海上自升式鉆井平臺(tái)應(yīng)急配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馮 超，潘家松，董秀倫

0 引言

海上自升式鉆井平臺(tái)的電氣系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，一般是由五臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組提供主電源的來源，一臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組和應(yīng)急配電盤相連，在應(yīng)急工況下給應(yīng)急負(fù)荷供電，整個(gè)鉆井平臺(tái)的配電系統(tǒng)是由690 V、480 V和230 V電壓等級(jí)組成的。在正常運(yùn)行工況下主發(fā)電機(jī)組給690 V主配電盤、電動(dòng)式電機(jī)構(gòu)成的鉆井設(shè)備以及應(yīng)急負(fù)荷供電。其典型的電氣系統(tǒng)總單線圖如圖1所示。

如果690 V主配電盤失電，且所有的主發(fā)電組都處于非工作狀態(tài)，電氣系統(tǒng)就進(jìn)入黑啟動(dòng)模式，應(yīng)急發(fā)電機(jī)將被自動(dòng)啟動(dòng)，進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)，ABS船級(jí)社規(guī)定應(yīng)急配電盤在黑啟動(dòng)的過程中需要在45 s內(nèi)通電并帶載運(yùn)行，基于此要求，應(yīng)急發(fā)電機(jī)需選用柴油內(nèi)燃式的主機(jī)系統(tǒng)，其啟動(dòng)速度快，效率高。當(dāng)黑啟動(dòng)完成，主配電系統(tǒng)有電時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)將自動(dòng)退出運(yùn)行，應(yīng)急配電盤由主配電系統(tǒng)供電，在電氣系統(tǒng)恢復(fù)供電過程中，應(yīng)急配電盤可以被設(shè)計(jì)成不間斷供電的工作狀態(tài)。因此，在正常操作時(shí)，主發(fā)電機(jī)組給整個(gè)電氣系統(tǒng)供電，應(yīng)急柴油機(jī)組隨時(shí)待命去自動(dòng)完成黑啟動(dòng)。為保證應(yīng)急柴油機(jī)組能在黑啟動(dòng)時(shí)被順利投入運(yùn)行，平時(shí)的日常測(cè)試應(yīng)成為應(yīng)急柴油機(jī)組的常規(guī)工作。當(dāng)鉆井平臺(tái)在非鉆井工況運(yùn)行時(shí)，電氣系統(tǒng)中的少量重要負(fù)荷需要運(yùn)行，這時(shí)可以利用應(yīng)急發(fā)電機(jī)的反送電功能，通過應(yīng)急發(fā)電機(jī)給整個(gè)平臺(tái)所需的少量負(fù)荷供電。

1 應(yīng)急發(fā)電機(jī)黑啟動(dòng)恢復(fù)功能

圖1 典型的電氣系統(tǒng)總單線圖

應(yīng)急發(fā)電機(jī)、應(yīng)急配電盤以及應(yīng)急變壓器等設(shè)備都被安裝在應(yīng)急配電間內(nèi)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)和應(yīng)急配電盤通過發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)電氣連接在一起，在正常鉆井工況下，應(yīng)急發(fā)電機(jī)是不會(huì)被自動(dòng)啟動(dòng)投入運(yùn)行的，所有的電氣負(fù)荷是由主柴油發(fā)電機(jī)組供電的，但當(dāng)主發(fā)電機(jī)無法運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中所有盤柜都失電時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入黑啟動(dòng)的狀態(tài)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)在檢測(cè)到應(yīng)急配電盤失電一段時(shí)間后自行發(fā)出啟動(dòng)命令，將應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，如果主發(fā)電機(jī)已經(jīng)給480 V主配電盤供上了電，且此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)失電未超過45 s，那么應(yīng)急發(fā)電機(jī)的進(jìn)線開關(guān)將不會(huì)自動(dòng)合閘，而480 V主配電盤和480 V應(yīng)急配電盤之間的母聯(lián)開關(guān)將自動(dòng)合閘，應(yīng)急配電盤將由主配電系統(tǒng)供電，應(yīng)急發(fā)電機(jī)將怠速運(yùn)行一段時(shí)間后直接停機(jī)[1]。這個(gè)過程是電氣系統(tǒng)黑啟動(dòng)的一種運(yùn)行方式。

