某半潛式鉆井平臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)癱船恢復(fù)方案分析

陳奎英 劉凌順 徐剛

(1. 海軍航空工程學(xué)院， 煙臺(tái) 264001；2. 煙臺(tái)中集萊佛士船業(yè)有限公司， 山東 264000)

隨著人類對油氣資源開發(fā)利用的深化，海洋資源的勘探和開發(fā)成為各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)[1]。由于大量的油氣資源在更深水域中發(fā)現(xiàn)，國際上海洋油氣資源的開發(fā)已從近海向深海發(fā)展。半潛式海洋鉆井平臺(tái)主要工作于深海區(qū)（500~1500 m為深水）[2]。

由于半潛式海洋鉆井平臺(tái)的工作條件更加惡劣，海上潮濕空氣、油霧鹽霧等影響，易滋生霉菌；波浪、風(fēng)速影響易使海洋平臺(tái)發(fā)生傾斜、搖擺、震動(dòng)等[3]；這些會(huì)影響機(jī)械和電氣設(shè)備并發(fā)生故障或?qū)е禄馂?zāi)；由于意外的事件可能會(huì)導(dǎo)致船舶電力系統(tǒng)崩潰，從而造成全船失電，這對于電力推進(jìn)的船舶來說是極其危險(xiǎn)的。如何保證海洋平臺(tái)的電網(wǎng)故障后快速恢復(fù)尤其重要，從而能保障人員和設(shè)備安全，避免事故發(fā)生，減少財(cái)產(chǎn)損失。癱船恢復(fù)是根據(jù)船級社以及相關(guān)規(guī)范要求，在規(guī)定時(shí)間（30 min）內(nèi)恢復(fù)電力供應(yīng)，保證鉆井平臺(tái)的正常工作和安全保障。癱船狀態(tài)系指由于缺少動(dòng)力，致使主推進(jìn)裝置、鍋爐和輔機(jī)不能運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)[4，5]。

1 某半潛式鉆井平臺(tái)癱船起動(dòng)分析

某半潛式鉆井平臺(tái)擁有 DP2 三冗余動(dòng)力定位系統(tǒng)，是為某建造的兩座深水半潛式鉆井平臺(tái)，船籍國為巴拿馬，按照船舶規(guī)范，海洋工程規(guī)范和美國船級社規(guī)范等來設(shè)計(jì)和建造的半潛式鉆井平臺(tái)，主要的作業(yè)海域在某海域和墨西哥灣，平臺(tái)入級美國船級社。

1.1 電力系統(tǒng)配置

某半潛式鉆井平臺(tái)的電力系統(tǒng)組成主要為7臺(tái)主機(jī)（輸出功率為 4400 kW，輸出電壓 11 kV，3相交流，60 Hz），1臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)（輸出功率為1070 kW，輸出電壓460 V，3相交流，60赫茲）；主要用電負(fù)載為8臺(tái)推進(jìn)器、鉆井設(shè)備等；配電系統(tǒng)為2套11 kV高壓配電盤，2套460 V低壓配電盤以及 2套 220 V配電盤系統(tǒng)等。動(dòng)力系統(tǒng)單線圖如圖1所示：

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)單線圖

該半潛式鉆井平臺(tái)的最大工作水深為 2400 m，最大垂直鉆井深度 7500 m，因其深海作業(yè)的工作環(huán)境，采用了動(dòng)力定位技術(shù)，此鉆井平臺(tái)擁有 DP2 三冗余動(dòng)力定位系統(tǒng)，自動(dòng)化程度比較高。在動(dòng)力定位能力分析報(bào)告，平臺(tái)選用了 8臺(tái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，功率為2425 kW。在深海，潮流、風(fēng)力和浪涌等變化無常，一旦推進(jìn)器失去動(dòng)力無法工作，平臺(tái)的定位以及安全是一個(gè)非常大的問題。因此當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障，如何在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)推進(jìn)器動(dòng)力系統(tǒng)供電非常重要。

