TBD620V12 發(fā)動機在模塊鉆機主發(fā)電站中的應用

何玉茍

（中海油田服務股份有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

隨著模塊鉆機自動化、智能化發(fā)展要求，電驅(qū)動鉆機在海洋模塊鉆機上得到迅速的發(fā)展和推廣，以船用柴油發(fā)電機組為動力的電站成為模塊鉆機標準配置。模塊鉆機的供電一般有兩種供電模式：①模塊鉆機配備獨立的主發(fā)電站，由“兩用一備”運行模式或“三用一備”運行模式的柴油發(fā)電機組組成；②由油田或平臺上部組塊提供主用電力并通過變壓器降壓供給鉆機，鉆機自帶1 臺1400 kW 或1600 kW 柴油發(fā)電機組作為備用電站以應對平臺供電中斷時為模塊鉆機提供電力以滿足建立泥漿循環(huán)和上提、下放等基本需求。鉆井主發(fā)電站和備用電站在海洋鉆井平臺和模塊鉆機屬于鉆機關鍵設備，在鉆井作業(yè)過程中發(fā)揮著重要作用。一旦鉆井作業(yè)過程中發(fā)生模塊鉆機供電故障，將對鉆井作業(yè)帶來卡鉆、無法建立泥漿循環(huán)等嚴重影響和難以估量的損失，同時存在不可預料的井控高等級風險。

1 海洋模塊鉆機柴油發(fā)電機組應用現(xiàn)狀及存在問題

1.1 海洋模塊鉆機柴油發(fā)電機組的特殊要求及應用現(xiàn)狀

近10 年來海洋石油新建模塊鉆機設計中，柴油發(fā)電機組均選擇船用高速柴油發(fā)動機驅(qū)動的1200 kW 和1600 kW 發(fā)電機組，其中鉆井主發(fā)電站選用3～4 臺1200 kW 機組，鉆機備用發(fā)電機組選用1 臺1600 kW 機組。由于鉆井作業(yè)過程中，鉆機的功率負荷波動幅度大、波動頻繁，海洋石油模塊鉆機對主發(fā)電站的發(fā)電機組在突加突卸性能方面有特殊要求，同時考慮到井下作業(yè)安全需求，對柴油發(fā)動鉆機組可靠性、穩(wěn)定性等方面也要求非常高。

經(jīng)過調(diào)研和了解發(fā)動機生產(chǎn)廠家資料（表1），基于國產(chǎn)船用高速大功率柴油發(fā)動機驅(qū)動的柴油發(fā)電機組與國外某些品牌相同功率段的發(fā)電機組目前在噴油技術、突加突卸性能以及穩(wěn)定性、可靠性方面還有些差距，所以以往模塊鉆機項目中主發(fā)電站幾乎全是以進口品牌機組為主，國產(chǎn)船用高速大功率柴油發(fā)電機組在海洋模塊鉆機主發(fā)電站中目前還沒有應用先例。

表1 1200 kW 柴油發(fā)電機組技術性能對比

由于模塊鉆機備用電站對柴油發(fā)電機組突加突卸、穩(wěn)定性和可靠性方面要求相對主發(fā)電站要求較低，為了逐步試用和推廣國產(chǎn)同類型船用機組，海洋石油南海東部油田某模塊鉆機項目開始逐步試用并推廣國產(chǎn)1600 kW 發(fā)電機組作為模塊鉆機備用電站。但相關應用實踐還遠遠不足，國產(chǎn)船用高速大功率發(fā)電機組需要更多應用實踐來進一步驗證其可靠性和穩(wěn)定性。

1.2 存在的問題

近年來，隨著國際貿(mào)易形勢壓力增大，進口品牌發(fā)動機交貨期大幅度延長，國內(nèi)很多新建模塊鉆機項目在選用進口品牌柴油發(fā)電機組時交貨期無法滿足項目進度需求，同時還存在不同程度的技術封鎖。由于鉆井作業(yè)對主發(fā)電站對柴油發(fā)電機組突加突卸、穩(wěn)定性和可靠性方面要求非常高，選用國產(chǎn)大功率船用柴油發(fā)電機組作為模塊鉆機主發(fā)電站時，在電站設計、柴油發(fā)動機的設計選型、產(chǎn)品制造和檢驗、設備安裝和調(diào)試等方面存在諸多困難和挑戰(zhàn)。

