自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)交流傳動配置與控制

袁飛暉，張紀昱，張明銘，楊雪蓮

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

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自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)交流傳動配置與控制

袁飛暉，張紀昱，張明銘，楊雪蓮

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

為研究鉆井平臺升降傳動控制系統(tǒng)的共性問題，結合現(xiàn)代電氣傳動控制理論，提出應用于升降系統(tǒng)的多種交流傳動方案，在理論層面對高性能矢量控制和直接轉矩控制的適用性進行分析，建立基于磁鏈控制的模型?；贘U 2000E型自升式鉆井平臺的基本設計，得到升降系統(tǒng)常規(guī)變頻傳動的主要驅動配置及應用設計，包括操作功能模式設計和電氣傳動保護功能設計。經(jīng)項目升降試驗驗證，該傳動配置及功能設計能滿足各種工況的操作，符合規(guī)范要求。為自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)的后化、升級和應用提供參考。

自升式平臺；升降傳動系統(tǒng)；電磁轉矩；轉子磁鏈；矢量控制；保護

0 引言

升降系統(tǒng)是自升式鉆井平臺的關鍵系統(tǒng)之一，它通過對樁腿的提升、下放實現(xiàn)整個平臺主船體與海平面的相對位置調整，主要用于修鉆井、完井和測井等作業(yè)工況。研究比較新建和在建自升式鉆井平臺的升降系統(tǒng)配置，提出其中的共性問題，對于選配、使用和制造升降驅動控制系統(tǒng)具有重要的參考意義。本文基于目前市場上主要應用的電氣驅動式平臺升降控制系統(tǒng)，結合現(xiàn)代電氣傳動控制理論，對自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)交流傳動系統(tǒng)的配置與控制進行研究，為升降控制系統(tǒng)的優(yōu)化、升級和應用遷移提供參考。

1 升降系統(tǒng)基本構成及應用概述

1.1 升降系統(tǒng)的海上應用

應用于現(xiàn)代海上平臺的升降系統(tǒng)有：液壓油缸頂升插銷式和齒輪齒條爬升式兩大類。前者利用液壓油缸中活塞桿的伸縮運動帶動環(huán)梁運動，用鎖銷將環(huán)梁和樁腿鎖緊實現(xiàn)樁腿的往復升降。由于受水深限制，液壓油缸頂升插銷式系統(tǒng)一般應用于作業(yè)水深不超過60 m的平臺中，一般與圓柱、方形樁腿配合使用。后者采用電機或液壓馬達作為驅動源，經(jīng)齒輪減速機構帶動爬升小齒輪，沿樁腿弦梁上布置的齒條運動，實現(xiàn)樁腿升降驅動，整個樁腿總成高度由應用冰域的水深決定，通常為120～190 m，廣泛應用于自升式鉆井平臺及風電安裝船上。

1.2 升降系統(tǒng)基本構成

由于電氣傳動技術的高速發(fā)展，齒輪齒條爬升式升降系統(tǒng)的驅動源若采用電機，將使整個升降驅動控制系統(tǒng)的安全性、節(jié)能性和環(huán)保性得到提升，因此，基于電氣傳動方案尤其是變頻驅動的自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)獲得了廣泛的應用。該系統(tǒng)一般由電氣驅動、控制部分及機械傳動部分組成，電氣及控制部分主要包括中央控制臺、變頻驅動裝置、電機控制中心，機械部分主要包括升降單元總成(驅動電機、齒輪減速箱、驅動軸剎車單元)、剛結構安裝件、升降單元安裝架總成及樁腿弦管齒條等。

一般地，自升式鉆井平臺有3個桁架式樁腿，呈三角形布置，每個樁腿有3根主弦梁，每根弦梁包含1根雙側齒條，其中每根主弦梁齒條每側與3個小齒輪嚙合，即每根主弦梁上嚙合6套升降單元，每個樁腿共有18套升降單元，整個平臺共54套升降單元。這種類型最為常見，被廣泛應用于Friede & Goldman JU 2000E型、Super M2型及Gusto MSC CJ46和CJ50型系列平臺中。此外，還有一種單個升降單元驅動主、從2個小齒輪的方案，其中每根主弦梁齒條每側與4個小齒輪嚙合，即每根主弦梁上嚙合4套升降單元，每個樁腿共有12套升降單元，整個平臺共36套升降單元[1]，這種升降單元能提供更大的提升載荷。

