때, 전력 네트워크의 주파수는 최대 에너지 용량이 되달되었는지를 블록(333)에서 결정하기 위해 모니터링될 수 있다. 블록(333)에서 전력 네트워크가 그의 최대 용량에 도달되었다고 결정된 경우, 블록(336)에서, 전기 텐셔너에 의해 발생된 에너지는 초과 발생된 에너지를 분산시키기 위해 전력 분산 디바이스로 전달될 수 있다.
블록(320)에서 선박이 아래로 움직였다는 것이 결정된 경우, 방법(350)은 블록(340)으로 진행되어 여기서 에너지가 에너지 저장 디바이스로부터 전기 텐셔너로 전달될 수 있다. 예를 들면, 선박이 아래로 움직일 때, 전기 텐셔너에 연결된 와이어는 롤 인한다. 에너지 저장 디바이스들에 저장된 에너지는 공통 DC 배전 버스상에 전달되어 여기서 전기 텐셔너에 전달될 수 있다. 에너지 저장 디바이스로부터 DC 버스로 전달된 에너지는 전기 텐셔너에서 AC/DC 인버터에 의해 AC 에너지로 인버트될 수 있다. 인버트된 AC 에너지는 전기 텐셔너의 모터에 의해 AC 전기 에너지를 위치 에너지로 변환하여 와이어의 인장력을 제어할 수 있다. 전기 텐셔너에 전달되는 에너지 저장 디바이스에 저장된 에너지는 선박이 마지막으로 아래로 움직였을 때 에너지 저장 디바이스에 저장된 에너지 또는 전력 네트워크로부터 충전함으로써 제공되는 에너지일 수 있다.
블록(340)에서, 전기 텐셔너에 전달된 에너지는 또한 AC 전력 네트워크로부터 전송될 수 있다. 또, 전력 네트워크로부터의 에너지는 또한 블록 340에서 충전하기 위한 에너지 저장 디바이스로 전달될 수 있다.
전기 텐셔너에 대한 에너지가 어디로부터 라우팅되어야 하는지를 결정하기 위한 결정들이 행해진다. 예를 들면, 블록(341)에서, 에너지 저장 디바이스가 저장된 충분한 에너지를 갖는지가 결정된다. 일 실시예에서, 저장된 충분한 에너지를 갖는 에너지 저장 디바이스는 그의 최대 용량 중 미리 결정된 퍼센티지에 달하는 에너지를 갖는 것일 수 있다. 예를 들면, UCB에서 최소 레벨은 총 용량의 20% 또는 공칭 전압의 40%일 수 있다. 블록(341)에서 에너지 저장 디바이스가 충분한 에너지가 저장되었다는 것이 결정된 경우, 블록(342)에서, 에너지는 에너지 저장 디바이스로부터 전기 텐셔너로 전달된다. 또한, 블록(331)에서 복수의 에너지 저장 디바이스들이 충분한 에너지를 보유했다는 것이 결정된 경우, 블록(342)에서, 전기 텐셔너로 전달된 에너지는 복수의 에너지 저장 디바이스들로부터 전달되고, 전달된 에너지는 복수의 전기 텐셔너들로 전달될 수 있다. 에너지 저장 디바이스 또는 디바이스들이 고갈되었거나 또는 최대 용량의 미리 결정된 퍼센티지 이하로 방전될 때까지 에너지가 에너지 저장 디바이스 또는 디바이스들로부터 전기 텐셔너에 계속 전달될 수 있다. 에너지가 에너지 저장 디바이스들로부터 전달될 때, 에너지 저장 디바이스들의 에너지는 블록(341)에서 그들이 전기 텐셔너들을 계속 동작시키기에 충분한 에너지를 보유하는지를 결정하기 위해 모니터링된다.
일 실시예에 따라, 블록(341)에서 전기 인장 시스템의 에너지 저장 디바이스들이 충분한 에너지를 갖지 않는다는 것의 결정 후에, 블록(344)에서, 전기 텐셔너에 전달된 에너지는 DC 버스로부터 전달될 수 있다. 예를 들면, 추가의 전력은 AC-DC 변환기를 통해 발전기들로부터 DC 버스로 전달될 수 있다. 또한, 에너지는 DC 버스로부터, 에너지 저장 디바이스들을 충전하기 위해, 방전되거나 고갈된 에너지 저장 디바이스들로 전달될 수 있다. 고갈된 에너지 저장 디바이스들을 충전함으로써, 전기 텐셔너들에 의해 요구된 에너지는 선박이 위로 움직이는 다음 주기에 에너지 저장 디바이스들로부터 전달될 수 있다.
