固定式鉆井平臺(tái)模塊鉆機(jī)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

張德松

固定式鉆井平臺(tái)模塊鉆機(jī)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

張德松

（天津中海油工程設(shè)計(jì)有限公司 天津 300452）

分析傳統(tǒng)固定式鉆井平臺(tái)模塊鉆機(jī)電力系統(tǒng)。詳細(xì)論述了中海油固定式鉆井平臺(tái)模塊鉆機(jī)電力系統(tǒng)的構(gòu)成，包括：690V交流配電及變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；400V正常輔助動(dòng)力系統(tǒng)；230V正常照明及小功率設(shè)備供電系統(tǒng)；400V/230V應(yīng)急動(dòng)力及照明系統(tǒng)；110V交流不間斷電源系統(tǒng)（UPS）；應(yīng)急發(fā)電機(jī)的BACK UP供電系統(tǒng)。

固定式鉆井平臺(tái)；模塊鉆機(jī)；電力系統(tǒng)；單線圖

引言

我國近海油氣資源豐富，中國海洋石油年產(chǎn)量已經(jīng)突破5000萬t，其中大部分產(chǎn)量依賴于渤海、南海東部、南海西部等近海油田。固定式（導(dǎo)管架）鉆井平臺(tái)模塊鉆機(jī)作為近海油田開發(fā)的關(guān)鍵性高技術(shù)裝備。

本文所論述的固定式鉆井平臺(tái)模塊鉆機(jī)（以下簡稱模塊鉆機(jī)）電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，適用于中國近海油氣田的開發(fā)利用。主要討論由平臺(tái)組塊提供鉆井正常主動(dòng)力電源（NORMAL POWER）以及應(yīng)急動(dòng)力電源（EMERGENCY POWER）情況下的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范主要參照中國船級(jí)社（CCS）《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》、《海上石油平臺(tái)鉆機(jī)第9部分：電氣、儀表系統(tǒng)》（Q/HS 2037.9）、NORSOK標(biāo)準(zhǔn)E-001《Electrical system》等。

1 電力系統(tǒng)概述

模塊鉆機(jī)電力系統(tǒng)主要分為正常動(dòng)力系統(tǒng)、BACK UP動(dòng)力系統(tǒng)與應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)，其中應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)包括400V/230V應(yīng)急電源與110V交流不間斷電源。

如圖1所示，模塊鉆機(jī)設(shè)置2臺(tái)干式變壓器（進(jìn)線側(cè)為組塊提供的中高壓電源），通過降壓后為鉆機(jī)提供690V正常動(dòng)力電源；模塊鉆機(jī)正常400V母線電源來自于2臺(tái)690V/400V干式變壓器（進(jìn)線側(cè)為鉆機(jī)690V交流母排）；230V正常照明及小功率設(shè)備供電由1臺(tái)400V/230V干式變壓器提供（進(jìn)線側(cè)為鉆機(jī)正常400V交流母線）。

模塊鉆機(jī)主配電、變壓器間、應(yīng)急配電間與電池間均布置在DRILLING SUPPORT MODULE（DSM）中層，輔助配電間布置在DRILLING EQUIPMENT SET（DES）鉆臺(tái)面。

2 正常動(dòng)力系統(tǒng)

2.1 正常690V主動(dòng)力系統(tǒng)

根據(jù)NORSOK規(guī)范要求，由組塊提供主動(dòng)力電源時(shí)，供電回路不少于2個(gè)（冗余、互備設(shè)計(jì)），并應(yīng)在鉆機(jī)低壓側(cè)設(shè)置母線斷路器，且母線斷路器狀態(tài)為常開。考慮以上因素，模塊鉆機(jī)共設(shè)置三段690V交流母線，分別為DSM-BUS-LA6、DSM-BUS-LB6與DES-BUS-LB6。DSM-BUSLA6與DSM-BUS-LB6之間設(shè)置母線斷路器，斷路器狀態(tài)為常開。DSMBUS-LB6與DES-BUS-LB6母線之間通過電纜進(jìn)行連接。兩臺(tái)主降壓變壓器為DSM-BUS-LA6與DSM-BUS-LB6提供供電電源。

