自升式鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)的分析與研究

李云鵬，楊秀菊，雷萬征，羅佩豪，曹會(huì)寧（中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西　寶雞　721002）

自升式鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)的分析與研究

李云鵬，楊秀菊，雷萬征，羅佩豪，曹會(huì)寧（中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002）

海洋石油鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)是平臺(tái)電氣控制系統(tǒng)的核心組成部分，該系統(tǒng)通過將發(fā)電系統(tǒng)、輸電變電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)相結(jié)合，并將它們與用電負(fù)載相連接，最終形成平臺(tái)完整的電力系統(tǒng)框架，同時(shí)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)電氣控制的邏輯功能。本文通過對(duì)目前典型自升式鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究，為相關(guān)工程技術(shù)人員提供有益參考。

自升式鉆井平臺(tái)；電力系統(tǒng)；系統(tǒng)框架；邏輯功能

1　引言

海洋石油鉆井平臺(tái)是目前海洋石油勘探開發(fā)的主要載體，而自升式鉆井平臺(tái)是目前海洋平臺(tái)的重要組成部分。鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)將發(fā)電系統(tǒng)、輸電變電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)相結(jié)合，并將它們與用電負(fù)載相連接，最終形成平臺(tái)完整的電力系統(tǒng)框架，同時(shí)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)電氣控制的邏輯功能。平臺(tái)電力系統(tǒng)屬于平臺(tái)的重要系統(tǒng)，是海洋平臺(tái)電氣控制系統(tǒng)的核心組成部分。

2　鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)的概述

2.1鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)的基本組成

對(duì)于鉆井平臺(tái)而言，其電力系統(tǒng)基本組成包括四大部分：

（1）發(fā)電系統(tǒng)，包括柴油發(fā)電機(jī)組、發(fā)電控制系統(tǒng)及其它相關(guān)配套設(shè)備等。正常情況下，每座平臺(tái)應(yīng)設(shè)置一個(gè)至少包括兩套發(fā)電機(jī)組的主電源[1]。

（2）輸電變電系統(tǒng)，包括電纜、變壓器、電力電子設(shè)備及其它相關(guān)配套設(shè)備等。對(duì)于重要的電力變壓器，還需確保其配置能夠?qū)崿F(xiàn)供電的連續(xù)性[2]。

（3）配電系統(tǒng)，包括配電盤、配電箱等。

（4）用電負(fù)載，包括電機(jī)、照明燈具、儀器儀表、自動(dòng)化設(shè)備等。

2.2鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)的基本功能

對(duì)于鉆井平臺(tái)而言，其電力系統(tǒng)基本功能包括三大部分：

（1）發(fā)電功能

該功能主要指平臺(tái)通過使用柴油機(jī)將柴油燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，之后再通過使用發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。在這個(gè)過程中，發(fā)電系統(tǒng)需要不斷的進(jìn)行發(fā)電控制，以滿足柴油發(fā)電機(jī)組的發(fā)電指標(biāo)與技術(shù)要求相匹配的要求。同時(shí)，發(fā)電控制系統(tǒng)還要進(jìn)行一系列的電氣保護(hù)功能，以滿足平臺(tái)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行要求。

（2）輸電變電功能

該功能分為輸電和變電兩個(gè)部分，輸電功能主要指平臺(tái)通過使用電纜及其它相關(guān)配套設(shè)備，將電能從電源端傳遞到負(fù)載端的過程。變電功能主要指平臺(tái)通過使用變壓器或電力電子設(shè)備，將現(xiàn)有電能變?yōu)槟繕?biāo)電能的過程。

（3）配電功能

該功能主要指平臺(tái)通過使用配電盤、配電箱將電能從電源側(cè)母線分配到負(fù)載設(shè)備的過程。在這個(gè)過程中，配電控制系統(tǒng)還要進(jìn)行一系列的電氣保護(hù)功能，以滿足平臺(tái)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行要求。另外，對(duì)于交流三相系統(tǒng)，應(yīng)在最后分路上將用電設(shè)備加以組合，以保證各相負(fù)載盡可能平衡在其各自額定負(fù)載的15%以內(nèi)[3]。

3　典型自升式鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)的分析與研究

DSJ300自升式鉆井平臺(tái)是中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司為中國(guó)石油技術(shù)開發(fā)公司建造的300ft海洋鉆井平臺(tái)出口項(xiàng)目。該項(xiàng)目由大連船舶重工海洋工程公司和中國(guó)石油渤海裝備遼河重工兩家造船企業(yè)分別承建。