도 3b의 방법(350)에서 기술된 에너지의 관리를 통해, 전기 인장 시스템은 텐셔너들에 의한 손실들과 달리 DC 버스로부터의 거의 제로 에너지 소비를 갖는 독립적인 에너지 변환 시스템일 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 위치와 라이저 인장력 사이의 관계를 도시하는 그래프이다. 선박 위치 대 시간 그래프(402)는 선박이 경험할 수 있는 움직임의 예시를 제공한다. 영역(430) 중에서와 같이 선박이 아래로 움직일 때, 전기 텐셔너는 에너지 저장 디바이스들 또는 전력 네트워크로부터 에너지를 수신할 수 있다. 일 실시예에서, 블록(320)에서 결정이 시간 영역(430) 동안 선박이 수직으로 아래로 움직이는 것으로 결정하기 때문에, 이러한 시간 영역(430) 동안, 도 3b의 블록(340)에서 동작들이 수행될 수 있다. 영역(440) 동안과 같이, 선박이 위로 움직일 때, 전기 텐셔너는 에너지 저장 시스템에 저장되거나, 전력 네트워크로 전달되거나, 전력 소산 장치에서 분산될 수 있는 에너지를 생성할 수 있다. 또한, 블록(320)에서 결정이 이러한 시간 영역 동안 선박이 위로 움직인다고 결정할 수 있기 때문에, 도 3b의 블록(330)에서 동작들이 수행될 수 있다.
라이저 인장력 대 시간 그래프(404)는 시간에 따라 하이드로 공압 및/또는 전기 텐셔너들에 의해 전달된 총 인장력의 예시를 제공한다. 총 인장력(410)은 선박 위치 대 시간 그래프(402)에 표시된 선박의 수직 위치 변동들에도 불구하고 모든 시간들에서 거의 일정하게 유지될 수 있다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 속도와 라이저 인장력 사이의 관계를 도시하는 그래프이다. 그래프(452)는 해양에서 파도들을 경험하는 선박의 수직 속도를 기록한다. 그래프(454)는 그래프(452)와 동일한 시간 기간 동안 와이어에 전달된 인장력을 기록한다. 선박이 아래로 내려오는 파도 주기의 제 1 절반 동안, 시간 기간(464)에서 더 작은 인장력이 라인에 가해진다. 시간 기간(464) 동안, 더 적은 에너지가 전기 텐셔너들에 의해 위치 에너지로 변환된다. 선박이 위로 올라오는 파도 주기의 제 2 절반 동안, 시간 기간(462)에서 더 큰 인장력이 라인에 가해진다. 시간 기간(462) 동안, 전기 에너지는 AC 전력 네트워크 블랙 아웃 상태 동안 시스템 손실들을 보상하고 신뢰도를 증가시키기 위해 파도의 움직임으로부터 획득될 수 있다.
라이저 하이브리드 인장 시스템의 전체 성능은 일 실시예에 따른 라이저 하이브리드 인장 시스템 내 인장력들의 그래프들을 도시하는 도 4c에 도시된다. 도 4a 내지 도 4c는 인장력들의 AC 부분을 도시한다. 각각의 그래프의 y축은 인장력들의 DC 부분을 무시한다. 인장력들의 각각은 거의 일정할 수 있고, AC 부분들에서 도시된 바와 같이 단지 작은 범위에서 변한다. 그래프(464)는 라이저의 상부에서 측정되는 요청된 하중 인장력을 도시한다. 그래프(464)는 하이드로 공압 텐셔너에 의해 전달된 인장력을 도시하고, 그래프(466)는 전기 텐셔너에 의해 전달된 인장력을 도시한다. 그래프(466)에서 전기 텐셔너에 의해 가해진 인장력은 그래프(464)에서 하이드로 공압 텐셔너에 의해 가해진 인장력으로부터 180도 벗어나, 하이드로 공압 텐셔너 및 전기 텐셔너에 의해 전달된 인장력의 합계는 그래프(462)에 도시된 요청된 인장력을 제공한다. 상기에 개시된 라이저 하이브리드 인장을 사용할 때, 도 2a의 제어기(202)에 의해 제어될 수 있는 융기 보상은 더 높은 정확도를 가질 수 있다. 따라서, 라이저 주기 피로 수명은 라이저 하이브리드 인장 시스템을 사용함으로써 개선될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 하이브리드 인장 시스템에서 에너지의 라우팅의 예시(500)이다. 예시(500)는 도 3b에 도시된 바와 같이 에너지의 관리 및 라우팅을 시각적으로 도시한다. 일 실시예에서, 도 5의 AC 전력 네트워크(550), 전력 소산 장치(540), 텐셔너(510), 및 울트라-캐퍼시터 뱅크(520)는 각각 도 2a에 도시된 AC 전력 네트워크(272), 전력 소산 장치(240), 전기 텐셔너(210), 및 에너지 저장 디바이스(220)일 수 있다. 