動力定位深水浮式鉆井裝置電力與推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用

(中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 100149)

動力定位系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)四大系統(tǒng)組成。不同級別的動力定位系統(tǒng)對于設(shè)備的配備和布置區(qū)別較大，DP3相對于DP2而言，除了考慮設(shè)備的冗余外，冗余的設(shè)備在布置上須有獨立的空間，并需進(jìn)行防火隔離。

深水浮式鉆井裝置動力定位系統(tǒng)配置見圖1(以半潛式平臺為例)[1]。

圖1 半潛式鉆井平臺動力定位系統(tǒng)組成示意

電力系統(tǒng)就是為定位設(shè)備、鉆井設(shè)備和輔助設(shè)備提供動力的共用電站。電站按定位系統(tǒng)級別不同，一般分割為兩段或以上，見圖2[2]。

1)輻射狀主匯流排，含2段或2段以上主匯流排，由常開或常閉的匯流排開關(guān)控制，成串列結(jié)構(gòu)，見圖2a)。

2)環(huán)狀主匯流排，含3段或3段以上主匯流排，可與匯流排開關(guān)或饋線相連，一般有至少一個開路的匯流排開關(guān)/饋線成輻射狀結(jié)構(gòu)，也可以所有匯流排開關(guān)/饋線斷路器閉合，呈閉合環(huán)狀主匯流排結(jié)構(gòu)，見圖2b)。

圖2 電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示例

定位推進(jìn)器方面，大部分深水鉆井裝置采用固定螺距變頻調(diào)速全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，具有高效率、低油耗的特點。應(yīng)用吊艙式推進(jìn)器作為推進(jìn)裝置，在該系統(tǒng)中，電動機在一個全回轉(zhuǎn)水下吊艙裝置內(nèi)與螺旋槳軸直接相連，無齒輪傳動結(jié)構(gòu)。

總體而言，目前的深水鉆井裝置動力定位系統(tǒng)被證明具有一定的可靠性、耐用性和在故障時表現(xiàn)的完整性，電力和推進(jìn)系統(tǒng)有足夠的余量承受系統(tǒng)在正常環(huán)境條件下發(fā)生的故障。但系統(tǒng)運行過程中一些重復(fù)出現(xiàn)的問題需要引起關(guān)注。

1 負(fù)荷減小和失電預(yù)防

動力管理系統(tǒng)通過控制電站中運行的發(fā)電機數(shù)量，使柴油機盡量工作在高負(fù)荷區(qū)，這樣柴油發(fā)電機組的性能更佳，燃料經(jīng)濟性更高?？紤]到柴油機的燃料消耗量、磨損和維護(hù)，通常最佳負(fù)荷約為柴油機最大持續(xù)功率(MCR)的85%。

但長期保持高負(fù)荷運行狀態(tài)的柴油機一旦出現(xiàn)內(nèi)部故障，如發(fā)生突發(fā)性跳閘，其余正常工作的發(fā)電機組將增加一級負(fù)荷，且有可能在頻繁跳閘的最惡劣情況下發(fā)生過載、損壞，甚至導(dǎo)致全船失電，這就需要電力系統(tǒng)具有可根據(jù)發(fā)電量減小負(fù)荷功率的功能。

對于現(xiàn)代鉆井裝置而言，負(fù)荷減小和失電預(yù)防功能由若干子系統(tǒng)分配處理。

1)動力管理的負(fù)荷管理和失電預(yù)防功能。

2)動力定位系統(tǒng)的功率限制功能。

3)推進(jìn)器變頻器的負(fù)荷減小和帶載相反饋功能。

4)鉆井變頻器的負(fù)荷減小和帶載相反饋功能。

為不影響動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和不限制操作的靈活性，負(fù)荷減小和失電預(yù)防措施必須在不到500 ms內(nèi)生效。具體措施歸納如下。

1)推進(jìn)器和推進(jìn)器變頻器。變頻調(diào)速定距槳推進(jìn)器必須具備負(fù)荷減小方案，通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)頻率和/或從動力管理系統(tǒng)接受快速負(fù)荷減小信號，可以是功率相反饋信號、最大功率限制信號，或是轉(zhuǎn)速參考減小量信號。為避免系統(tǒng)頻率發(fā)生不穩(wěn)定的情況，負(fù)荷減小量應(yīng)盡可能精確，以達(dá)到抑制潛在震蕩的目的。對于定速可變螺距推進(jìn)器來說，不具備足夠短的失電預(yù)防響應(yīng)時間，必須在動力管理的分級卸載方案中予以考慮[3]。

2)鉆井變頻器。與推進(jìn)器變頻器的要求類似，各鉆井變頻器的負(fù)載減小優(yōu)先級也要設(shè)定。

3)動力管理系統(tǒng)。根據(jù)船級社要求，動力管理系統(tǒng)必須提供失電預(yù)防、負(fù)荷減小/分級卸載功能。

4)動力定位系統(tǒng)。動力定位系統(tǒng)通?；趤碜詣恿芾硐到y(tǒng)的允許最大功率消耗信號，提供功率限制功能。從一般意義上說，這是一個避免運行設(shè)備過載的有效方法，但缺點是速度不夠快，無法處理柴油發(fā)電機組的故障。

上述負(fù)荷減小和失電預(yù)防功能在系統(tǒng)安裝、調(diào)試和試航期間要進(jìn)行充分的測試，以保證系統(tǒng)正常運行。同樣，在可能影響系統(tǒng)協(xié)作的調(diào)整或修理后，要進(jìn)行相同的測試。