3.1典型自升式鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)的框架分析

（1）發(fā)電系統(tǒng)的框架分析

該平臺(tái)的發(fā)電系統(tǒng)由1套主發(fā)電系統(tǒng)和1套應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)組成。其中主發(fā)電系統(tǒng)主要包括5臺(tái)CAT3516型柴油發(fā)電機(jī)組及相關(guān)配套設(shè)備、5個(gè)發(fā)電控制柜及1個(gè)同步柜。應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)主要包括1臺(tái)CAT3508型發(fā)電機(jī)組及相關(guān)配套設(shè)備、1個(gè)應(yīng)急發(fā)電控制柜。該平臺(tái)配置的5臺(tái)主發(fā)電機(jī)組可以保證該平臺(tái)在船舶用電、升降作業(yè)、正常鉆井、起下鉆作業(yè)、倒劃眼作業(yè)這5種工況下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)仍有1臺(tái)主發(fā)電機(jī)組可以處于待命狀態(tài)。該平臺(tái)配置的1臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組可以保證該平臺(tái)在應(yīng)急情況下向必要的多臺(tái)設(shè)備同時(shí)供電[4]。

（2）輸電變電系統(tǒng)的框架分析

該平臺(tái)的輸電變電系統(tǒng)由輸電系統(tǒng)和變電系統(tǒng)組成。輸電系統(tǒng)主要包括各種規(guī)格的電力電纜、電纜托架、電纜拖鏈、電纜貫穿件、填料函等。變電系統(tǒng)主要包括主變電系統(tǒng)和應(yīng)急變電系統(tǒng)。其中主變電系統(tǒng)包括2臺(tái)600V變400V變壓器、2臺(tái)主400V變230V變壓器、2個(gè)600V變710V變壓器及VFD系統(tǒng)。應(yīng)急變電系統(tǒng)包括1個(gè)應(yīng)急400V變230V變壓器、UPS、24V直流充放電盤等。該平臺(tái)主變電系統(tǒng)配置的雙變壓器框架，可以保證該平臺(tái)在相同電壓等級(jí)的供電路徑上擁有雙重選擇的能力。

（3）配電系統(tǒng)的框架分析

該平臺(tái)的配電系統(tǒng)由主配電系統(tǒng)和應(yīng)急配電系統(tǒng)組成。其中主配電系統(tǒng)包括1套600V主配電盤、1套400V主配電盤、1套400V鉆井MCC、1套400V風(fēng)機(jī)MCC、1套230V主配電盤及各分支配電箱。應(yīng)急配電系統(tǒng)包括1套400V應(yīng)急配電盤、1套230V應(yīng)急配電盤、岸電系統(tǒng)及各分支配電箱。DSJ300平臺(tái)電力系統(tǒng)基本框架如圖1所示。

圖1　DSJ300平臺(tái)電力系統(tǒng)基本框架圖

3.2典型自升式鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)的邏輯研究

（1）發(fā)電系統(tǒng)的邏輯研究

該平臺(tái)主發(fā)電系統(tǒng)的并車過程共有三種類型，即自動(dòng)并車、半自動(dòng)并車、手動(dòng)并車。其中自動(dòng)并車主要指當(dāng)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)置在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)組將按照優(yōu)先級(jí)的高低順序進(jìn)行自動(dòng)并車。半自動(dòng)并車主要指當(dāng)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)置在半自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，優(yōu)先級(jí)最高的發(fā)電機(jī)組將首先進(jìn)入自動(dòng)合閘狀態(tài)，其他發(fā)電機(jī)組將處于半自動(dòng)待命狀態(tài)，此時(shí)只要閉合任何一個(gè)選定的發(fā)電機(jī)組合閘開關(guān)，該機(jī)組將實(shí)現(xiàn)與之前機(jī)組的并車功能。手動(dòng)并車主要指通過使用同步表及選擇開關(guān)，手動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組電源頻率與相位的同步，并最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組并車功能。對(duì)于發(fā)電控制系統(tǒng)而言，其對(duì)單機(jī)具有過載保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、發(fā)電機(jī)調(diào)壓、調(diào)速、在線監(jiān)測(cè)等功能。其對(duì)并車運(yùn)行的多機(jī)，還具有發(fā)電機(jī)組間負(fù)荷均勻分配的功能。

（2）輸電變電系統(tǒng)的邏輯研究

該平臺(tái)的主電源輸電線路及其變壓器均是成對(duì)出現(xiàn)的，其主要作用是配合平臺(tái)主配電系統(tǒng)框架形成冗余設(shè)置。即當(dāng)其中一個(gè)輸電線路或一個(gè)變壓器出現(xiàn)故障時(shí)，通過線路的選擇可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)故障線路或故障設(shè)備的隔離，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)用電負(fù)載在另一線路運(yùn)行時(shí)的本線路故障檢修功能。