일 예시로서, 화살표(502)는 에너지가 도 3c의 블록(342)에 도시된 바와 같이 UCB(520)로부터 전기 텐셔너(510)로 전달될 수 있다는 것을 도시한다. 일 실시예에서, 라이저 하이브리드 인장 시스템 내 상이한 요소들로의 및 그로부터의 에너지의 라우팅을 제어하는 것은 도 2a의 제어기(250)에 의해 수행될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 디바이스들에 대한 제어 방식(600)을 도시한다. 이러한 실시예에서, 제어될 에너지 저장 디바이스는 울트라-캐퍼시터 뱅크(UCB)일 수 있고, 도 6의 DC/DC 전력 초퍼(DDPC; 620)는 도 2a의 DDPC(221)일 수 있다. 실시예에 따라, 더 빠른 샘플링 레이트를 갖는 피드백 제어기는 전력 관리 제어기로부터 수신된 신호에 기초하여 각각의 UCB의 내부의 전력, 전압, 및 전류를 조정하기 위해 사용될 수 있다. 외부의 전력 제어 루프는 UCB 전압 설정값을 규정할 수 있다. UCB 전압 설정값을 규정할 수 있는 제어 루프는 도 2a의 제어기(250)와 같은 상위 레벨 조정 제어기로부터 수신된 kW 기준에 따라 UCB가 전력을 공급하거나 흡수하게 강제할 수 있다. 기준 전력(621)과 측정된 UCB 전력(622) 사이의 차(623)는 UCB 전압 기준(602)을 설정할 수 있는 전력 조절기(624)를 통해 송신될 수 있다. 기준 전압(602)과 측정된 UCB 전압(604) 사이의 차(606)는 UCB 전류 기준(610)을 설정할 수 있는 전압 조절기(608)를 통해 송신될 수 있다. 또한, DDPC의 듀티 사이클(618)은 전류 기준(610)과 측정된 전류(612) 사이의 에러(614)에 기초하여 전류 조절기(616)에 의해 생성될 수 있다. 이러한 제어 방식(600)은 UCB들이 텐셔너 시스템에서 에너지 요구를 보상하게 할 수 있다. 제어 방식은 하나보다 많은 DDPC(620)을 동시에 제어할 수 있는 제어기(630)로 구현될 수 있다.
전력 관리 제어기는 특정 UCB의 과도한 고갈을 피하기 위해서 각각의 UCB에서 에너지를 균등하게 유지하기 위해 이러한 토폴로지에서 사용될 수 있어, 모든 UCB들의 수명들이 균형이 잡혀진다. 에너지 서지가 전기 텐셔너들로부터 재생될 때, 에너지 저장 시스템으로 흐르는 전력의 양은 다음에 보여지는 바와 같이 그의 자유 체적 대 모든 UCB들의 총 자유 체적의 퍼센티지에 따라 각각의 UCB에 분배될 수 있다:
Figure 112014067730440-pct00002
여기서 Pi(u = 1,..., n)는 i번째 UCB에 분배된 전력이고, PTOTAL은 인장 시스템으로부터 재생된 총 전력이고, Ci는 i번째 UCB의 캐퍼시턴스이고, Vi 및 Vi _ FULL은 i번째 UCB의 실제 전압 및 공칭 전압이다. 에너지가 전기 텐셔너들에 의해 소비될 때, 에너지 저장 시스템으로부터 전달된 전력의 양은, 다음에서 보여지는 바와 같이, 그의 충전 상태(SOC) 대 모든 UCB들의 총 SOC의 퍼센티지에 따라 각각의 UCB로부터 회수될 수 있다:
Figure 112014067730440-pct00003
개시된 신규의 라이저 하이브리드 인장 시스템에 의해, 능동 융기 보상 제어, 반동 방지 제어, 와유기 진동(VIV) 억제 제어, 및 라이저 위치 제어와 같은 라이저 제어 시스템들에서 채용된 수 개의 제어 모드들이 강화될 수 있다. 더 빠른 응답 시간들은 반동 방지 동작 동안 라이저가 밖으로 뛰쳐나가는 것을 방지할 수 있는 동적 응답 프로파일을 제공한다. 또한, 라이저 하이브리드 인장 시스템은 VIV를 능동적으로 억제할 수 있는 가변적인 인장력들을 전달할 수 있다.
상기에 개시된 라이저 하이브리드 인장 시스템을 이용하는, 능동 융기 보상 제어 모드와 같은, 수 개의 제어 모드들이 구현될 수 있다. 이러한 제어 모드에서, 전기 인장 시스템은 라이저 상부에서 인가된 인장력을 안전 범위내 있도록 유지하기 위해 라이저 상부 기준 프레임에서 원하는 선박 융기 궤도를 추적하도록 설정될 수 있다.
