油田增產(chǎn)船電力系統(tǒng)配置

劉國貞，萬 潔，李孝喜

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

海上油氣田采用酸化、壓裂和增產(chǎn)增注等一系列增產(chǎn)措施，提高產(chǎn)量，一般采用一條作業(yè)支持船作為母船，搭載增產(chǎn)流程系統(tǒng)、作業(yè)用吊機(jī)，并裝載作業(yè)用原料，這樣的一艘工程船通常稱為油田增產(chǎn)船。

電力系統(tǒng)系油田增產(chǎn)船的核心裝備之一。作為電力推進(jìn)和動力定位船，在設(shè)計時，通常考慮在滿足船舶海上航行時主推進(jìn)、進(jìn)出港時船舶機(jī)動操縱、海上油田作業(yè)時保持位置、吊物等各工況下用電需求的同時，供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性、安全性和可靠性也是考核電站的重要指標(biāo)之一。增產(chǎn)船作業(yè)要求船的穩(wěn)定性好，動力配置冗余度高，操作靈活，對定位精度要求極高，海上作業(yè)時，需要在井口平臺附近保持一定的相對位置，通過柔性管將工作液泵入井內(nèi)。該作業(yè)方式，使用動力定位系統(tǒng)以保證作業(yè)安全，既可避免船離平臺太近造成碰擦井口設(shè)施，又可防止船離平臺太遠(yuǎn)甚至偏離預(yù)定位置，拉傷軟管或快速解脫中斷生產(chǎn)。

下文結(jié)合某大型多功能油田增產(chǎn)船的潛在客戶需求及研究開發(fā)成果，對電力系統(tǒng)總體配置及關(guān)鍵部件的選型進(jìn)行探討。

1 船型簡述

為滿足預(yù)定作業(yè)海域及船東的要求，項目前期通過大量的調(diào)研和對推進(jìn)與定位系統(tǒng)配置方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，確定本船為電力推進(jìn)海工船型，四機(jī)雙舵槳，二級動力定位，選擇船舶主尺度如下：

總長Loa：103.8 m；垂線間長Lpp：95.8 m；型寬B：22 m；型深D：8 m；吃水T：5.95 m。

2 適用的規(guī)范規(guī)則

適用的規(guī)范規(guī)則有：ABS《入級和建造規(guī)范》《海洋工程支持船建造和入級規(guī)范》；IMO《國際海上人命安全公約》《特種用途船舶安全規(guī)則》《國際散裝運輸危險化學(xué)品船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》。動力定位二級，符合國際海事組織設(shè)備2類的冗余要求，最終的失效模式和定位能力應(yīng)按照 DNV GL環(huán)境監(jiān)管號碼（ERN -Environment Regulatory Number ern a,b,c,d）評價。

3 設(shè)計基礎(chǔ)和性能指標(biāo)

該船主要操作在阿拉伯海、孟加拉灣和印度洋。環(huán)境溫度 0℃～45℃，海水溫度 5℃～32℃，設(shè)計壽命20年。海上航行主推進(jìn)電機(jī)85%額定負(fù)載輸出，在設(shè)計吃水時船速不低于10 kn。

海上作業(yè)采用動力定位，船應(yīng)保持在離固定平臺大于5 m和小于10 m的范圍內(nèi)。3級海況下[1]，增產(chǎn)作業(yè)和吊機(jī)不工作，船舶可在360°各方向來風(fēng)保持位置穩(wěn)定和艏向不變；5級海況下[2]，增產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行但吊機(jī)不工作，船舶可在360°各方向來風(fēng)保持位置穩(wěn)定和艏向不變。

1）3級海況：有義波高1.5 m，平均波浪回轉(zhuǎn)周期5.6 s～6.5 s，1分鐘平均風(fēng)速20 kn，平均表面流速1.5 kn，平均海床流速0.5 kn，風(fēng)/浪向成一直線，流與風(fēng)/浪向成45°夾角。

