海洋鉆修機“柴改電”技術方案研究與實施

丁 輝，余俊雄，彭湘桂，黃永鋒，崔朋朋

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300459；2.中海油能源發(fā)展采油公司 天津300459)

目前，中海油渤海油田擁有上百臺海洋鉆修機，其中有近20 臺的海洋鉆修機采用柴油發(fā)電機組供電，有近30 臺的海洋鉆修機采用柴油發(fā)動機直接驅(qū)動。海洋鉆修機所配置的部分柴油發(fā)電機組、柴油發(fā)動機不符合排氣污染物排放要求[1]，另外海洋鉆修機的應急電源、電源脫扣、防提斷及絞車失電剎車等問題也給鉆修井作業(yè)帶來一定的安全風險，而且柴油發(fā)電機組、柴油發(fā)動機生產(chǎn)廠家、型號各異，給設備運維管理帶來了一定的挑戰(zhàn)。

隨著渤海油田電力組網(wǎng)、岸電應用及海洋鉆修機電控系統(tǒng)等技術的發(fā)展與成熟，為海洋鉆修機“柴改電”技術研究提供了技術保證。2020 年12 月，渤海油田某平臺HXJ180DB 海洋鉆修機成功實現(xiàn)了平臺供電的升級改造。

1 原HXJ180DB海洋鉆修機系統(tǒng)

1.1 主要技術參數(shù)

最大鉤載1 800 kN；井架凈空高42 m；整機移動方式為液壓機械移動；發(fā)電機組800 kW×3 臺(柴油機 KTA38，發(fā)電機 HCM734E1)；鉆井絞 JC24(846 kW)；泥漿泵F-800×2 臺(580 kW×2)；頂部驅(qū)動Canrig 4017AC-1226(300 kW)；儲能器FKQ640-7；整機傳動方式AC-VVVF-AC(絞車、頂驅(qū))/ACSCR-DC(泥漿泵)。

1.2 電力傳動控制系統(tǒng)

HXJ180DB 海洋鉆修機由3 臺康明斯發(fā)電機組提供690 V 電源至海洋鉆修機電控系統(tǒng)。690 V 電源一路經(jīng)整流單元為絞車、頂驅(qū)及制動電阻供電，一路經(jīng)直流調(diào)速單元給2 臺泥漿泵供電。通過降壓變壓器，將690 V 電源變?yōu)?00 V 電源給海洋鉆修機400 V 用電設備供電。再通過降壓變壓器，將400 V電源變?yōu)?30 V 電源用于照明設備。HXJ180DB 海洋鉆修機電控系統(tǒng)單線圖如圖1 所示。

圖1 HXJ180DB海洋鉆修機電控系統(tǒng)單線圖Fig.1 Single line diagram of electrical control system of HXJ180DB offshore drilling and workover rig

1.3 海洋鉆修機的主要問題

①HXJ180DB 海洋鉆修機發(fā)電機組無法滿足排氣污染物排放要求，且柴油機組故障率高、運行不穩(wěn)定，給鉆修機作業(yè)帶來了一定的安全風險。

②HXJ180DB 海洋鉆修機無應急電源，配套的儲能器、絞車盤剎液壓站等關鍵設備未按標準要求接應急電源[2]。

③HXJ180DB 海洋鉆修機火氣系統(tǒng)不具備主電源脫扣功能，且未按要求接入平臺中控火氣盤。

④HXJ180DB 海洋鉆修機電控系統(tǒng)失電與盤剎系統(tǒng)無互鎖功能，絞車系統(tǒng)未安裝鉆機防提斷裝置[3]。

2 升級改造技術研究

2.1 改造思路分析

HXJ180DB 海洋鉆修機由原發(fā)電機組供電改為平臺直接供電，同時對鉆修機電控系統(tǒng)和火氣系統(tǒng)進行升級改造，以滿足標準規(guī)范的要求。

平臺可提供 10.5 kV(1 300 kW)電源、400 V(400 kW)動力電源、400 V(50 kW)應急電源及230 V(30 kW)應急電源各一路。為滿足鉆修機絞車、頂驅(qū)、泥漿泵主電機(690 V)和鉆修機照明系統(tǒng)(230 V)供電需求，需增加10.5 kV/690 V、1 600 kVA、50 Hz 和400 V/230 V、50 kVA、50 Hz 降壓變壓器各一臺。HXJ180DB 海洋鉆修機“柴改電”后電控系統(tǒng)單線圖如圖2 所示。

2.2 鉆修機用電負荷校核

根據(jù)海上石油固定平臺模塊鉆機設計標準[4]，對海洋鉆修機的用電負荷進行校核。HXJ180DB 海洋鉆修機在鉆井工況時最大用電負荷為1 656.39 kW，在大修工況時最大用電負荷為 1 314.86 kW。HXJ180DB 海洋鉆修機用電負荷計算表參見表1。