완전한 능동 융기 보상 제어 알고리즘은 토크 기준들을 계산하고 능동 융기 보상 시스템을 제어하기 위해 도 2a의 제어기(202)내에 임베딩될 수 있다. 도 4c에 도시된 바와 같이 라이저상에 유도된 힘의 교란들 및 모든 움직이는 기계들의 가속을 보상하기 위해 전기 및 하이드로 공압 텐셔너들 모두에 의해 총 전달된 인장력을 최적화하기 위해, 계산된 기준 신호들은, 전기 인장 시스템에서 모터가 와이어를 롤 인 또는 롤 아웃하도록 효율적으로 제어하도록 AC/DC 인버터로 입력될 수 있다. 상기 개시된 라이저 하이브리드 인장 시스템의 사용시, 도 2a의 제어기(202)에 의해 제어될 수 있는 융기 보상은 개선된 제어 응답 시간 및 더 높은 정확도를 가질 수 있다. 따라서, 라이저 주기적 피로 수명은 라이저 하이브리드 인장 시스템을 사용함으로써 개선될 수 있다.
일 실시예에서, 사용될 수 있는 다른 제어 모드는 라이저 기저부로부터 LMRP의 상부까지의 바람직한 수분 제거를 달성하기 위해 또는 종단 정지의 순간에 시추 플로어로부터 라이저 상부까지의 안전한 에어 갭 거리를 유지하기 위한 것과 같은 바람직한 목표에 따라 제어된 방식으로 라이저 스트링을 위로 움직이기 위한 반동 방지 모드이다. 이러한 제어 모드에서, 전기 텐셔너에 대한 제어 전략은 모터 출력 토크와 와이어 관련 변위 사이의 고정된 관계 기능일 수 있다. 고정된 관계 전략은 라이저 인장 시스템이 반동 방지 모드에 있을 수 있는 긴급 접속 해제 시나리오 동안 전기 텐셔너들을 제어하기 위해 도 2a의 제어기(202)와 같은 제어기 내에 임베딩될 수 있다. 라이저 하이브리드 인장 시스템을 사용하는 반동 방지 제어에 대한 다른 실시예는 라이저 스트링이 정지할 때까지 라이저 스트링의 제어된 감속 프로파일을 달성하기 위해 전기 텐셔너들에 의해 전달된 인장력 및 인장력의 관련 변위를 제어하는 피드백 제어 전략을 포함할 수 있다. 반동 방지 모드에 대한 이러한 제어 알고리즘이 또한 제어기 내에 임베딩될 수 있다. 예를 들면, 반동 방지 모드에서 동작할 때, 도 2a의 제어기(202)는 시추 라이저상에서 위쪽의 견인력을 감소시키도록 전기 텐셔너들을 제어하도록 구성될 수 있다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이저 인장 시스템에 대한 반동 방지 제어기를 도시하는 블록도이다. 제어기(290)는 라이저 하이브리드 인장 시스템을 제어하는 캐스케이드 비례 적분 미분(PID) 제어기들을 포함할 수 있다. 제 1 PID 제어기(292)는 도 2a의 제어기(202)로부터 기준 위치 신호(POS), 및 도 2a의 위치 센서(216)로부터 전기 텐셔너(ET) 드라이브(296)로부터의 피드백 신호(FB)를 수신할 수 있다. 제 1 PID 제어기(292)는 와이어선 변위 제어를 수행하기 위한 제어기(290)의 외부 루프일 수 있다. 제 1 PID 제어기(292)의 출력은 제 2 PID 제어기(294)에 대한 입력으로서 제공되고, 이는 또한 도 2a의 선박 본체 위에 위치한 움직임 기준 유닛(MRU; 233)으로부터와 같은 선박 속도(V)에 관한 정보, 및 ET 드라이브(296)로부터의 피드백 신호(FB2)를 수신한다. 제 2 PID 제어기(294)는 와이어선 속도 제어를 수행하기 위한 제어기(290)의 내부 루프일 수 있다.
반동 방지 트리깅 방법은 라이저상에 위치된 도 2a의 MRU(232)와 선박 본체 상의 도 2a의 MRU(233) 사이의 상대적인 수직 운동을 비교하는 것일 수 있다. 차이가 특정 한도를 초과하는 경우, 반동 방지 시스템이 트리거된다.