2 基于船用柴油發(fā)動機的海洋模塊鉆機主發(fā)電站設計

2.1 TVD620V12 船用柴油發(fā)動機介紹

經(jīng)過調(diào)研與了解，根據(jù)模塊鉆機主發(fā)電機組的使用工況、使用環(huán)境和技術要求等相關問題與發(fā)動機廠家進行計算、校核和驗證，選用TBD620V16 型柴油發(fā)動機作為主發(fā)電機組的動力機組。TBD620V12 型柴油發(fā)動機是河南某公司推出的船用高速大功率柴油發(fā)動機，與某模塊鉆機1600 kW 備用采用發(fā)電機組所用的V16 型發(fā)動機屬于同一系列。TBD620V12 型柴油發(fā)動機采用直列12 缸，缸徑170 mm，沖程195 mm，氣缸總排量53.11 dm3，壓縮比13.5∶1，噴油方式為機械噴油，轉(zhuǎn)速1500 r/min，功率1320 kW，功率級別G 級，持續(xù)工作無時間限制，超負荷10%工作限制12 h 內(nèi)1 h，要求工作環(huán)境溫度不高于45 ℃、空氣相對濕度60%以下。

2.2 主發(fā)電站系統(tǒng)設計

依托海洋石油南海東部新建模塊鉆機項目，根據(jù)模塊鉆機電氣總負荷要求，電站容量4800 kW，采用4 臺型號、規(guī)格完全一致的1200 kW 發(fā)電機組實現(xiàn)“三用一備”的運行模式為鉆機連續(xù)運轉(zhuǎn)提供690 V/50 Hz 的持續(xù)供電。模塊鉆機主發(fā)電站設計主要包括機艙和通風系統(tǒng)、4 臺1200 kW 柴油發(fā)電機組、燃油供給系統(tǒng)、海水冷卻系統(tǒng)、氣啟動系統(tǒng)、發(fā)電機組遠程控制系統(tǒng)、690 V 開關電控柜、火災報警及滅火系統(tǒng)、輪機值班室等。

2.2.1 柴油發(fā)電機組的成撬

1200 kW 柴油發(fā)電機機組撬[1]主要由發(fā)動機、發(fā)電機、聯(lián)軸器、本地控制盤、公共底座、減振器和相關油、氣、水接口組成。根據(jù)某模塊鉆機項目備用發(fā)電機組應用實踐的經(jīng)驗，選用LSA 52.3 S6/4p 型發(fā)電機與TBD620V12 發(fā)動機組合成撬作為柴油發(fā)電機組。發(fā)電機組額定功率1200 kW，工作轉(zhuǎn)速1500 r/min，電壓690 V，頻率50 Hz。

機組成撬如圖1 所示，機組重量9.9 t，長4.46 m，寬1.9 m。與進口3512B 機組相比，其減振器安裝方式完全不一樣，考慮到安全需求，為每臺機組單獨設計了一個二底座，用于減振器精確安裝，滿足機組減振效果要求的同時也有利于建造安裝時機組吊裝和精就位工作能夠快速完成。

圖1 發(fā)電機組

2.2.2 電站系統(tǒng)設計概述

該模塊鉆機主發(fā)電站機艙位于鉆機DSM 模塊下層，機艙內(nèi)柴油發(fā)電機組及大型風機風閘的布置如圖2 所示。機艙正上方的DSM 中層是模塊鉆機電控房，4 臺發(fā)電機組的4 面遠程控制柜和690 V 開關柜布置在電控房內(nèi)。在機艙[2]的南側(cè)布置1 個8 m3的柴油罐及液位檢測和報警裝置、燃油速閉系統(tǒng)、燃油凈化機等，機艙的北側(cè)設計1 個輪機值班房，值班房安裝有4 塊監(jiān)控屏幕分別用于監(jiān)控4 臺發(fā)電機組的實時運行參數(shù)。機艙內(nèi)布置2 個火焰探頭和4 個煙感探頭接入鉆機火災報警控制盤，通過鉆機火災報警控制盤自動控制機艙風機風閘的關停及七氟丙烷滅火系統(tǒng)的啟動。