若在45 s后應(yīng)急配電盤控制系統(tǒng)檢測(cè)到主配電系統(tǒng)480 V主配電盤還是處于失電狀態(tài)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)的進(jìn)線開關(guān)將自動(dòng)合閘，給應(yīng)急配電盤供電，等到480 V主配電盤有電之后，480 V應(yīng)急配電盤上的母聯(lián)開關(guān)在自動(dòng)同步之后自動(dòng)合閘，應(yīng)急發(fā)電機(jī)上的電氣負(fù)荷將卸載轉(zhuǎn)移到主發(fā)電機(jī)上，等到應(yīng)急發(fā)電機(jī)完全卸載負(fù)荷完畢后，應(yīng)急發(fā)電機(jī)的進(jìn)線開關(guān)將自動(dòng)分閘，應(yīng)急發(fā)電機(jī)怠速運(yùn)行一段時(shí)間后，將接收到停機(jī)命令后自動(dòng)停止運(yùn)行。這也是黑啟動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)供電的另外一種運(yùn)行方式[3-4]。圖2和圖3的程序流程圖描述了整個(gè)電氣系統(tǒng)黑啟動(dòng)恢復(fù)供電的兩種運(yùn)行方式。圖2給出了應(yīng)急配電盤在黑啟動(dòng)的過程中是如何恢復(fù)供電的，圖3則展示了主配電系統(tǒng)是如何恢復(fù)整個(gè)電氣系統(tǒng)供電的。

圖2 應(yīng)急配電盤黑啟恢復(fù)供電流程圖

圖3 應(yīng)急盤恢復(fù)從主盤供電的流程圖

2 應(yīng)急發(fā)電機(jī)日常測(cè)試維護(hù)

在正常操作的鉆井運(yùn)行工況中，主柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組提供整個(gè)平臺(tái)的電力供應(yīng)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組是不在電氣系統(tǒng)中運(yùn)行的。為了保證應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組隨時(shí)可以投入到黑啟動(dòng)的工況中，隨時(shí)準(zhǔn)備好到能啟動(dòng)的狀態(tài)，必須在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，主動(dòng)地去手動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，并將應(yīng)急發(fā)電機(jī)帶入到電氣系統(tǒng)中運(yùn)行一段時(shí)間，檢驗(yàn)一下應(yīng)急發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況，這是定期維護(hù)應(yīng)急發(fā)電機(jī)的過程，應(yīng)急發(fā)電機(jī)的定期維護(hù)可以保證應(yīng)急發(fā)電機(jī)能隨時(shí)地投入運(yùn)行，能卸載電氣負(fù)荷，這樣的定期測(cè)試稱作日常測(cè)試[2]。日常測(cè)試必須在系統(tǒng)中的主發(fā)電機(jī)能正常運(yùn)行且供電給整個(gè)電氣系統(tǒng)的情況下進(jìn)行，所以在應(yīng)急配電盤上必須選擇手動(dòng)運(yùn)行模式，手動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)，等到電壓達(dá)到95%的額定電壓，按下同步按鈕，應(yīng)急發(fā)電機(jī)的調(diào)速設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)調(diào)速裝置以使應(yīng)急發(fā)電機(jī)和應(yīng)急配電盤電壓、頻率同步，應(yīng)急發(fā)電機(jī)的進(jìn)線開關(guān)自動(dòng)合閘，運(yùn)行5 s后，應(yīng)急發(fā)電機(jī)進(jìn)入到卸載的狀態(tài)，自動(dòng)卸載完畢后，應(yīng)急發(fā)電機(jī)的進(jìn)線開關(guān)將自動(dòng)分閘，這時(shí)應(yīng)急發(fā)電機(jī)又會(huì)怠速運(yùn)行一段時(shí)間，當(dāng)接收到停機(jī)命令后將發(fā)電機(jī)停機(jī)運(yùn)行。圖4是整個(gè)應(yīng)急發(fā)電機(jī)日常測(cè)試維護(hù)的流程圖。

圖4 應(yīng)急發(fā)電機(jī)日常測(cè)試維護(hù)的流程圖

3 應(yīng)急發(fā)電機(jī)反送電運(yùn)行

當(dāng)鉆井平臺(tái)在非鉆井工況，或是在平臺(tái)初期調(diào)試階段時(shí)，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組能作為一個(gè)反送電的功能被加以應(yīng)用到電氣系統(tǒng)中，反送電運(yùn)行模式的定義是整個(gè)電氣系統(tǒng)的電源是來自于應(yīng)急配電盤，即是由應(yīng)急配電盤給主配電盤供電。