또한, 라이저에 장착된 MRU는 라이저 분리에 의해 야기된 라이저에서 2차 일시적 충격파들을 측정할 수 있다. 2차 일시적 충격파가 라이저 본체의 속도보다 훨씬 빠른 속도로 라이저를 따라 움직이기 때문에, 라이저의 반동은 2차 일시적 충격파를 모니터링함으로써 더 빠르게 검출될 수 있다. 충격파가 검출될 때, 하이드로 공압 텐셔너들은 라이저로부터 언로드될 수 있고, 전기 텐셔너들은 라이저 반동에 대응하기 위해 라이저상의 인장력을 조정할 수 있다.
라이저 하이브리드 인장 시스템은 VIV를 감소시키고 라이저 피로 수명을 연장하기 위해 라이저의 상부에 유도된 교란들을 보상하는 VIV 억제를 위한 제어 모드로 동작할 수 있다. 상대적인 수평 위치 또는 속도의 비교는 라이저상에 위치된 도 2a의 MRU(232)와 선체상의 도 2a의 MRU(233) 사이에서 수행될 수 있다. 라이저에 대한 적절한 모델 및 적절한 제어 알고리즘에 의하여, 도 2a의 제어기(202)에 의해 제어된 전기 텐셔너는 VIV 크기 및 주파수를 감소시켜서, 라이저 파이프의 피로 손상을 감소시키고 전체 라이저 시스템들 유효성을 증가시킨다. 라이저 하이브리드 인장 시스템을 사용하는 것은 그의 원래의 위치의 약간 근방에서 라이저 상부를 안정화하도록, 즉, 기준 평면을 횡단하는 x 및 y축에서 라이저의 진동 변위를 감소시키도록 설정될 수 있다. 파괴적인 와유기 진동은 실제로 시간에 따라 라이저 피로 장애를 야기하는 불규칙적인 공진 진동 상태이다. 다른 VIV 제어 전략은 수직 방향들에서 동적 상부 인장력들을 인가함으로써 라이저 스트링 와류 발산이 라이저 고유 주파수에 입력되는 것을 방지하도록 설정될 수 있다. 예를 들면, 수중 VIV 패턴은 작은 교란을 라이저의 상부로부터의 공진 위치 및 운동 에너지로 도입함으로써 붕괴될 수 있다.
능동 라이저 위치 제어는 도 2a의 제어기(202)에서 구현된 이러한 하이브리드 라이저 인장 시스템을 사용하여 라이저 스트링을 위지 지정하고 및/또는 재 위치시키기 위해 적용될 수 있다. 예를 들면, 분출 방지 장치(BOP)로부터 분리된 라이저 스트링은 선박이 새로운 웰 중앙으로 재위치되는 동안 선박으로 매달려질 수 있다. 이러한 시간 동안, 라이저 스트링은 해양에서 파도들을 증폭하는 스프링으로 작용할 수 있다. 전기 텐셔너들은 하나의 웰 중앙으로부터 다른 웰 중앙으로 라이저 스트링의 움직임 동안 라이저 스트링에서 질량 스프링 효과(mass spring effect)를 제거하도록 수중에서의 정확한 위치를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
전기 텐셔너들은 또한 라이저 스트링의 단부에서 더 낮은 해양 라이저 패키지(LMRP)를 분출 방지 장치상에 다시 재연결하기 위해 사용될 수 있다. 라이저 하이브리드 인장 시스템은 하이드로 공압 시스템에 비해 분출 방지 장치(BOP) 상에 LMRP를 재연결시에 소비되는 시간을 감소시킬 수 있는 정확한 LMRP 위치 제어를 제공할 수 있다. 라이저 하이브리드 인장 시스템은 원격 조정 운송 수단들의 적절한 조정에 의해 전기 텐셔너들의 레버리징을 통해 BOP상에 다시 LMRP를 직접적이고 안전하게 위치시킬 수 있다. 또한, 운영자는 LMRP와 BOP 사이의 적절한 거리를 제어할 수 있다. 여기서 라이저 재연결 모드에서 동작하는 제어기는 선박 융기 모션을 보상함으로써 LMRP와 BOP 사이의 거리를 제어하도록 위치 제어 모드에서 구성되고 동작될 수 있다. 일 실시예에 따라, LMRP 및 BOP가 하이브리드 텐셔너들에 의해 위치 제어를 통해 함께 웰 헤드상에 위치되도록 LMRP는 BOP에 연결될 수 있다.