對于動(dòng)力系統(tǒng)的控制管理，采用了Kongsberg的 PMS（電源管理系統(tǒng)），它是全船自動(dòng)化的一部分，集控制、監(jiān)測、保護(hù)和管理于一體的綜合性系統(tǒng)，主要包含能量的優(yōu)化分配和管理、發(fā)電分系統(tǒng)的自動(dòng)化、系統(tǒng)的監(jiān)測報(bào)警、輸配電分系統(tǒng)的監(jiān)控保護(hù)和主要用電設(shè)備的監(jiān)控管理。PMS系統(tǒng)對于電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定安全性是其首要任務(wù)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生失電、故障（嚴(yán)重、一般），發(fā)電分系統(tǒng)的自動(dòng)化主要功能是對于主機(jī)和主機(jī)控制屏（包括主開關(guān)）等自動(dòng)控制，包括主機(jī)起動(dòng)控制的設(shè)定、分析、自動(dòng)起動(dòng)/停機(jī)等程序的編制，輸配電系統(tǒng)的監(jiān)控保護(hù)，配電開關(guān)的集中控制，和主要用電設(shè)備的監(jiān)控管理[6]。

1.2 癱船起動(dòng)分析

根據(jù)癱船的定義，說明船舶應(yīng)設(shè)有措置，保證在沒有外來幫助的情況下能使機(jī)器從癱船狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)起來。船舶機(jī)械設(shè)備的布置，應(yīng)能在沒有外來幫助的情況下，只通過船上可用的設(shè)備使其從癱船狀態(tài)達(dá)到運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。癱船狀態(tài)恰恰是已沒有儲(chǔ)存能源，用于起動(dòng)和運(yùn)行主推進(jìn)裝置、主發(fā)電機(jī)和其他重要輔助設(shè)備的儲(chǔ)存能源已喪失，船舶完全失去動(dòng)力，在沒有外來幫助下，利用船上可用的設(shè)備來完成。如果要起動(dòng)主機(jī)，首先要有起動(dòng)主機(jī)的能源，目前大型船舶的主機(jī)基本上采用配置兩套壓縮空氣機(jī)（一用一備的冗余設(shè)計(jì)原則）起動(dòng)，因而恢復(fù)壓縮空氣后才能起動(dòng)主機(jī)，壓縮空氣機(jī)通常是電源供應(yīng)，要想恢復(fù)壓縮空氣機(jī)，則需恢復(fù)電源。因此如何恢復(fù)起動(dòng)主機(jī)的壓縮空氣，則需要額外的輔助配置，先恢復(fù)平臺(tái)電源，此額外的輔助配置為原始動(dòng)力源。

原始動(dòng)力源，在現(xiàn)在船舶的動(dòng)力裝置中，一般為應(yīng)急電源/或應(yīng)急空氣壓縮機(jī)。船舶應(yīng)急電源又分為應(yīng)急發(fā)電機(jī)和應(yīng)急蓄電池組[7]?；謴?fù)平臺(tái)電源的原始動(dòng)力源，一般為應(yīng)急發(fā)電機(jī)，

1.3 癱船起動(dòng)應(yīng)急電源要求及配置分析

根據(jù)規(guī)范等要求，能夠自動(dòng)起動(dòng)的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，應(yīng)設(shè)有起動(dòng)裝置，并配備至少能供3次連續(xù)起動(dòng)的能源，儲(chǔ)存的能源應(yīng)受到保護(hù)，以免被自動(dòng)起動(dòng)系統(tǒng)耗盡，除非設(shè)有第2套獨(dú)立的起動(dòng)裝置。此外，還應(yīng)配備能在 30 min內(nèi)起動(dòng) 3次的第 2能源，但被證明有效的人工起動(dòng)除外[7]。某半潛式鉆井平臺(tái)的應(yīng)急電源為應(yīng)急發(fā)電機(jī)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)裝置有兩種方式，一種為電起動(dòng)，配置兩套獨(dú)立的蓄電池組；一種為自帶泵壓縮空氣起動(dòng)裝置，這兩套起動(dòng)裝置各有優(yōu)劣，互相補(bǔ)充，見表 1。電起動(dòng)的要求則滿足至少能夠供3次連續(xù)起動(dòng)的能源，壓縮空氣起動(dòng)還應(yīng)配置能在30 min內(nèi)起動(dòng)3次的第2能源。從成本和可靠性等方面考慮，應(yīng)急發(fā)電機(jī)起動(dòng)配置一般為一套電起動(dòng)和一套壓縮空氣起動(dòng)。應(yīng)急發(fā)電機(jī)的起動(dòng)原理如圖2所示。鑒于系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性與可靠性，在此優(yōu)選壓縮空氣起動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)。