圖1 固定式鉆井平臺(tái)模塊鉆機(jī)電力系統(tǒng)單線圖

模塊鉆機(jī)主要鉆井設(shè)備包括：泥漿泵、絞車、轉(zhuǎn)盤以及頂驅(qū)。目前主鉆井設(shè)備的電驅(qū)動(dòng)方式已經(jīng)由交流多傳動(dòng)變頻驅(qū)動(dòng)方式替代了直流SCR調(diào)速方式。交流多傳動(dòng)變頻方式具有能耗制動(dòng)輔助剎車、高功率因數(shù)、高準(zhǔn)確精度以及低廉的驅(qū)動(dòng)電機(jī)價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)鉆井主機(jī)械設(shè)備的安裝位置，本著就地控制的原則，泥漿泵變頻器安裝在DSM-BUS-LA6母線側(cè)（如果是3臺(tái)泥漿泵，則其中2臺(tái)安裝在DSM-BUS-LA6母線側(cè)，1臺(tái)安裝在DES-BUS-LA6母線側(cè)），絞車、轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)的變頻器安裝在DES-BUS-LB6母線側(cè)。

考慮到模塊鉆機(jī)鉆井過程中機(jī)械設(shè)備工作情況比較復(fù)雜，在變頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中需要盡可能的考慮系統(tǒng)的余量，以滿足在單一的整流器故障情況下，不影響鉆井主設(shè)備工作。

2.2 正常400V動(dòng)力系統(tǒng)

模塊鉆機(jī)正常400V動(dòng)力系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，共設(shè)置4段正常400V母線。分別為DSM-BUS-LA4、DSM-BUS-LB4、DES-BUSLA4與 DES-BUS-LB4。其中 DES-BUS-LA4、DES-BUS-LB4分別由DSM-BUS-LA4、DSM-BUS-LB4 供電，而 DSM-BUS-LA4、DSM-BUSLB4則由兩臺(tái)690V/400V降壓變壓器進(jìn)行供電。變壓器一次側(cè)進(jìn)線分別來自于模塊鉆機(jī)690V交流母線DSM-BUS-LA6和DSM-BUS-LB6。DSM-BUS-LA4與DSM-BUS-LB4之間，DES-BUS-LA4與DES-BUSLB4之間均設(shè)置母線斷路器，斷路器狀態(tài)均設(shè)置為常開。

正常400V動(dòng)力系統(tǒng)主要為鉆井輔助設(shè)備提供電源。這些設(shè)備主要包括：灌注泵、混合泵、攪拌器、振動(dòng)篩、除泥泵、除砂泵、離心機(jī)、液壓站、空調(diào)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備。在進(jìn)行電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要充分考慮整個(gè)正常400V系統(tǒng)的供電靈活性和穩(wěn)定性，盡量將相同的用電設(shè)備布置在不同的母線側(cè)，以確保在任何一段母線出現(xiàn)故障后，可以迅速的自動(dòng)或者手動(dòng)切除故障母線，進(jìn)行故障排查和檢修，而不影響其余母線正常工作，從而將故障范圍限定在最小限度內(nèi)。

2.3 正常230V照明及小功率設(shè)備供電系統(tǒng)

模塊鉆機(jī)230V正常照明及小功率設(shè)備供電系統(tǒng)分為DSM-BUS-LP與DES-BUS-LP兩段母線。DES-BUS-LP母線由DSM-BUS-LP供電，而DSM-BUS-LP母線則由模塊鉆機(jī)自帶的400V/230V降壓變壓器進(jìn)行供電。變壓器一次側(cè)進(jìn)線來自于DSM-BUS-LB4母線。

正常230V照明系統(tǒng)及小功率用電設(shè)備主要包括：熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈、空間加熱器等。在照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意采用分層、分區(qū)、多回路照明系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)方案，避免某一回路不能正常工作后造成整個(gè)區(qū)域照度過低。例如：某一盞燈具內(nèi)部絕緣過低，造成該回路漏電保護(hù)裝置動(dòng)作，整個(gè)回路停止工作。

3 BACK UP動(dòng)力系統(tǒng)

模塊鉆機(jī)在作業(yè)工程中，需要面臨各種各樣的井下復(fù)雜情況，而此時(shí)供電系統(tǒng)的連續(xù)性就顯得至關(guān)重要。參考相應(yīng)規(guī)范要求，在設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)時(shí)，模塊鉆機(jī)配置BACK UP電源。BACK UP電源由模塊鉆機(jī)自帶的備用柴油發(fā)電機(jī)提供。柴油發(fā)電機(jī)容量一般選擇為1600kW，以滿足鉆完井作業(yè)處理井況的要求。備用發(fā)電機(jī)電壓等級(jí)選擇為交流690V，安裝在DSM-BUS-LB6側(cè)。

4 應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)

4.1 應(yīng)急400V動(dòng)力系統(tǒng)

