淺談自升式鉆井平臺(tái)的電氣系統(tǒng)

白民權(quán) 胡勇　于忠鑫

摘 要：隨著資源的多樣化運(yùn)用，海洋資源所具有的巨大潛力，為實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。自升式鉆井平臺(tái)（JACK UP）做為應(yīng)用于海洋油氣勘探、開發(fā)的重要設(shè)施，電氣系統(tǒng)的良好設(shè)計(jì)，將為其在惡劣的海洋環(huán)境下安全可靠的作業(yè)提供重要保證，文章對(duì)自升式鉆井平臺(tái)電氣系統(tǒng)的技術(shù)要求進(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞：自升式鉆井平臺(tái)；電氣系統(tǒng)；技術(shù)要求

1 自升式鉆井平臺(tái)

自升式鉆井平臺(tái)分為主船體、懸臂梁和鉆臺(tái)三大部分。主船體通過升降裝置實(shí)現(xiàn)作業(yè)時(shí)樁靴隨樁腿下降插入海床，托起主船體底部離開海面一定的距離（氣隙）固定。懸臂梁延伸出主船體至作業(yè)區(qū)域，鉆臺(tái)上放置頂驅(qū)，絞車等主要鉆井設(shè)備進(jìn)行鉆井作業(yè)。在作業(yè)區(qū)域完成施工后，船體可以順著樁腿降下，將樁靴連同樁腿拔出海底收回，平臺(tái)拖航到新的作業(yè)區(qū)域進(jìn)行作業(yè)。

2 自升式鉆井平臺(tái)的發(fā)展綜述

隨著材料、設(shè)計(jì)與建造水平的不斷進(jìn)步，自升式鉆井平臺(tái)的工作水深不斷提高。自上個(gè)世紀(jì)50年代以來，JACK UP的設(shè)計(jì)和建造主要集中在美國(guó)，新加坡等國(guó)家。伴隨著20世紀(jì)以來亞洲國(guó)家的制造業(yè)的興起，JACK UP的設(shè)計(jì)和建造在中國(guó)逐漸發(fā)展起來。目前在我國(guó)國(guó)內(nèi)建造的鉆井平臺(tái)，其基本設(shè)計(jì)主要為美國(guó)F&G公司設(shè)計(jì)的JU系列（如JU2000型），荷蘭GustoMSC公司設(shè)計(jì)的CJ系列（如CJ 46型）和美國(guó)LeTourneau公司設(shè)計(jì)的Super系列（如S116E型）。其中目前已被美國(guó)Cameron公司收購(gòu)的原LeTourneau公司設(shè)計(jì)的JACK UP產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率一直保持在30%左右，其S116系列JACK UP，最大作業(yè)水深350英尺，可廣泛應(yīng)用于印度洋，墨西哥灣等海域，因其較高的性價(jià)比深受海工市場(chǎng)的歡迎。

3 自升式鉆井平臺(tái)電氣系統(tǒng)概述

自升式鉆井平臺(tái)電氣系統(tǒng)主要分為常規(guī)船用電氣系統(tǒng)和鉆井電氣系統(tǒng)部分。因其在海上作業(yè)的需求，配置常規(guī)電力，照明，通訊，中控等船用電氣系統(tǒng)。因其特殊的工作原理，配置升降控制系統(tǒng)，鉆井設(shè)備的驅(qū)動(dòng)等平臺(tái)作業(yè)相關(guān)電氣系統(tǒng)。下文將參考某型平臺(tái)對(duì)相關(guān)電氣系統(tǒng)進(jìn)行分析。

4 電力及其他基本船用系統(tǒng)

4.1 平臺(tái)電站及配電系統(tǒng)

平臺(tái)電站通常由平臺(tái)自帶5臺(tái)1600千瓦柴油發(fā)電機(jī)作為主電源，1臺(tái)1000千瓦應(yīng)急發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源。詳見圖1：

平臺(tái)電站容量根據(jù)主要負(fù)載在拖航，升降，正常鉆井，重載鉆井，起下鉆，應(yīng)急等不同工況下的負(fù)荷分析計(jì)算獲得。最大負(fù)載利用工況發(fā)生在重載鉆井情況下，重載鉆井通常發(fā)生在海床表層或巖層堅(jiān)固區(qū)域，此時(shí)發(fā)電機(jī)使用情況為4臺(tái)主發(fā)電機(jī)同時(shí)并聯(lián)運(yùn)行，剩余1臺(tái)作為備用。應(yīng)急發(fā)電機(jī)根據(jù)船級(jí)社要求進(jìn)行配置，其容量要求滿足應(yīng)急狀態(tài)下所有與平臺(tái)安全相關(guān)的設(shè)備全部滿負(fù)荷使用下的最大功率需求，同時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)可通過應(yīng)急配電板與主配電板之間母聯(lián)開關(guān)的手動(dòng)設(shè)置實(shí)現(xiàn)從應(yīng)急電源向主電源的反向供電，以滿足在主電源故障時(shí)基本的生產(chǎn)生活用電需求。平臺(tái)采用600V和480V三相三線中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)作為主要配電系統(tǒng)，三相三線中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)為目前船舶和海洋平臺(tái)廣泛使用的電制，系統(tǒng)在可靠性和安全性方面滿足海洋上的惡劣環(huán)境要求。