1.3 升降系統(tǒng)的交流傳動方案分析

升降驅動控制系統(tǒng)根據(jù)不同的電氣傳動方案有不同備選方式，對于海上自升式平臺、船舶的設計、選擇需要根據(jù)實際需求進行。傳統(tǒng)驅動方案有：感應電機直接啟動和感應電機自耦變壓器啟動；新型驅動方案有：異步電機變壓變頻調速、永磁同步電機自控變頻調速、異步電機矢量控制和直接轉矩控制等。

(1) 感應電機直接啟動運行方式。該方式也稱為全電壓啟動，單臺電機啟動電流為額定電流的5.5～7.0倍[2]，考慮到升降系統(tǒng)的運行特點，即使單個樁腿進行操作，也至少需要18臺升降單元電機同時啟動，平臺電站該電壓等級下的母排會形成較大的電壓降。

(2) 感應電機自耦變壓器啟動運行方式。選用抽頭可選的自耦變壓器，使電機的啟動壓降控制在一定范圍內，這樣就可以獲得折中的啟動轉矩及啟動電流，并滿足

式中：Ts′為經(jīng)自耦變壓器抽頭啟動轉矩；Ts表示全電壓啟動轉矩；UN為原邊側全電壓；U′為電機啟動時定子側由抽頭的接入電壓；Is′為自耦變原邊側線電流；Is′為副邊側線電流；N1為原邊側線圈匝數(shù)；N2為副邊側線圈匝數(shù)。

該降壓啟動方式為分步跳躍上升恒壓式啟動，啟動過程中存在再次沖擊電流、沖擊轉矩、不能軟停車等缺陷[3]，這對于升降系統(tǒng)非必要緊急故障下的停車是不利的，會折損機械傳動部件的使用壽命。

(3) 永磁同步電機自控變頻運行方式。利用同步電機同步轉速的跟隨特性，使通定子電源頻率可調，從而對電機同步轉速進行調節(jié)，利用轉子側位置編碼器檢測磁極位置以調整定子電流頻率和相位，從而獲得輸出轉矩控制。在升降系統(tǒng)硬件配置上，該方案較傳統(tǒng)方案要求高，但是能獲得相對更好的功率密度[4]。

(4) 異步電機矢量控制、直接轉矩控制方式。在變壓變頻成熟方案的基礎上，對于升降電機轉矩的高性能動態(tài)響應控制提出了要求，通過電機轉速、電壓、電流的采樣，分別借助轉子、定子磁鏈模型計算出磁鏈的幅值與相位，從而獲得磁鏈、轉矩的閉環(huán)控制。該方案增加了數(shù)據(jù)計算量，但鑒于數(shù)字信號處理器固件的運算能力及變頻器開關管的工作頻率，可增加轉矩控制的靜、動態(tài)性能。

1.4 升降控制系統(tǒng)的構成

升降控制系統(tǒng)基于冗余思想設計，允許故障失效的升降單元個數(shù)限定為：對于單個弦梁不超過1個升降單元，單個樁腿不超過2個升降單元，全平臺不超過3個升降單元。故障失效是指基于基本設計正常升降的載荷工況，部分或完全失去1個或數(shù)個升降單元情況下，升降系統(tǒng)的剩余提升能力。因此，除了失去對應升降轉矩外，控制系統(tǒng)還需提供隔離和越控功能，使剩余部分升降單元的驅動不受影響。

自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)通常包括以下部分：升降系統(tǒng)中央控制臺，主電源變壓器，變頻驅動柜，電力配電柜及電機控制中心，負荷轉移就地控制臺，小齒負荷監(jiān)測及監(jiān)控系統(tǒng)，升降單元轉矩調整系統(tǒng)，樁腿高度及相位偏差控制系統(tǒng)。升降控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 升降控制系統(tǒng)外部框圖

中央控制臺配有各樁腿升降操作主令按鈕、氣泡水平儀、電子水平儀和監(jiān)控操作屏等。在升降控制臺實施平臺的升、降操作；監(jiān)控屏可顯示每個升降小齒輪所承受的動態(tài)負荷或靜態(tài)載荷(如果配置了升降單元負荷傳感器)，弦梁、樁腿的總動態(tài)負荷以及升降馬達的工作電流、頻率、功率和樁腿高度等；電子水平儀實時顯視平臺的水平姿態(tài)。