2）5級海況：有義波高4 m，平均波浪回轉(zhuǎn)周期8.9 s～9.7 s，1分鐘平均風(fēng)速30 kn，平均表面流速3 kn，平均海床流速1 kn，風(fēng)/浪向成一直線，流與風(fēng)/浪向成45°夾角。

4 電力系統(tǒng)配置

該船配4臺主柴油發(fā)電機(jī)組，每臺AC 690 V，3Ph，60 Hz，2 800 ekW；2臺輔助/停泊發(fā)電機(jī)組，每臺AC 450 V，3 Ph，60 Hz，800 ekW；1臺應(yīng)急發(fā)電機(jī)，AC 450 V，3 Ph，60 Hz，150 ekW；2臺日用變壓器，每臺690 V/450 V，1 000 kVA。艉部配備2臺全回轉(zhuǎn)方位角推進(jìn)器帶調(diào)距槳由恒速電機(jī)驅(qū)動，每臺電機(jī)AC 690 V，3 Ph，60 Hz，2 200 kW，單臺可提供350 kN推力，航行時作為主推進(jìn)動力；3臺艏部隧道式側(cè)向推進(jìn)器，其中2臺帶調(diào)距槳由定速電機(jī)驅(qū)動，每臺電機(jī)AC 690 V，3 Ph，60 Hz，1 500 kW，1 200 r/min，單臺提供250 kN推力、1臺帶定距槳由調(diào)速電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)AC 690 V，3 Ph，1 500 kW，調(diào)速范圍0 Hz～60 Hz，0 r/min ～1 200 r/min，可提供250 kN推力。主吊機(jī)約650 kW，由690 V主配電板的2段匯流排雙路供電，一路電源故障時自動切換至另一路供電；對外消防泵2臺，每臺AC 690 V，3 Ph，60 Hz，700 kW，1 200 r/min。電力系統(tǒng)的配置，可根據(jù)工況和負(fù)荷情況靈活選擇發(fā)電機(jī)臺數(shù)，使主機(jī)時常處于最佳工況下工作。航行期間，2臺柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行；海上作業(yè)工況，主配電板匯流排母聯(lián)開關(guān)處于分閘狀態(tài)，AC 690 V主配電板的母聯(lián)系統(tǒng)將被分成兩段，各段獨立運行。4臺主發(fā)電機(jī)可以同時運行，每段匯流排1臺發(fā)電機(jī)分列運行、或兩-兩一組并聯(lián)運行。電力系統(tǒng)總單線圖如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)總單線圖

5 電力系統(tǒng)設(shè)計研究

在船的主尺度、總體布置、線型和動力裝置型式基本確定的情況下，根據(jù)船東對船的航速、作業(yè)能力和作業(yè)安全保障技術(shù)性能的要求，鎖定本課題的技術(shù)難點，即：增產(chǎn)作業(yè)特點所要求的，在較嚴(yán)苛海況下定位精度和船東對經(jīng)濟(jì)性的要求，電力系統(tǒng)配置方案經(jīng)多次系統(tǒng)性能分析、動力定位能力分析，不斷優(yōu)化、修正和完善，最終選定一個技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相對優(yōu)越的方案。方案論證中，通過初步的船速校核，得知達(dá)到本船所要求的10 kn速度所需電力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于作業(yè)時船定位所需電力，故設(shè)計圍繞保證船的動力定位能力來確定主電站容量和電力系統(tǒng)配置[3-7]。