전기 텐셔너들은 또한 이중-기능 선박상의 제 1 시추 스테이션으로부터 다른 시추 스테이션으로의 라이저 스트링의 움직임을 용이하게 할 수 있다. 예를 들면, 제 1 시추 스테이션은 웰 헤드를 구성할 수 있고, 제 2 스테이션은 라이저 스트링을 구성할 수 있다. 이후, 전기 텐셔너들은 제 2 시추 스테이션으로부터 제 1 시추 스테이션으로 라이저 스트링을 움직이기 위해 라이저 스트링에 결합된 와이어의 길이들을 조정할 수 있다. 도 7a 및 도 7b는 본 명세서의 일 실시예에 따라 전기 텐셔너들에 의해 시추 스테이션들 사이에 라이저 스트링의 움직임을 도시하는 블록도들이다. 도 7a는 데릭(derrick; 710)에 부착된 라이저 스트링(702)을 도시한다. 라이저 스트링(702)은 전기 텐셔너들(730, 732)에 의해 제 위치에 고정될 수 있다. 라이저 스트링(702)이 제 2 시추 스테이션에 부착될 때, 전기 텐셔너(732)를 연결하는 와이어들은, 도르래들(722)을 제 1 스테이션으로 롤링하고 또한 와이어들의 길이를 및 따라서, 텐셔너(732)와 라이저 스트링(702) 사이의 거리를 감소시키기 위하여 높은 인장력 상태일 수 있다. 도 7b는 제 1 시추 스테이션 위에 데릭(710)에 부착된 라이저 스트링(702)을 도시한다. 전기 텐셔너(730)를 결합하는 와이어들은 도르래들(722)을 제 2 스테이션으로 롤링하고 와이어들의 길이, 및 따라서, 라이저 스트링(702)과 텐셔너(730) 사이의 거리를 감소시키도록 조정될 수 있다. 텐셔너들(730, 732)은 선박상의 랙(rack; 720)에 부착된 도르래들(722)을 통해 라이저(702)에 결합될 수 있다.
본 발명 및 그의 이점들은 상세하게 기술되지 않았지만, 첨부하는 청구항들에 의해 규정되는 명세서의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고 다수의 변경들, 대체들 및 대안들이 여기에 행해질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 본 출원의 범위는 명세서에 기술된 프로세스, 머신, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법들, 및 단계들의 특정한 실시예들로 제한되도록 의도되지 않는다. 본 기술의 보통의 숙련자는 본 명세서에 따라 이용될 수 있는 여기에 기술된 대응하는 실시예들과 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 또는 여기에 기술된 대응하는 실시예들과 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현재 존재하거나 이후에 개발될, 현재의 프로세스들, 개시물, 머신들, 제작, 물질의 조성, 수단, 방법들, 또는 단계들로부터 쉽게 인식될 것이다. 따라서, 첨부된 청구항들은 이러한 프로세스들, 머신들, 제조, 물질의 조성들, 수단, 방법들, 또는 단계들을 그들의 범위내에 포함하도록 의도된다.
200 : 라이저 인장 시스템 202 : 인장력 제어기
210 : 전기 텐셔너들 211 : VFD형 인버터
230 : 시추 라이저 231 : 와이어들
250 : 전력 관리 시스템 260 : AFE 정류기
270 : 공통 DC 배전 버스 272 : AC 버스

Claims (36)

  1. 장치에 있어서,
    직류(DC) 배전 버스;
    상기 DC 배전 버스에 연결된 에너지 저장 시스템으로서,
    에너지 저장 디바이스, 및
    상기 에너지 저장 디바이스 및 상기 DC 배전 버스에 연결된 양방향 전력 변환기를 포함하는, 상기 에너지 저장 시스템;
    상기 DC 배전 버스에 연결된 전력 소산 장치;
    시추 라이저(drilling riser);
    상기 시추 라이저에 연결된 복수의 와이어들;
    상기 복수의 와이어들 중 제 1 및 제 2 와이어를 통해 상기 시추 라이저에 연결되고 상기 배전 버스에 연결된 제 1 및 제 2 전기 텐셔너; 및
    제어기로서,
    상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들에 인장력을 분배하고;
    상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들을 제어하여, 상기 제 1 및 제 2 와이어들의 인장력을 조정하도록 구성된, 상기 제어기를 포함하는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 와이어들 중 제 3 와이어를 통해 상기 시추 라이저에 연결된 하이드로 공압 텐셔너를 더 포함하고,
    상기 제어기는 또한:
    상기 하이드로 공압 및 전기 텐셔너들에 의해 전달된 인장력들을 측정하고;
    상기 하이드로 공압 및 전기 텐셔너들의 상기 측정된 인장력들에 부분적으로 기초하여 상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들에 대한 인장력을 결정하도록 구성되는, 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한:
    시추 선박 융기 상대적인 위치(drilling vessel heave relative position);
    시추 선박 속도 및 가속도;
    시추 라이저 위치;
    시추 라이저 속도;
    시추 라이저 가속도; 및