（3）配電系統(tǒng)的邏輯研究

該平臺(tái)的一套600V配電盤通過使用一個(gè)常閉的聯(lián)絡(luò)開關(guān)將兩段可以分開的母線連接為一段，同時(shí)該母線通過保護(hù)開關(guān)連接了兩套600V變400V變壓器的原邊及負(fù)載，并且這兩套變壓器及負(fù)載相對(duì)平衡且可獨(dú)立工作。該平臺(tái)的一套400V主配電盤的母線經(jīng)過一個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)被分隔為兩段，每段母線各連接一臺(tái)600V變400V變壓器的副邊，并且該變壓器的副邊均設(shè)置有保護(hù)開關(guān)。該開關(guān)與400V母線的聯(lián)絡(luò)開關(guān)有三選二聯(lián)鎖保護(hù)功能，即三個(gè)開關(guān)中最多只能同時(shí)閉合兩個(gè)開關(guān)，該功能可保證這兩臺(tái)變壓器不會(huì)同時(shí)連接到同一400V母線上。該平臺(tái)的400V主配電盤的兩段母線各自通過保護(hù)開關(guān)連接到一套400V變230V變壓器的原邊及負(fù)載，并且這兩套變壓器及負(fù)載相對(duì)平衡且可獨(dú)立工作。該平臺(tái)的一套230V主配電盤的母線經(jīng)過一個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)被分隔為兩段，每段母線各連接一臺(tái)400V變230V變壓器的副邊，并且該變壓器的副邊均設(shè)置有保護(hù)開關(guān)。該開關(guān)與230V母線的聯(lián)絡(luò)開關(guān)有三選二聯(lián)鎖保護(hù)功能，即三個(gè)開關(guān)中最多只能同時(shí)閉合兩個(gè)開關(guān)，該功能可保證這兩臺(tái)變壓器不會(huì)同時(shí)連接到同一230V母線上。

另外，該平臺(tái)配置的400V主配電盤的一段母線還連接了一個(gè)單母線的400V應(yīng)急配電盤。該400V應(yīng)急配電盤的母線上共有三個(gè)主開關(guān)，分別連接應(yīng)急發(fā)電機(jī)、岸電系統(tǒng)及400V主配電盤。該400V應(yīng)急配電盤在正常供電模式下是主400V配電盤向其供電的，當(dāng)主400V電源失電時(shí)，可以使用應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電或者岸電系統(tǒng)進(jìn)行反供電設(shè)置。但這三個(gè)開關(guān)在正常供電模式下是三選一聯(lián)鎖的，即三個(gè)開關(guān)中只有一個(gè)可以閉合，在反供電模式下這三個(gè)開關(guān)只有兩個(gè)可以同時(shí)閉合，即當(dāng)閉合400V主配電盤開關(guān)時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)與岸電系統(tǒng)中只可以選擇一個(gè)閉合進(jìn)行應(yīng)急電源輸入。這三個(gè)開關(guān)是保證主發(fā)電機(jī)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)與岸電之間的聯(lián)鎖裝置，可以避免系統(tǒng)同時(shí)供電[5]。同時(shí)，該400V應(yīng)急配電盤的母線上還連接了一套400V變230V變壓器的原邊及負(fù)載，該400V變230V變壓器的副邊還連接了一個(gè)230V應(yīng)急配電盤。

4　結(jié)語

本文通過對(duì)海洋石油鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)的組成和功能進(jìn)行介紹，以及對(duì)目前典型自升式鉆井平臺(tái)發(fā)電系統(tǒng)、輸電變電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究，一定程度地介紹了鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)框架及系統(tǒng)邏輯，可以為相關(guān)工程技術(shù)人員從事海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試等工作提供有益參考。

[1] IMO海上移動(dòng)鉆井平臺(tái)構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則[S]．2009 (5): 48 - 49.

[2] IMO國(guó)際海上人命安全公約[S]．2009 (1): 92 - 93.

[3] CCS海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范[S]．2012 (5): 21 - 22.．

[4] CCS海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范[S]．2005 (5): 19 - 20．

[5] CCS鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S]．2009 (4): 70 - 71．

Analysis and Research of the Offshore Platform's Electrical Power System

The offshore oil drilling platform's Electrical Power System is the center component of the platform's Electrical Control System. This system forms the complete electrical system framework by combining the power generating ystem, Transmission and Substation System, Power Distribution System together, and then connecting them to the Electricity Load, finally to realize the platform's complete electrical system framework, and at the same time to realize platform's electrical control logical function. In this text, we analyzed and researched the typical platform's Electrical System at present, in order to providing a good reference to the relevant engineering and technical staff.

Offshore platform; Electrical power system; System framework; Logical function

B

1003-0492(2016)08-0086-03

TP273

李云鵬（1983-），男，黑龍江人，工程師，研究生，現(xiàn)就職于中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司海洋石油裝備分公司，主要從事海洋石油鉆井平臺(tái)電氣建造及調(diào)試工作。

楊秀菊（1983-），女，黑龍江人，工程師，研究生，現(xiàn)就職于中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，主要從事油氣鉆井裝備設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

雷萬征（1984-），男，陜西人，工程師，本科，現(xiàn)就職于中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司海洋石油裝備分公司，主要從事海洋石油裝備銷售及服務(wù)工作。

羅佩豪（1990-），男，陜西人，助理工程師，本科，現(xiàn)就職于中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司海洋石油裝備分公司，主要從事海洋石油裝備設(shè)計(jì)及工藝工作。

曹會(huì)寧（1990-），男，寧夏人，助理工程師，本科，現(xiàn)就職于中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司海洋石油裝備分公司，主要從事海洋石油鉆井平臺(tái)電氣建造及調(diào)試工作。