5.1 電力負(fù)荷平衡計算

這里分析的負(fù)荷主要是為船的航行、定位和日用所需的負(fù)荷。增產(chǎn)作業(yè)由專用發(fā)電機(jī)供電，這里不贅述。

電力負(fù)荷估算如表1所示。

表1 電力負(fù)荷估算表

表1中，3級和5級海況中最嚴(yán)重故障工況，系指690 V主匯流排B由于短路故障等失去供電能力，由繼電保護(hù)從系統(tǒng)中切除，艏部冗余供電的艏側(cè)推負(fù)荷轉(zhuǎn)移至由主匯流排A供電，1臺主發(fā)電機(jī)或2臺主發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運行，其負(fù)荷率較高達(dá)到95%左右，如出現(xiàn)發(fā)電機(jī)過載，應(yīng)將全部的輔助負(fù)荷約500 kW轉(zhuǎn)移至由輔助發(fā)電機(jī)供電，保證電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

5.2 動力定位能力

本船配備了1套先進(jìn)高效的酸化壓裂生產(chǎn)流程系統(tǒng)，要求船依靠動力定位系統(tǒng)始終與生產(chǎn)平臺保持一定的安全距離，從而保障施工作業(yè)的順利進(jìn)行。本船動力定位系統(tǒng)按DP-2級要求配置，配備了足夠的動力和推進(jìn)器系統(tǒng)，為船提供足夠的電力和有效的機(jī)動性、操縱性和安全性。

按第3部分定義的在3級和5級海況時，完整推進(jìn)器和最嚴(yán)重單點故障情形，動力定位能力如圖2～圖5所示。

圖2 3級海況完整推進(jìn)器定位能力

圖3 3級海況最嚴(yán)重故障定位能力

圖4 5級海況完整推進(jìn)器定位能力

圖5 5級海況最嚴(yán)重故障定位能力

圖2為3級海況完整推進(jìn)器工況的動力定位能力，風(fēng)速達(dá)到64.1 kn、浪高14.2 m時360°風(fēng)向均能滿足動力定位的要求；圖3為3級海況最嚴(yán)重單點故障，即690 V主配電板匯流排B短路同時失去1臺主推進(jìn)器和1臺艏部側(cè)推時的動力定位能力，風(fēng)速達(dá)到46.7 kn、浪高9.2 m時360°風(fēng)向均能滿足動力定位的要求；圖4為5級海況完整推進(jìn)器時的動力定位能力，風(fēng)速達(dá)到51.8 kn、浪高10.6 m時360°風(fēng)向均能滿足動力定位的要求；圖5為5級海況最嚴(yán)重單點故障，即690 V主配電板匯流排B短路同時失去1臺主推進(jìn)器和1臺艏部側(cè)推時的動力定位能力，風(fēng)速達(dá)到24.1 kn、浪高4.0 m時360°風(fēng)向均能滿足動力定位的要求。

5.3 匯流排額定和短路能力

應(yīng)用電力系統(tǒng)分析軟件建模，按電力負(fù)荷分析的工況進(jìn)行潮流和短路分析。匯流排的額定載流容量為4 000 A。在航行工況母聯(lián)處于合閘狀態(tài)，AC 690 V主配電板上最多2臺主發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行。在DP工況，690 V主配電板每段匯流排最多2臺主發(fā)電機(jī)同時并聯(lián)運行，690 V匯流排出線端，預(yù)期的短路電流將達(dá)到62 kA/170 kA（均方根值/峰值）；航行工況，2臺主發(fā)電機(jī)同時并聯(lián)運行，1臺日用變壓器運行，690 V匯流排出線端，預(yù)期的短路電流將達(dá)到66 kA/176 kA（均方根值/峰值）。但是按照船級社的有關(guān)規(guī)定：在計算最大短路電流時，應(yīng)考慮最惡劣情況，即應(yīng)計及對應(yīng)于船舶或海上設(shè)施電站的最大負(fù)載工況，所有可能并聯(lián)連接于主匯流排的發(fā)電機(jī)（包括短時轉(zhuǎn)移負(fù)載的發(fā)電機(jī)在內(nèi)）所饋送的短路電流。3臺主發(fā)電機(jī)同時并聯(lián)運行，690 V匯流排出線端，預(yù)期的短路電流將達(dá)到75 kA/196 kA（均方根值/峰值）。根據(jù)以上分析結(jié)果，690 V匯流排的短路定額應(yīng)為100 kA/220 kA，相應(yīng)的保護(hù)電器均按此選取。