    인장력 측정치, 중 적어도 하나에 기초하여 상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들에 대하여 상기 인장력을 결정하는, 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 소산 장치 및 상기 DC 배전 버스에 연결된 단방향 전력 변환기를 더 포함하는, 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 능동 융기 보상 모드에서 선박 융기 움직임을 보상하기 위해 상기 복수의 와이어들의 길이를 조정함으로써 더 낮은 선박 라이저 패키지와 분출 방지 장치 사이의 거리를 제어하도록 구성되는, 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 와유기 진동(VIV) 억제 모드에서 상기 시추 라이저에서 공진 상태들을 감소시키기 위해 상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들을 제어하여 동적 인장력들을 적용하도록 구성되는, 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 반동 방지 모드에서 상기 시추 라이저에 대한 상부 견인력을 동적으로 제어하기 위해 상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들을 제어하도록 구성되는, 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 제 1 웰 중앙으로부터 제 2 상이한 웰 중앙으로의 선박의 움직임 동안 상기 시추 라이저에서 질량 스프링 효과(mass spring effect)를 제거하기 위해 상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들을 제어하여 수중 선박 위치에 관하여 상기 시추 라이저의 상대적인 위치를 제어하도록 구성되는, 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 이중-기능 시추 선박에 대해 상이한 시추 스테이션상에 상기 시추 라이저를 재위치시키기 위하여 상기 제 1 및 제 2 와이어들의 길이를 조정하도록 구성되는, 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 텐셔너에 연결되고 상기 제어기에 연결된 위치 센서; 및
    상기 시추 라이저에 부착되고 상기 전기 텐셔너에 연결되고 상기 제어기에 연결된 움직임 기준 유닛(MRU)으로서, 상기 제어기는 상기 위치 센서 및 상기 움직임 기준 유닛으로부터 수신된 데이터에 부분적으로 기초하여 상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들을 제어하도록 구성되고, 상기 제어기는:
    내부 피드백 루프를 실행하는 제 1 제어기, 및
    외부 피드백 루프를 실행하는 제 2 제어기를 포함하는, 상기 움직임 기준 유닛(MRU)을 더 포함하는, 장치.
  13. 방법에 있어서,
    텐셔너에 의해 전달된 인장력을 측정하는 단계;
    상기 측정된 인장력에 부분적으로 기초하여 복수의 전기 텐셔너들에 대하여 인장력을 결정하는 단계;
    상기 복수의 전기 텐셔너들에 상기 결정된 인장력을 분배하는 단계;
    상기 결정된 인장력에 부분적으로 기초하여 상기 복수의 전기 텐셔너들을 제어하는 단계;
    에너지 저장 디바이스로부터 상기 복수의 전기 텐셔너들 중 하나의 전기 텐셔너로 에너지를 전달하는 단계; 및
    상기 복수의 전기 텐셔너들 중 하나의 전기 텐셔너로부터의 에너지를 상기 에너지 저장 디바이스에 저장하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 텐셔너에 의해 전달된 인장력을 측정하는 단계는 하이드로 공압 텐셔너에 의해 전달된 인장력을 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수의 전기 텐셔너들을 제어하는 단계는 능동 융기 보상 모드에서 선박 융기 움직임을 보상하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수의 전기 텐셔너들을 제어하는 단계는 와유기 진동(vortex-induced vibration; VIV) 억제 모드에서 시추 스트링에서 공진 상태들을 감소시키는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수의 전기 텐셔너들을 제어하는 단계는 반동 방지 모드에서 시추 라이저상의 상부 견인력을 동적으로 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 삭제
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 디바이스로부터 에너지를 전달하는 단계는:
    상기 전기 텐셔너에 연결된 와이어를 롤 인하는(rolling in) 단계;
    상기 에너지 저장 디바이스로부터 에너지를 공통 DC 배전 버스상에 전달하는 단계;
    상기 공통 DC 배전 버스상의 DC 에너지로부터의 에너지를 AC 에너지로 인버트하는 단계; 및
    전기 에너지를 위치 에너지로 변환하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수의 전기 텐셔너들 중 하나의 전기 텐셔너로부터의 에너지를 저장하는 단계는:
    상기 전기 텐셔너에 연결된 와이어를 롤 아웃하는(rolling out) 단계;
    위치 에너지를 교류 전기 에너지로 변환하는 단계;
    교류 에너지를 직류 에너지로 인버트하는 단계; 및
    직류 에너지를 상기 에너지 저장 디바이스에 저장하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제 13 항에 있어서,
    선박이 위로 상승하고 있을 때 상기 복수의 전기 텐셔너들로부터 더 큰 인장력을 인가하고,
    상기 선박이 아래로 하강하고 있을 때 상기 복수의 전기 텐셔너들로부터 더 적은 인장력을 인가함으로써, 파동 에너지를 획득하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  22. 제 13 항에 있어서,
    충전, 전력, 전압, 및 전류의 상태 중 적어도 하나에 기초하여 상기 에너지 저장 디바이스에서 에너지를 관리하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수의 전기 텐셔너들에 대하여 인장력을 결정하는 단계는 또한:
    하이드로 공압 텐셔너에 의해 전달된 인장력;
    전체 시스템의 총 요구된 인장력;
    상기 시스템에서 하이드로 공압 텐셔너들의 총 수; 및
    상기 시스템에서 전기 텐셔너들의 총 수, 중 적어도 하나에 기초하는, 방법.