在反送電運(yùn)行模式下所有的主發(fā)電機(jī)處于關(guān)閉不運(yùn)行狀態(tài)，并且不能被啟動(dòng)運(yùn)行，應(yīng)急配電盤上的運(yùn)行模式也應(yīng)該處在手動(dòng)運(yùn)行的模式選擇中，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組被手動(dòng)啟動(dòng)起來，反送電選擇按鈕必須旋到on的激活位置，一旦激活，顯示反送電功能狀態(tài)的指示燈會(huì)被點(diǎn)亮，并會(huì)持續(xù)亮下去，反送電的狀態(tài)信號(hào)需要送到480 V主配電盤進(jìn)線開關(guān)的欠壓分閘回路中，鎖住其進(jìn)線開關(guān)的合閘操作一直到反送電選擇按鈕旋到off位置，當(dāng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組在反送電模式下運(yùn)行時(shí)，等到應(yīng)急發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電壓穩(wěn)定到額定狀態(tài)后，再手動(dòng)合上應(yīng)急發(fā)電機(jī)的進(jìn)線開關(guān)，480 V應(yīng)急盤就由應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電，480 V主配電盤上面也有一部分負(fù)荷需要從480 V應(yīng)急盤供電，因此，480 V主配電盤和應(yīng)急盤之間的母聯(lián)開關(guān)應(yīng)該手動(dòng)合閘。至此，整個(gè)反送電的操作過程完成了，當(dāng)反送電模式被解除時(shí)，母聯(lián)開關(guān)應(yīng)被自動(dòng)分閘掉，應(yīng)急發(fā)電機(jī)的進(jìn)線開關(guān)也被自動(dòng)分閘，但此時(shí)發(fā)電機(jī)不會(huì)接收到停機(jī)命令，它還會(huì)一直運(yùn)行下去，直到另一種模式和運(yùn)行狀態(tài)的到來，特別需要注意的是：在操作人員去切換模式的時(shí)候，需要正確地去判斷目前電氣系統(tǒng)所處的狀態(tài)以及需要即將運(yùn)行的狀態(tài)，否則可能會(huì)使應(yīng)急發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在一個(gè)無法監(jiān)控到或者無法控制的狀態(tài)[5]。圖5描述了應(yīng)急發(fā)電機(jī)反送電的流程圖。

圖5 應(yīng)急發(fā)電機(jī)反送電的流程圖

4 應(yīng)急發(fā)電機(jī)的調(diào)速模式

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)在黑啟恢復(fù)和日常測(cè)試維護(hù)運(yùn)行模式下需要進(jìn)入到電氣系統(tǒng)中運(yùn)行，勢(shì)必要帶上一定的負(fù)載，這樣就需要對(duì)應(yīng)急發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率進(jìn)行控制、平衡或轉(zhuǎn)移，應(yīng)急發(fā)電機(jī)裝備的控制單元能提供下垂和固定頻率的兩種頻率調(diào)節(jié)模式，應(yīng)急發(fā)電機(jī)在和主發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行過程中有同步和負(fù)載卸載的操作，在卸載的過程中，應(yīng)急發(fā)電機(jī)是在下垂的速度調(diào)節(jié)模式下運(yùn)行的，卸載完成后，應(yīng)急發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)被自動(dòng)斷開，發(fā)電機(jī)怠速運(yùn)行一段時(shí)間直至停機(jī)命令發(fā)出，發(fā)電機(jī)最終停機(jī)。

5 應(yīng)急配電負(fù)荷的回路設(shè)計(jì)要求

應(yīng)急配電負(fù)荷中有一些對(duì)鉆井平臺(tái)來說屬于第一重要性的必需負(fù)荷，例如：消防系統(tǒng)、應(yīng)急照明系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)單元等，這些負(fù)荷在任何工況下都是要求保證一直處于運(yùn)行狀態(tài)的，若整個(gè)電氣系統(tǒng)處于失電黑啟的過程，它們必須被設(shè)計(jì)成和應(yīng)急配電盤同步得電即投入運(yùn)行的狀態(tài)。

有一些非必需負(fù)荷也被安排由應(yīng)急配電盤供電，當(dāng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)被投入運(yùn)行時(shí)，若其帶載的負(fù)荷過大，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過載斷電，這時(shí)可以啟動(dòng)應(yīng)急配電盤的優(yōu)先脫扣功能，將這些非必需負(fù)荷回路切斷，以保證應(yīng)急發(fā)電機(jī)的可靠運(yùn)行。

6 結(jié)論

本文分析了海上自升式鉆井平臺(tái)上應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的各種運(yùn)行工況和狀態(tài)，給出了如何去控制應(yīng)急發(fā)電機(jī)和應(yīng)急盤電盤運(yùn)行的控制邏輯關(guān)系，為海上自升式鉆井平臺(tái)應(yīng)急配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了借鑒參考價(jià)值和意義。

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