4.2 照明系統(tǒng)，航行燈信號(hào)燈系統(tǒng)

照明系統(tǒng)為平臺(tái)基本系統(tǒng)，采用230V電壓作為設(shè)備電源。照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)照度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，海工項(xiàng)目通常參考API（美國(guó)石油工會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)急電源回路的照明設(shè)計(jì)需要根據(jù)船級(jí)社規(guī)范中關(guān)于應(yīng)急電源的要求進(jìn)行。照明燈具的選型需要滿足船級(jí)社的標(biāo)準(zhǔn)。帶蓄電池?zé)艟叩脑O(shè)計(jì)主要考慮平臺(tái)危險(xiǎn)時(shí)逃生路線和安全設(shè)備操作區(qū)域的照明需要，棄船時(shí)艙室外部被考慮為被危險(xiǎn)氣體覆蓋的危險(xiǎn)區(qū)域，此時(shí)放置于室外的蓄電池?zé)艟咝枰褂梅辣愋?。此外，航行燈，信?hào)燈，障礙燈為國(guó)際避碰組織要求安裝的信號(hào)燈具，避免平臺(tái)在拖航或工作狀態(tài)下與過往船只產(chǎn)生碰撞。

4.3 其他常規(guī)系統(tǒng)

平臺(tái)常規(guī)系統(tǒng)需按照船級(jí)社基本要求執(zhí)行，如UPS系統(tǒng)，內(nèi)部通訊系統(tǒng)，無線電通訊系統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，因篇幅限制，在此不做一一介紹。

5 平臺(tái)升降控制系統(tǒng)

S116E型平臺(tái)升降系統(tǒng)采用多組電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)齒輪方案，3個(gè)樁腿，每個(gè)樁腿4個(gè)弦管，每個(gè)弦管配置5臺(tái)電機(jī)，總計(jì)需要60臺(tái)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行保證3個(gè)樁腿相對(duì)平臺(tái)船體部分同步上升或下降。正常運(yùn)行時(shí)，平臺(tái)上升的速度約為0.4-0.6米/分。當(dāng)上升至指定位置時(shí)，需要進(jìn)行鎖緊，此型號(hào)平臺(tái)的鎖緊通過電機(jī)的自身原理實(shí)現(xiàn)。當(dāng)升降系統(tǒng)電機(jī)斷電時(shí)，全部電機(jī)鎖死，實(shí)現(xiàn)升降系統(tǒng)鎖緊功能。

6 鉆井設(shè)備VFD驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

泥漿泵，頂驅(qū)，絞車，鉆臺(tái)等大容量鉆井設(shè)備是自升式鉆井平臺(tái)的核心設(shè)備，因鉆井作業(yè)要求其電機(jī)速度可調(diào)范圍廣，常規(guī)工頻電機(jī)無法滿足其需求。因此此類鉆井設(shè)備需要使用變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。S116E平臺(tái)VFD包含整流模塊-直流母排-逆變模塊實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)功能。鉆井絞車通過天車和行車系統(tǒng)控制頂驅(qū)鉆井作業(yè)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行方向相反時(shí)，產(chǎn)生的電能反饋至VFD直流母排，通過連接在直流母排上的制動(dòng)電阻消耗能量。

7 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)注意事項(xiàng)

7.1 危險(xiǎn)區(qū)域的劃分及設(shè)備選型

平臺(tái)生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生可燃性氣體，其可能存在和累積的區(qū)域?qū)?huì)被定義為危險(xiǎn)區(qū)域，布置在危險(xiǎn)區(qū)域的設(shè)備需要根據(jù)危險(xiǎn)區(qū)域的等級(jí)選擇對(duì)應(yīng)的防爆設(shè)備。

7.2 船用電纜的使用標(biāo)準(zhǔn)

成束阻燃電纜需滿足IEC-60332阻燃特性要求，通過高危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的電纜需滿足IEC-60331耐火特性要求。

7.3 設(shè)備環(huán)境溫度的要求

按照船級(jí)社要求，電氣設(shè)備最低環(huán)境要求為45℃，機(jī)艙要求為50℃。

8 結(jié)束語

海洋是全球生命支持系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，也是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的寶貴財(cái)富。當(dāng)前，隨著陸地資源短缺、環(huán)境惡化等問題的日益嚴(yán)峻，各國(guó)紛紛把目光投向海洋，加快了對(duì)海洋的開發(fā)和利用。海洋平臺(tái)電氣系統(tǒng)將伴隨著海洋科技的進(jìn)步不斷創(chuàng)新發(fā)展，更加智能化高端化的產(chǎn)品將逐漸應(yīng)用于自升式鉆井平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

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