海洋钻井平台钻柱液压升沉补偿（2）被动式与主动式
1 被动式升沉补偿系统
被动式升沉补偿系统原理如图3所示，该系统的补偿动力来源于船的升沉。当船上升时，蓄能器内的气体进一步被压缩以补偿上升位移并储存能量；当船下沉时，蓄能器内的气体膨胀以补偿下沉位移，蓄能器储存的能量被释放。由图3可以看出，被动式升沉补偿系统相当于是一个空气或液压空气弹簧，依靠海浪的举升力和船自身的重力来压缩和释放蓄能器中的压缩空气，从而实现升沉补偿。
被动式升沉补偿系统仿真模型如图4所示。其中hook模拟大钩，piston模块模拟补偿缸的活塞，brp模块模拟补偿缸，accumulator模块为蓄能器，signal01输出船的升沉，signal02输出大钩载荷给补偿缸。通过补偿缸活塞的位移，换算出大钩的位移。
对于被动式升沉补偿系统，蓄能器体积是影响补偿效果的重要参数。模型中分别取蓄能器体积为20、25、30m3进行仿真，结果如图5所示。可以看出，随着蓄能器体积增大，大钩的位移减小。
图6为大钩位移和蓄能器体积的关系曲线，可以看出，增大蓄能器贮罐体积可以改善补偿效果。但是当蓄能器体积增大到一定值时，通过增大蓄能器贮罐容积来减小大钩位移变化的效果迅速降低。
被动式升沉补偿系统的优点是安全、操作和结构简单、质量轻，可满足各种安装要求，几乎不消耗动力，因此应用比较广泛。但是在实际应用中，其最大缺点是补偿精度低、补偿性能不稳定、滞后比较大。当承受的负载很大而允许的负载变化又很小时，所需的蓄能器容积比较大，成本高。当蓄能器的容积超过一定值时，通过增大蓄能器容积来减小负荷变化的效果迅速降低。
2 主动式升沉补偿系统
图7为主动式升沉补偿系统原理，该系统是一套闭环反馈系统，依靠补偿系统本身的动力机的能源来工作(例如，液压泵)，大钩作上下运动时，位移传感器输出的补偿缸活塞位移信号与给定的控制规律进行比较后获得的偏差信号传递给控制器。图7中的变量泵是双向变量泵，当船下沉时，控制器输出的控制信号为正，变量泵向补偿缸的下油腔输送液体，使活塞向上运动；当船上升时，控制器输出的控制信号为负，变量泵从补偿缸下油腔排出液体，从而使补偿缸活塞向下运动来补偿大钩位移。
参照图7构建主动式升沉补偿系统的仿真模型。模型中采用PID控制，使得信号的静态误差变小，抗干扰能力增强，补偿精度提高。
能耗是主动式升沉补偿系统的主要参数。主动式升沉补偿系统需要用外部能量来支持每一次载荷循环所需要的功。图8为主动式升沉补偿系统补偿效果与功率曲线，可以看出，补偿效果越好，消耗的能量越大。当大钩位移在±110mm以内时，该模型中消耗的最大功率为1960kW，1次升沉消耗的能量为l642kJ。可见主动式升沉补偿系统要求的瞬时功率很大，该类型补偿系统的初始费用很高，需要的瞬时功率大，能耗较高。
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