1.4 癱船起動(dòng)主機(jī)起動(dòng)要求及配置分析

對于主機(jī)的起動(dòng)要求，和應(yīng)急發(fā)電機(jī)的起動(dòng)要求又不一樣。用壓縮空氣起動(dòng)的主柴油機(jī)，應(yīng)設(shè)有2臺(tái)或2臺(tái)以上空氣壓縮機(jī)，至少其中1臺(tái)由主柴油機(jī)以外的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，且該臺(tái)壓縮機(jī)的排量應(yīng)不小于所要求總排量的 50%。這些空氣壓縮機(jī)的總排量，應(yīng)在1 h內(nèi)由大氣壓力升至規(guī)定的連續(xù)起動(dòng)所需的壓力。除應(yīng)急壓縮機(jī)之外，總排量一般應(yīng)平均分配給每一臺(tái)壓縮機(jī)。供主機(jī)起動(dòng)用的空氣瓶至少應(yīng)有2個(gè)，其總?cè)萘繎?yīng)在不補(bǔ)充供氣的情況下，對每臺(tái)可換向的主機(jī)能從冷機(jī)連續(xù)起動(dòng)不少于 12次，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)正倒車交替進(jìn)行；對每臺(tái)不能換向的主機(jī)能從冷機(jī)連續(xù)起動(dòng)不少于6次。如主機(jī)多于2臺(tái)，空氣瓶的總?cè)萘繎?yīng)足夠每臺(tái)主機(jī)起動(dòng) 3次，總起動(dòng)次數(shù)應(yīng)不小于12次，但不必超過 18次[5,7]。對于電驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器，起動(dòng)空氣儲(chǔ)存的空氣連續(xù)起動(dòng)的最小次數(shù)應(yīng)根據(jù)下列方程[5]計(jì)算：

表1 應(yīng)急發(fā)電機(jī)起動(dòng)配置比較

圖2 應(yīng)急發(fā)電機(jī)起動(dòng)原理圖

式中：S=連續(xù)起動(dòng)的總次數(shù)；G=能維持足夠電氣負(fù)載的主機(jī)數(shù)量，允許船舶從全速航行動(dòng)力狀態(tài)過渡到機(jī)動(dòng)狀態(tài)，G的值不能超過3。

某半潛式鉆井平臺(tái)主機(jī)起動(dòng)的數(shù)量為 1，因此起動(dòng)次數(shù)S=6。

某半潛式鉆井平臺(tái)的主機(jī)配置為輸出功率4400 kW，輸出電壓11 kV，3相交流，60 Hz。屬于大型主機(jī)，蓄電池起動(dòng)只適合于小型機(jī)，因此主機(jī)起動(dòng)配置為2套起動(dòng)空氣壓縮機(jī)（一用一備的冗余設(shè)計(jì)），兩臺(tái)起動(dòng)空氣壓縮機(jī)由一臺(tái)由460 V應(yīng)急配電盤供電，一臺(tái)由460 V主配電盤供電，保證了空壓機(jī)電源的可靠性。此外，配置兩個(gè)空氣罐，兩臺(tái)空壓機(jī)都可以提供壓縮空氣到空氣罐，參考圖3主機(jī)壓縮空氣起動(dòng)原理圖。主機(jī)起動(dòng)空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間T3的計(jì)算如下:

空壓機(jī)容量（V1）為66 m3/h

起動(dòng)主機(jī)的總空氣容量為Q =18.89 m3

主機(jī)起動(dòng)時(shí)的空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間為：

當(dāng)空氣瓶壓力達(dá)到上述值，開始起動(dòng)主機(jī)，主機(jī)每次平均起動(dòng)時(shí)間為T4=7 s。

圖3 主機(jī)壓縮空氣起動(dòng)原理圖

起動(dòng)#7主機(jī)前還要做一些準(zhǔn)備工作，確保主機(jī)具備起動(dòng)條件，如手動(dòng)起動(dòng)主機(jī)預(yù)滑油泵、發(fā)電機(jī)軸承預(yù)滑油泵和主機(jī)預(yù)熱和與循環(huán)系統(tǒng)，確保主機(jī)的預(yù)熱和預(yù)滑油系統(tǒng)運(yùn)行正常；檢查燃油柜里有足夠的燃油用于主機(jī)使用；檢查所有主機(jī)控制系統(tǒng)處于供電狀態(tài)，且處于“本地”控制模式；清除所有報(bào)警點(diǎn)報(bào)警等。