圖2 機艙主要設備布置

TBD620V12 柴油發(fā)動機組在成撬時將熱交換器集成到發(fā)動機本體上，大大減少機艙內(nèi)淡水管線數(shù)量，機艙整體更簡潔，為后續(xù)的使用和維護提供更多的空間。

2.3 重點解決的問題

2.3.1 調(diào)壓器、調(diào)速器選型優(yōu)化

調(diào)壓器控制勵磁機，靠輸出勵磁電流建立發(fā)電機磁場改變無功功率，其輸出勵磁電流越大、反應能力越強，機組應對突變負荷的能力就越高。調(diào)速器控制發(fā)動機油門，采用最新的數(shù)字式智能調(diào)速器，能有效提高發(fā)動機應對負荷突變的能力。在發(fā)電機組類型和機組容量確定的基礎上，通過研究發(fā)電機組的調(diào)速特性曲線，選擇數(shù)字式智能調(diào)速器和BASLER DECS-150 型調(diào)壓器，可以提升發(fā)電機組應對負載突變能力。其次，通過計算機軟件和程序控制可以合理優(yōu)化多臺發(fā)電機組負載的分配，避免單臺機負載波動過大，提升機組整體應對負荷突變的能力。

2.3.2 機艙通風系統(tǒng)計算校核和設備選型優(yōu)化

該主發(fā)電站機艙為非空調(diào)房，體積640 m3，采用強制通風，鉆機設計對機艙進風和排風換氣系數(shù)要求為35 次/h。根據(jù)換氣系數(shù)計算得出機艙所需空氣流量為22 400 m3/h，根據(jù)非空調(diào)房傳熱計算得出機艙所需空氣流量為133 366 m3/h。由于發(fā)電機組均采用海水冷卻系統(tǒng)，所以發(fā)電機房的總風量計算只需要計算燃燒所需空氣流量加上通風換氣所需要的風量即可。燃燒所需空氣流量V=（其中L 為燃料消耗量，β 為理論燃燒空氣量，α為過量空氣系數(shù)取1.9，ρ 為空氣密度），經(jīng)過計算燃燒所需空氣流量為28 034 m3/h，通風換氣所需風量取換氣所需空氣流量與傳熱計算所需空氣流量的較大值，計算出機艙的總風量為161 400 m3/h。

根據(jù)機艙總風量需求，選取單臺風量86 000 m3/h、靜壓0.000 56 MPa 的送風機2 臺，選取單臺風量57 000 m3/h、靜壓0.000 52 MPa 的排風機3 臺，風機布置如圖2 所示。

2.3.3 提升發(fā)電機組可靠性的其他方法

考慮到南海季風情況，為了減少排煙阻力對機組輸出功率的影響及煙氣擴散對鉆機模塊的影響，在排煙管布局上采用可選擇的雙向排煙。每臺機組排煙管分南、北兩個方向設計，通過遠程手拉閘控制盒控制氣動高溫閘閥選擇性控制排煙走向。

TBD620V12 要求運行環(huán)境空氣相對濕度60%以下，但是該油田所在區(qū)域最大空氣相對濕度為100%。為了滿足機組運行要求，選用適用海洋環(huán)境的專用發(fā)動機空氣濾芯，為發(fā)電機和本地控制盤柜分別加裝2 個0.5 kW 的空間加熱器和柜內(nèi)除濕加熱器，有效提高發(fā)電機組適應海洋高濕度環(huán)境。