海洋平臺(tái)鉆井工程是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)活動(dòng)，模塊鉆機(jī)所設(shè)置應(yīng)急400V動(dòng)力電源需要滿足在失去正常主動(dòng)力電源而BACK UP電源不能及時(shí)投入運(yùn)行時(shí)處理特殊井況的要求。此特殊井況主要是指能夠威脅到平臺(tái)安全的特殊情況。通常模塊鉆機(jī)400V應(yīng)急電源由組塊提供，一路單獨(dú)的供電回路由組塊應(yīng)急配電盤連接至模塊鉆機(jī)應(yīng)急配電盤，功率通常不小于110kW。結(jié)合規(guī)范要求及常規(guī)設(shè)計(jì)做法，模塊鉆機(jī)400V應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)用戶主要包括：電動(dòng)防火風(fēng)閘、交流不間斷電源系統(tǒng)（UPS）、模塊鉆機(jī)備用發(fā)電機(jī)間風(fēng)機(jī)、應(yīng)急配電間空調(diào)風(fēng)機(jī)、消防系統(tǒng)（泡沫泵、消防水泵等）、BOP系統(tǒng)、盤剎液壓單元等。

模塊鉆機(jī)的應(yīng)急400V配電盤安裝在DSM應(yīng)急配電間內(nèi)，應(yīng)急400V母線與400V正常母線之間可設(shè)置連接回路，在陸地調(diào)試期間可以提高鉆機(jī)調(diào)試效率，海上運(yùn)行期間鉆機(jī)電力系統(tǒng)可以完全不依賴組塊電源，利用自身的備用發(fā)電機(jī)進(jìn)行綜合性運(yùn)轉(zhuǎn)測試，極大的節(jié)省海上安裝調(diào)試時(shí)間。需要注意的是由鉆機(jī)備用發(fā)電機(jī)提供的電源不能長期為應(yīng)急類負(fù)荷供電，當(dāng)組塊能夠提供或者恢復(fù)應(yīng)急電源供電情況下，應(yīng)優(yōu)先選用組塊應(yīng)急電源供電。通常設(shè)計(jì)過程中可以采用雙電源切換開關(guān)進(jìn)行選擇性投切，組塊提供400V應(yīng)急電源設(shè)置為第一優(yōu)先級(jí)。

4.2 應(yīng)急230V照明及小功率設(shè)備供電系統(tǒng)

模塊鉆機(jī)230V應(yīng)急照明及小功率設(shè)備供電系統(tǒng)主要用戶包括：火氣系統(tǒng)、鉆井儀表系統(tǒng)、應(yīng)急照明系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等。

通常由組塊提供應(yīng)急230V電源，考慮到應(yīng)急230V的照明回路較多，所以在DSM模塊的應(yīng)急配電間內(nèi)設(shè)置主配電盤，而在DES模塊設(shè)置防爆分線箱，兩個(gè)配電盤之間通過電纜進(jìn)行連接。

4.3 交流不間斷電源系統(tǒng)（UPS）

由于模塊鉆機(jī)通常設(shè)置相對(duì)獨(dú)立的火氣系統(tǒng)，所以就要求模塊鉆機(jī)設(shè)置獨(dú)立的UPS系統(tǒng)以滿足火氣系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的要求。根據(jù)模塊鉆機(jī)的UPS系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算，推薦UPS系統(tǒng)容量不小于10kVA。UPS系統(tǒng)正常供電回路以及維修旁路電源由鉆機(jī)400V應(yīng)急母線提供。UPS系統(tǒng)的主要用戶包括：ESD系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)、鉆井儀表系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等。

5 總結(jié)

相對(duì)于陸地大電網(wǎng)來講，海洋平臺(tái)作為一個(gè)相對(duì)較小的獨(dú)立式孤島電網(wǎng)，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性將是檢驗(yàn)電網(wǎng)設(shè)計(jì)水平的重要指標(biāo)。本文通過總結(jié)近10年的模塊鉆機(jī)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，介紹了模塊鉆機(jī)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)存在問題進(jìn)行了總結(jié)并給出推薦的解決辦法。希望本文能夠讓讀者對(duì)模塊鉆機(jī)電力系統(tǒng)有一個(gè)更清晰的認(rèn)識(shí)，方便專業(yè)電氣設(shè)計(jì)人員開展模塊鉆機(jī)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

[1]中國船級(jí)社（CCS）《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》.

[2]《海上石油平臺(tái)鉆機(jī)第9部分：電氣、儀表系統(tǒng)》（Q/HS 2037.9）.

[3]NORSOK標(biāo)準(zhǔn)E-001《Electricalsystem》.

[4]IEEE 519-2014 Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems.

TM921.51

A

1004-7344（2016）33-0133-02

2016-11-11