典型的協(xié)作原理見圖3。

圖3 自動起動/停機和失電預(yù)防協(xié)作原理示意

圖3中自動起動和自動停機的限制范圍顯示出取決于負(fù)載的柴油機自動起停的功率水平和時間設(shè)置。在正常工作時，可用功率將處在這個范圍內(nèi)。如遇柴油機故障或跳閘，可用功率將下降。動力定位的功率減小功能在緊急情況下或非緊急情況下是有區(qū)別的，系統(tǒng)使動力定位系統(tǒng)在非基本用電設(shè)備或低優(yōu)先級用電設(shè)備正確實施負(fù)荷減小和分級卸載后，獲得全部可用功率。

2 柴油機調(diào)速器和AVR容錯

系統(tǒng)運行中發(fā)現(xiàn)，柴油機調(diào)速器、電壓自動調(diào)節(jié)器AVR發(fā)生的某些故障在一些負(fù)荷和作業(yè)條件下難以通過常規(guī)型保護(hù)方案進(jìn)行識別。在最惡劣情況下，故障會干擾正常工作的設(shè)備，導(dǎo)致非正常停機，甚至?xí)斐扇щ姟?/p>

帶多功能可編程保護(hù)邏輯的數(shù)字式發(fā)電機保護(hù)繼電器的開發(fā)，提供了若干種整合保護(hù)功能的新方法，包括將邏輯和代數(shù)函數(shù)應(yīng)用于保護(hù)方案。這一進(jìn)步顯著提升了保護(hù)繼電器檢測調(diào)速器和AVR故障的能力，以及系統(tǒng)對于該類故障的容錯能力。

圖4顯示了一種AVR監(jiān)控方案，涵蓋了多發(fā)電機組多重可變表決功能的相關(guān)函數(shù)。這些函數(shù)可應(yīng)用于可編程多功能發(fā)電機保護(hù)繼電器中，也可應(yīng)用于獨立邏輯控制器中，用于系統(tǒng)改進(jìn)和升級。

圖4 AVR故障檢測的監(jiān)控方案

3 鉆井裝置大功率設(shè)備的特性

鉆井裝置大功率用電設(shè)備的起停，瞬態(tài)故障和電網(wǎng)穩(wěn)定性引起的電壓變化是值得關(guān)注的問題。雖然這些設(shè)備已具有高度的可靠性，但是因為設(shè)備集中安裝和相對較大的電纜容量，系統(tǒng)電容也相對較大，形成了亞毫秒級瞬變的無彈性系統(tǒng)。電力設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化脈沖電壓測試的上升時間最長可能達(dá)到1.2 μs，但測量顯示，裝置電網(wǎng)的開關(guān)瞬變明顯更快。即使開關(guān)瞬變振幅一般比標(biāo)準(zhǔn)化測試振幅小的多，電壓的急劇上升也可能改變設(shè)備繞組的內(nèi)部電壓分配，并造成局部過電壓和絕緣擊穿，見圖5a)。此類瞬變被懷疑是某些設(shè)備故障的根本原因。

圖5 鉆井大功率設(shè)備特性

降低絕緣擊穿風(fēng)險的方式：①整個系統(tǒng)的絕緣水平協(xié)調(diào)；②選用較低電壓瞬變量的斷路器；③選用能抵御快速電壓瞬變的絕緣材料；④選用針對更快瞬變時限，更佳內(nèi)部電壓分配的繞組設(shè)計，見圖5b)；⑤過電壓保護(hù)，如配備電涌放電器。

4 諧波失真

諧波失真有一個通用測量標(biāo)準(zhǔn)，即涉及基頻分量的各諧波分量的均方根值，縮寫為THD(總諧波失真)。對配置直流鉆井設(shè)備SCR的鉆井裝置來說，諧波失真水平很高，THD可達(dá)到15%。在如此高的諧波失真下，有些設(shè)備可能會發(fā)生故障。因此，ABS等船級社在各自最新的海上移動鉆井裝置建造和入級規(guī)范中均已明確規(guī)定THD不應(yīng)大于8%。

隨著技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用于船舶和海工領(lǐng)域的電動機變頻驅(qū)動技術(shù)取得了很大進(jìn)步。一種電壓源型逆變器(VSI)已成功應(yīng)用于鉆井設(shè)備和推進(jìn)器驅(qū)動。12脈沖逆變器與直流系統(tǒng)相比，諧波失真水平顯著降低。近年來，這種設(shè)計應(yīng)用于大部分鉆井裝置，其解決方案在處理諧波失真問題上表現(xiàn)良好，能夠滿足規(guī)范對THD的要求。

12脈沖VSI逆變器的使用原理見圖6。

圖6a)顯示了帶兩個全橋二極管整流器、由三繞組變壓器供電的單變頻器，普遍用于中壓變頻器。使用IGCT的逆變器開關(guān)元件，在中等開關(guān)頻率下能夠減少負(fù)載電流和扭矩的波動。

低壓變頻器見圖6b)。圖中顯示若干逆變器連接到共用直流母排。直流母排可通過絕緣件進(jìn)行分割，每一側(cè)連接至12脈沖二極管整流器。該變頻器結(jié)構(gòu)含多個由共用直流母排供電的逆變器，故稱之為多變頻器，用于鉆井變頻器、貨物裝卸變頻器、推進(jìn)器變頻器和/或主推進(jìn)系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生再生功率時(比如在高速逆轉(zhuǎn)或其他制動條件下)，制動電阻會發(fā)揮作用，阻止功率峰值返回電網(wǎng)。

圖6 12脈沖電壓電源逆變器原理