2 癱船起動(dòng)恢復(fù)方案分析

2.1 癱船起動(dòng)方案分析

起動(dòng)主機(jī)的方案主要有五種，優(yōu)選方案為起動(dòng)#7號(hào)主機(jī)可用，其次為起動(dòng)#3號(hào)或#4號(hào)主機(jī)，以及#5號(hào)或 6號(hào)主機(jī)。在后四種方案中，起動(dòng)#3號(hào)或#4號(hào)主機(jī)（460 V艏部主配電盤），以及#5號(hào)或6號(hào)主機(jī)（460 V艉部主配電盤）的起動(dòng)方式與過程類似。

某半潛式鉆井平臺(tái)的癱船起動(dòng)方案優(yōu)選#7主機(jī)，#7號(hào)主機(jī)的輔助機(jī)電設(shè)備的供電直接來自460 V應(yīng)急配電盤，所需時(shí)間短、快速、簡單。優(yōu)選#7號(hào)主機(jī)與其他起動(dòng)方案的比較如表2所示：#7號(hào)為備用主機(jī)，無故障問題，而且輔助機(jī)電設(shè)備供電直接來自460 V應(yīng)急配電盤，起動(dòng)前無需判斷并操作與460 V主配電盤的互鎖，在起動(dòng)過程中，操作更簡單易行。

表2 #7號(hào)主機(jī)起動(dòng)方案與#3/#4、#5/#6主機(jī)方案比較

2.2 癱船起動(dòng)恢復(fù)方案分析

手動(dòng)起動(dòng)應(yīng)急配電系統(tǒng)：起動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)和應(yīng)急配電盤發(fā)電機(jī)斷路器合閘時(shí)間為T1=45 s。

恢復(fù)460 V應(yīng)急配電盤以及應(yīng)急負(fù)載供電：手動(dòng)閉合460 V應(yīng)急配電盤下的相應(yīng)460 V應(yīng)急負(fù)載斷路器，如：用于主機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的空氣起動(dòng)壓縮機(jī)的斷路器；#7號(hào)主機(jī)的馬達(dá)控制中心的斷路器；220 V應(yīng)急配電盤的斷路器；220 V UPS的斷路器。

保證以下UPS蓄電池的斷路器是閉合狀態(tài)，并且從應(yīng)急配電盤充電并可用；如用于IAS（全船控制系統(tǒng)）的UPS系統(tǒng)；推進(jìn)器UPS系統(tǒng)；主配電盤UPS系統(tǒng)；通訊和導(dǎo)航系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)；24 VDC蓄電池充電器。用于應(yīng)急負(fù)載合閘和提供負(fù)載供電的時(shí)間約為T2=180 s。

起動(dòng)主機(jī)起動(dòng)空壓機(jī)時(shí)間：T3= 1030.47 s

（1）#7主機(jī)可用的方案

起動(dòng)#7主機(jī)：

從MIMIC控制臺(tái)手動(dòng)起動(dòng)#7主機(jī)，主機(jī)怠速狀態(tài)運(yùn)行5分鐘，然后轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速。

主機(jī)每次平均起動(dòng)時(shí)間為T4=7 s，如果連續(xù)起動(dòng)6次，時(shí)間為T40=6×7=42 s。

手動(dòng)合閘#7發(fā)電機(jī)斷路器：

從MIMIC控制臺(tái)上手動(dòng)關(guān)閉11 kV高壓配電盤上發(fā)電機(jī)斷路器，以及460 V主配電板上的460 V負(fù)載，如海水冷卻泵、右舷/艉部風(fēng)機(jī)馬達(dá)控制中心，以及連接馬達(dá)控制中心#1主機(jī)室和#2主機(jī)室的風(fēng)機(jī)、其他主機(jī)起動(dòng)的預(yù)滑油泵、主發(fā)電機(jī)軸承滑油泵和主機(jī)預(yù)熱和與循環(huán)系統(tǒng)。按照PMS設(shè)置，起動(dòng)其他主機(jī)。