  24. 장치에 있어서,
    직류(DC) 배전 버스;
    시추 라이저;
    상기 시추 라이저에 연결된 복수의 와이어들;
    상기 복수의 와이어들 중 제 1 및 제 2 와이어를 통해 상기 시추 라이저에 연결되고 상기 배전 버스에 연결된 제 1 및 제 2 전기 텐셔너; 및
    제어기로서,
    상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들에 인장력을 분배하고;
    상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들을 제어하여, 상기 제 1 및 제 2 와이어들의 인장력을 조정하도록 구성된, 상기 제어기;
    상기 전기 텐셔너에 연결되고 상기 제어기에 연결된 위치 센서; 및
    상기 시추 라이저에 부착되고 상기 전기 텐셔너에 연결되고 상기 제어기에 연결된 움직임 기준 유닛(motion reference unit; MRU)으로서, 상기 제어기는 상기 위치 센서 및 상기 움직임 기준 유닛으로부터 수신된 데이터에 부분적으로 기초하여 상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들을 제어하도록 구성되고, 상기 제어기는:
    내부 피드백 루프를 실행하는 제 1 제어기, 및
    외부 피드백 루프를 실행하는 제 2 제어기를 포함하는, 상기 움직임 기준 유닛(MRU)을 포함하는, 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 복수의 와이어들 중 제 3 와이어를 통해 상기 시추 라이저에 연결된 하이드로 공압 텐셔너를 더 포함하고,
    상기 제어기는 또한:
    상기 하이드로 공압 및 전기 텐셔너들에 의해 전달된 인장력들을 측정하고;
    상기 하이드로 공압 및 전기 텐셔너들의 상기 측정된 인장력들에 부분적으로 기초하여 상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들에 대한 인장력을 결정하도록 구성되는, 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한:
    시추 선박 융기 상대적인 위치;
    시추 선박 속도 및 가속도;
    시추 라이저 위치;
    시추 라이저 속도;
    시추 라이저 가속도; 및
    인장력 측정치, 중 적어도 하나에 기초하여 상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들에 대한 상기 인장력을 결정하는, 장치.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 DC 배전 버스에 연결된 에너지 저장 시스템; 및
    상기 DC 배전 버스에 연결된 전력 소산 장치를 더 포함하는, 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 시스템은:
    에너지 저장 디바이스; 및
    상기 에너지 저장 디바이스 및 상기 DC 배전 버스에 연결된 양방향 전력 변환기를 포함하는, 장치.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 전력 소산 장치 및 상기 DC 배전 버스에 연결된 단방향 전력 변환기를 더 포함하는, 장치.
  30. 제 24 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 능동 융기 보상 모드에서 선박 융기 움직임을 보상하기 위해 상기 복수의 와이어들의 길이를 조정함으로써 더 낮은 선박 라이저 패키지와 분출 방지 장치 사이의 거리를 제어하도록 구성되는, 장치.
  31. 제 24 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 와유기 진동(VIV) 억제 모드에서 상기 시추 라이저에서 공진 상태들을 감소시키기 위해 상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들을 제어하여 동적 인장력들을 적용하도록 구성되는, 장치.
  32. 제 24 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 반동 방지 모드에서 상기 시추 라이저에 대한 상부 견인력을 동적으로 제어하기 위해 상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들을 제어하도록 구성되는, 장치.
  33. 제 24 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 제 1 웰 중앙으로부터 제 2 상이한 웰 중앙으로의 선박의 움직임 동안 상기 시추 라이저에서 질량 스프링 효과를 제거하기 위해 상기 제 1 및 제 2 전기 텐셔너들을 제어하여 수중 선박 위치에 관하여 상기 시추 라이저의 상대적인 위치를 제어하도록 구성되는, 장치.
  34. 제 24 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 이중-기능 시추 선박에 대해 상이한 시추 스테이션상에 상기 시추 라이저를 재위치시키기 위하여 상기 제 1 및 제 2 와이어들의 길이를 조정하도록 구성되는, 장치.
  35. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 제어기는 비례-적분-미분(PID) 제어기이고, 상기 제 2 제어기는 비례-적분-미분(PID) 제어기인, 장치.
  36. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 제어기는 비례-적분-미분(PID) 제어기이고, 상기 제 2 제어기는 비례-적분-미분(PID) 제어기인, 장치.
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