5.4 混合起動和驅(qū)動系統(tǒng)

如圖1所示，690 V主配電系統(tǒng)中，艉部2臺全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器和艏部2臺管道式推進(jìn)器為調(diào)距槳、恒速馬達(dá)，采用變速起動；艏部雙冗余供電的管道式推進(jìn)器為定距槳、調(diào)速馬達(dá)，采用變頻驅(qū)動；對外消防泵為恒速馬達(dá)，采用軟起動。

變頻器用于起動，通過改變電網(wǎng)的頻率來調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，電壓也隨頻率變化，由于電機(jī)為無機(jī)調(diào)速，起動過程相對于傳統(tǒng)的降壓起動更加平穩(wěn)，當(dāng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，變頻起動器將被旁路，電動機(jī)恒速運行。推進(jìn)器配調(diào)距槳采用變頻起動經(jīng)濟(jì)性好，用于啟動的變頻器可選擇較低定額的變頻器，當(dāng)螺距置零時，用于變頻起動的變頻器容量可降低至用于變頻驅(qū)動的容量的35%～50%，可與推進(jìn)器安裝于同一處所，風(fēng)冷，不需要專門的房間和空調(diào)，節(jié)約初投資成本，可以減少變頻器的運行時間，延長使用壽命。

根據(jù)推進(jìn)器動力定位能力分析，如艏部丟失 2臺側(cè)向推進(jìn)器，動力定位能力不能滿足要求，故應(yīng)將其中1臺艏側(cè)推設(shè)計成雙路供電，設(shè)計成雙路有源前端（AFE）或無源前端（DFE）驅(qū)動來滿足不斷電轉(zhuǎn)換的要求。圖6和圖7分別是雙冗余供電回路的2種形式。

圖6 雙路有源前端回路

圖7 雙路無源前端回路

雙冗余供電的特點：通常情況下，每套整流器的供電分別從各自的母排，由兩個變頻器各自負(fù)擔(dān)一部分負(fù)荷，一旦690 V主配電板上一個匯流排失電，可不間斷將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到有電的匯流排承擔(dān)供電，實現(xiàn)真正的不斷電切換負(fù)載，所選擇的雙冗余供電單元有船級社型式認(rèn)證。

5.5 總諧波干擾

總諧波干擾與整個系統(tǒng)配置有關(guān)。主推進(jìn)和主要驅(qū)動系統(tǒng)采用有源前端（AFE）作為起動器或驅(qū)動器，艏部雙冗余供電的側(cè)推采用變頻器包括一套12脈沖整流器并通過變壓器連接到船舶主電站；為節(jié)約空間，也可采用有源前端（AFE）搭建雙冗余回路。發(fā)電機(jī)的超瞬態(tài)電抗可依照諧波計算結(jié)果定制，目前各船級社規(guī)范還沒有出臺考核電動機(jī)起動期間的短時諧波標(biāo)準(zhǔn)，因此相對于全變頻驅(qū)動系統(tǒng)，混合起動和驅(qū)動模式，正常運行時總諧波標(biāo)準(zhǔn)更容易限制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

5.6 功率管理系統(tǒng)