圖2 HXJ180DB海洋鉆修機“柴改電”后的電控系統(tǒng)單線圖Fig.2 Single line diagram of electric control system of HXJ180DB offshore drilling and workover rig after “diesel to electricity”

表1 HXJ180DB海洋鉆修機用電負荷計算表Tab.1 Electrical load calculation table for HXJ180DB offshore drilling and workover rig

2.3 鉆修機火氣系統(tǒng)改造

HXJ180DB 海洋鉆修機火氣系統(tǒng)由現(xiàn)場火氣探頭、手動報警站、平臺狀態(tài)燈、FM200 釋放抑制按鈕、報警燈鈴、火氣盤、盤面報警顯示等組成。能夠?qū)崟r監(jiān)測輸入、輸出信號，并做出邏輯判斷，啟動相應的報警燈鈴，并將系統(tǒng)內(nèi)火氣報警信號傳送到平臺中控室；還應在接收到火災報警信號后，觸發(fā)主電源脫扣和FM200 消防系統(tǒng)。HXJ180DB 海洋鉆修機火氣系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 HXJ180DB海洋鉆修機火氣系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of fire gas control system for HXJ180DB offshore drilling and workover rig

鉆修機火氣系統(tǒng)的信號邏輯運算、輸出動作響應時間要求在50 ms 之內(nèi)，且不受多個輸入輸出信號及操作員對系統(tǒng)操作的影響，系統(tǒng)控制器負載不能超過額定負載的50%，均有自動檢測和診斷功能。

2.4 鉆修機電控系統(tǒng)失電保護

HXJ180DB 海洋鉆修機絞車電機失電或電控系統(tǒng)變頻器故障導致失電時，其電控系統(tǒng)PLC(UPS 電源供電)給出失電信號，通過PROFIBUS-DP 通信協(xié)議將失電信號傳輸至絞車盤剎系統(tǒng)，觸發(fā)緊急剎車電磁閥，從而實現(xiàn)絞車盤剎的工作制動和駐車制動同時動作，防止在絞車主電機失電的情況下，由于主電機懸停功能失效或誤操作等，造成游動系統(tǒng)下砸的風險。

2.5 鉆修機防提斷改造技術

HXJ180DB 海洋鉆修機通過電控系統(tǒng)PLC 邏輯控制來實現(xiàn)防提斷功能，本次防提斷改造技術與傳統(tǒng)海洋鉆修機防提斷裝置改造技術[4]在邏輯控制方面有一定差異，但最終均是通過控制絞車盤剎系統(tǒng)來實現(xiàn)。HXJ180DB 海洋鉆修機防提斷改造技術原理主要是從儲能器司鉆控制盤PLC 中取一路防噴器組關閉信號，將此信號傳輸至鉆修機電控系統(tǒng)PLC 控制程序中，由電控系統(tǒng)PLC 給出兩路邏輯指令信號，一路控制絞車主電機懸停(電機轉(zhuǎn)速為0)，另一路控制絞車盤剎系統(tǒng)，從而實現(xiàn)在防噴器組關閉時，絞車主電機懸停和絞車盤剎緊急剎車同時動作的防提斷功能。

3 “柴改電”實施效果及意義

渤海油田某平臺啟動了HXJ180DB 海洋鉆修機“柴改電”技術改造工作，將海洋鉆修機配套的3 臺柴油發(fā)電機組進行了拆除，接入了平臺電源，并加裝了變壓器、FM200 及有源濾波器等設備，實現(xiàn)了海洋鉆修機電控系統(tǒng)由平臺供電，同時將HXJ180DB 海洋鉆修機儲能器、絞車盤剎液壓站等接入應急電源，并對海洋鉆修機電源脫扣、火氣系統(tǒng)、防提斷系統(tǒng)及頂驅(qū)互鎖等進行了技術升級。2020 年 12 月，HXJ180DB 海洋鉆修機完成“柴改電”技術改造，并開展了系統(tǒng)測試和設備聯(lián)調(diào)，順利通過設備驗收。海洋鉆修機功能完善、操作可靠、性能良好，滿足安全、好用的條件。

海洋鉆修機“柴改電”技術的成功實踐，使得該平臺的HXJ180DB 海洋鉆修機在真正意義上實現(xiàn)“零”排放，走上綠色發(fā)展之路，為其他平臺海洋鉆修機的“柴改電”技術提供了經(jīng)驗。

海洋鉆修機“柴改電”技術也為海洋鉆修機由“柴油機直接驅(qū)動”改為“交流變頻電機驅(qū)動”的創(chuàng)新技術改造提供了可供借鑒經(jīng)驗。

海洋鉆修機“柴改電”技術解決了海洋鉆修機關鍵設備應急電源、主電源脫扣、絞車失電剎車及防提斷等問題，進一步提高了海洋鉆修機的本質(zhì)安全?！?/p>