用于起動(dòng)輔助設(shè)備的時(shí)間約為T5=180 s。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)停止，恢復(fù)主動(dòng)力：

短時(shí)同步應(yīng)急配電盤到主460 V配電盤，460 V應(yīng)急負(fù)載轉(zhuǎn)換到主配電系統(tǒng)。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)停止，推進(jìn)器系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)可以重新起動(dòng)，平臺(tái)恢復(fù)到正常操作狀態(tài)。

用于起動(dòng)推進(jìn)器系統(tǒng)以及相關(guān)輔助設(shè)備的時(shí)間約為T6＝180 s。

（2）#7主機(jī)不可用的方案

當(dāng)#7號(hào)主機(jī)不可用時(shí)，需考慮起動(dòng)#3、#4主機(jī)、#5或#6主機(jī)，分別為起動(dòng)#3或#4，或者起動(dòng)#5或#6。這四種起動(dòng)方案，#3號(hào)和#4號(hào)主機(jī)起動(dòng)方案相同，#5號(hào)和#6號(hào)主機(jī)起動(dòng)方案相同。在操作時(shí)，要注意區(qū)分它們的不同之處，并操作正確，在此以#3號(hào)主機(jī)的起動(dòng)順序與流程為例進(jìn)行詳細(xì)闡述，其他的以此類推。

如果決定起動(dòng)#3或#4主機(jī)，使用安全鍵關(guān)閉到460 V艉部主配電盤的斷路器；

如果決定起動(dòng)#5或#6主機(jī)，使用安全鍵關(guān)閉到460 V艏部主配電盤的斷路器。

起動(dòng)#3主機(jī)：

從MIMIC控制臺(tái)起動(dòng)#3主機(jī)，主機(jī)怠速狀態(tài)運(yùn)行5分鐘，然后轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速。

主機(jī)每次平均起動(dòng)時(shí)間為T4=7 s，如果連續(xù)起動(dòng)6次，時(shí)間為T40=6×7=42 s。

手動(dòng)合閘#3主機(jī)斷路器：

從MIMIC控制臺(tái)上手動(dòng)關(guān)閉11 kV高壓配電盤上發(fā)電機(jī)斷路器，以及460 V主配電板上的460 V負(fù)載，如海水冷卻泵、右舷/艉部風(fēng)機(jī)馬達(dá)控制中心，以及連接馬達(dá)控制中心#1主機(jī)室和#2主機(jī)室的風(fēng)機(jī)、其他主機(jī)起動(dòng)的預(yù)滑油泵、主發(fā)電機(jī)軸承滑油泵和主機(jī)預(yù)熱和與循環(huán)系統(tǒng)。按照PMS設(shè)置，起動(dòng)其他主機(jī)。

用于起動(dòng)輔助設(shè)備的時(shí)間約為T5=180 s。

后面的操作與上節(jié)起動(dòng)#7號(hào)主機(jī)的順序與操作相同，參考上節(jié)。

根據(jù)以上方案的起動(dòng)順序與時(shí)間，匯總癱船恢復(fù)起動(dòng)的總時(shí)間為：

此癱船恢復(fù)起動(dòng)的總時(shí)間為 27.04 min，滿足30 min起動(dòng)的規(guī)范相關(guān)要求。

3 結(jié)束語

癱船狀態(tài)的恢復(fù)是確保海洋平臺(tái)安全的一項(xiàng)重要措施，本文分析了某半潛式鉆井平臺(tái)的電力系統(tǒng)癱船恢復(fù)起動(dòng)流程與方案，分析了起動(dòng)恢復(fù)時(shí)應(yīng)急發(fā)電機(jī)的起動(dòng)以及主機(jī)起動(dòng)的設(shè)計(jì)及配置的優(yōu)越性。此項(xiàng)目癱船起動(dòng)恢復(fù)方案共有5種方案，充分了考慮可行性，對于某半潛式鉆井平臺(tái)癱船恢復(fù)，起到了舉足輕重的作用，對于某半潛式鉆井平臺(tái)電力故障后恢復(fù)電力系統(tǒng)非常重要。

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