一套冗余的電站功率管理系統(tǒng)安裝在AC 690 V主配電板內(nèi)，控制器為雙套熱備冗余，控制站之間通過光纖通訊；總站與分站之間通過Profibus總線通訊。相對于常規(guī)船，系統(tǒng)控制邏輯稍復(fù)雜，除了常規(guī)的發(fā)電機(jī)控制和保護(hù)功能、功率管理功能外，同時配備了發(fā)電機(jī)功率適配系統(tǒng)和多功能電站保護(hù)系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)載功率需求匹配在網(wǎng)發(fā)電機(jī)數(shù)量；電站保護(hù)系統(tǒng)對運行的發(fā)電機(jī)組實時檢測，分析柴油發(fā)電機(jī)組的異常運行狀態(tài)，檢測到功率分配不平衡、頻率異常等作用于保護(hù)裝置執(zhí)行選擇性脫扣保護(hù)，將故障發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)中剝離。在動力定位最嚴(yán)重單點故障下，由于將艏部雙冗余供電的推進(jìn)器的全部負(fù)載轉(zhuǎn)移至由一段匯流排供電，根據(jù)動力定位能力分析結(jié)果，用電負(fù)荷有所增加，該段匯流排的負(fù)擔(dān)加大，按初步的負(fù)荷分析，負(fù)荷率達(dá)到95%，為防止主發(fā)電機(jī)過載，在功率管理系統(tǒng)中設(shè)置了如發(fā)電機(jī)有過載趨勢，自動起動其中1臺輔助發(fā)電機(jī)，與主發(fā)電機(jī)自動短時并車轉(zhuǎn)移負(fù)載，將約 500 kW的輔助負(fù)荷轉(zhuǎn)移至由輔助發(fā)電機(jī)供電，負(fù)載轉(zhuǎn)移后日用變壓器開關(guān)分閘，主電網(wǎng)與輔助電網(wǎng)解列，主、輔發(fā)電機(jī)分列運行。反向的負(fù)載轉(zhuǎn)移亦然。

電站功率管理系統(tǒng)是一套完全獨立運行的系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)通信直接與全船監(jiān)測報警系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

5.7 失電后恢復(fù)的順序起動

首先起動應(yīng)急發(fā)電機(jī)，給輔助發(fā)電機(jī)黑起動負(fù)載空壓機(jī)、預(yù)潤滑油泵供電，然后起動1臺輔助發(fā)電機(jī)，給主發(fā)電機(jī)黑起動負(fù)載供電，當(dāng)1臺主發(fā)電機(jī)起動投入電網(wǎng)，與輔助發(fā)電機(jī)短時并車，將輔助負(fù)載轉(zhuǎn)移至由主發(fā)電機(jī)供電，再按順序起動其他發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運行。主輔配電板上設(shè)定失電后按時間順序自動起動的重要負(fù)載有：照明、通訊、舵槳、滑油泵、淡水冷卻泵、海水冷卻泵，機(jī)艙風(fēng)機(jī)、主推進(jìn)器、艏側(cè)推等。

5.8 失火或可燃及有毒氣體泄漏后的應(yīng)急切斷

油田增產(chǎn)船作業(yè)時，所服務(wù)的平臺有油氣發(fā)散，加上它本身所運載的酸液等危險品，其危險區(qū)域輻射范圍較大，一旦發(fā)生著火或可燃有毒氣體泄漏事故，應(yīng)執(zhí)行嚴(yán)格的切斷邏輯。風(fēng)油切斷按照住艙、機(jī)艙和酸罐艙分區(qū)切斷，切斷按鈕位于機(jī)艙入口、駕駛室和消防控制站等處所，一般采用分勵脫扣切斷油泵或風(fēng)機(jī)的供電開關(guān)實現(xiàn)，用于脫扣的電源由專用的UPS供電。

6 結(jié)論

本文初步探討了大型油田增產(chǎn)船電力系統(tǒng)配置。由于該船布置緊湊、作業(yè)時對動力定位要求較高，電力消耗對于690 V低壓等級已經(jīng)是極限級，從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，保障船的定位安全和作業(yè)安全是最重要的研究課題。本文將傳統(tǒng)動力定位配電模式與混合起動系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)新開發(fā)出一套較經(jīng)濟(jì)實用的混合型低壓配電系統(tǒng)方案，供船舶電氣同行在系統(tǒng)設(shè)計和選型時參考。對于以成本為目標(biāo)的客戶不失為一個好的選擇方案。