3 某模塊鉆機主發(fā)電站應用實踐

3.1 建造和安裝

發(fā)動機廠家要求控制機組運行的傾斜搖擺必須控制在以下范圍內(nèi)：橫傾15°、縱傾5°、橫搖22.5°、縱搖7.5°。為了滿足傾斜搖擺要求和實現(xiàn)該模塊鉆機建造項目發(fā)電機組的快速精就位和安裝，在機組制造和成撬時為每臺發(fā)電機組專門設計二底座，發(fā)電機組通過減振器與二底座連接，二底座與機艙底部甲板結(jié)構(gòu)梁中間采用焊接墊板的連接固定方式，滿足建造現(xiàn)場快速安裝和精就位要求。同時機艙底部甲板結(jié)構(gòu)梁的布置也采取了針對性的優(yōu)化設計，避免機組運行過程中產(chǎn)生共振。

3.2 柴油發(fā)電機組調(diào)試

發(fā)電機組負載測試[3]用的干電阻是通過計算機軟件控制的兩套3000 kW 干電阻組合，這套干電阻組合出于專門設計[4]，可以通過人機交互軟件非常方便地快速實現(xiàn)不同功率負載的加載和卸載，滿足4 臺1200 kW 發(fā)電機組并機負載試驗。從計算機軟件記錄的曲線圖和數(shù)據(jù)中摘錄單機和并機負載突加突卸試驗數(shù)據(jù)見表2，機組在單機0%～50%負載突加、50%～100%負載突加、100%～0%負載突卸的表現(xiàn)和并機負載突加突卸的表現(xiàn)都優(yōu)于預期效果。對比分析試驗數(shù)據(jù)，機組在并機運行時應對負載突加突卸的表現(xiàn)優(yōu)于單機運行時的表現(xiàn)，表明采用先進的并機和負載分配技術取得較好的成效。

表2 發(fā)電機組負載突加突卸實測數(shù)據(jù)

4 后續(xù)使用建議及展望

對機組后續(xù)使用的重要建議：使用方根據(jù)平臺模塊鉆機的鉆井作業(yè)計劃對機組開展預防性維護保養(yǎng)并做好維修計劃，保障發(fā)電機組在鉆井作業(yè)過程中的穩(wěn)定性和可靠性。3 臺泥漿泵同時工作時功率負荷占模塊鉆機的總功率負荷比例接近一半，司鉆在關停泥漿泵時應先降低一部分泵速，隔3～5 s 后再關停，避免從全速直接關停。

電控噴油技術[5]目前在1000 kW 以下船用柴油發(fā)動機有較多應用，但是在國內(nèi)船用高速大功率柴油發(fā)動機方面的應用目前剛起步，展望未來，需要國內(nèi)船用高速大功率柴油發(fā)動機廠家加快電子噴油技術的研究[6]和應用實踐，在逐步開始推廣使用后定期到海洋平臺模塊鉆機上回訪機組使用情況，了解和記錄機組使用過程中出現(xiàn)的問題并加以改進和提升，促進國產(chǎn)船用高速大功率柴油發(fā)動機可靠性和穩(wěn)定性不斷提升，提高產(chǎn)品成熟度。

5 結(jié)束語

依托南海東部某新建模塊鉆機項目，TBD620V12 船用柴油發(fā)動機首次在海洋石油模塊鉆機主發(fā)電站中成功實施應用，本次應用充分考慮TBD620 同系列其他機型柴油發(fā)動機在模塊鉆機備用電站兩次應用案例過程中出現(xiàn)的問題及實踐經(jīng)驗。針對模塊鉆機對主發(fā)電站的特殊需求，在該主發(fā)電站設計和選型、建造、安裝和調(diào)試過程中，重點圍繞提升TBD620V12 柴油發(fā)動機組應對負荷突加突卸的能力、提高可靠性和穩(wěn)定性等方面充分提升技術條件和改善工作環(huán)境條件。通過調(diào)試檢驗機組的性能滿足鉆機設計要求，為后續(xù)模塊鉆機主發(fā)電站國產(chǎn)化應用的設計和建造提供有利參考。