升降控制系統(tǒng)是基于變頻驅動裝置以集控為主、分布控制為輔的控制系統(tǒng)。通常，升降操作在中央控制臺實施遠程集中控制，在本地僅能實現(xiàn)功能有限的單樁腿基本操作，除了中央控制臺以外，其余組件均被設計成為各樁腿獨立運行服務，這樣的設計可以最大限度降低各樁腿之間的運行關聯(lián)度，有效提升單個樁腿的操縱性，提高整個升降系統(tǒng)的經(jīng)濟可靠性。

電機控制中心通常與變頻驅動柜組合作為升降單元的電力驅動輸出環(huán)節(jié)，其主要功能包括：升降單元電機驅動輸出執(zhí)行、升降單元剎車器輸出執(zhí)行、升降單元電機超速監(jiān)測、電機負荷監(jiān)測和安全回路監(jiān)測等。上述的監(jiān)控、檢測信息通過現(xiàn)場總線Profibus-DP與本地設備(變頻驅動器、就地控制站和中央控制站)連接互通。

2 升降系統(tǒng)電氣傳動特點分析

根據(jù)交流傳動方案，對升降系統(tǒng)而言，不論是恒壓頻比控制系統(tǒng)，還是基于矢量、直接轉矩控制技術的高動態(tài)性能系統(tǒng)，其最終的目標控制量都是升降電機的輸出轉矩。但是轉矩的控制比較復雜，尤其是當采用矢量控制時，需對定子電流的勵磁分量與轉矩分量進行解耦，雖然這一算法由變頻器集成實現(xiàn)，但對于控制系統(tǒng)的響應時間和實現(xiàn)成本都會提出要求。

2.1 升降電機電磁轉矩分析

以升降系統(tǒng)應用最廣泛的三相感應電機為例，根據(jù)機電能量轉換原理，在多繞組電機、線性電感的條件下，得到電機電磁轉矩的瞬時值方程[4](動態(tài)模型)為

Te=npLms[(iAia+iBib+iCic) sinθ+(iAib+iBic+iCia) sin(θ+120°)+

式中：iA，iB，iC為電機的定子相電流瞬時值；ia，ib，ic為電機的轉子相電流瞬時值；Lms為與定子一相繞組所交鏈的最大磁通互感；θ為定轉子間互感矩陣的相角差初始相位。

由于電感陣的規(guī)模為6階，數(shù)學模型計算復雜，必須采用磁動勢等效原則的坐標變換，將三相交流坐標系等效為兩相旋轉直流坐標系，從而簡化計算。

2.2 異步電機變壓變頻控制

以三相感應電機為例，電機最大電磁轉矩方程[4]為

式中：Us為定子相電壓；ω1為電源角頻率；Rs為電機每相定子電阻；Lls為電機每相定子漏感；Llr′為電機每相定子折合后的轉子漏感；np為電機極對數(shù)。

式(3)為多變量耦合、非線性時變系統(tǒng)，其中Us和ω1與轉矩呈正比關系，當升降系統(tǒng)在驅動器預勵磁啟動或降速停車時，特別在基頻以下低速段時，最大轉矩較電機額定頻率時明顯降低。由于定子阻抗壓降存在，對于動態(tài)性能要求不高的變壓、變頻升降控制方案，在驅動設計時應對定子壓降采取補償，根據(jù)不同的升降負載模式選用不同的參數(shù)組及補償曲線，以獲得較好的帶載啟動能力。

3 升降系統(tǒng)電氣傳動應用設計

鑒于升降系統(tǒng)機電傳動的特點，結合固樁架的結構特性，基于Friede & Goldman JU 2000E型自升式平臺基本設計，升級單元的安裝布置宜選用轉差較大的電機作為升降單元電機。某項目每個樁腿配備一套獨立的變頻驅動柜，以實現(xiàn)單個樁腿的獨立操控；每個變頻驅動柜配備4個進線斷路器(2組并聯(lián))，主回路電抗器和整流、逆變單元。

該項目選用同步轉速為1 800 r/min(定子極對數(shù)為2)的鼠籠式三相異步電機，在額定工況下，電機輸出端至升降單元爬升小齒端的速比為8 175∶1，由最大超速停車限速開關值2 000 r/min[5]，得出驅動允許輸出頻率區(qū)間為[0,66.7]。

變頻驅動應用宏根據(jù)升降功能模式定義預置于各樁腿變頻驅動控制器中，簡化參數(shù)組的設定，便于模式切換時快速、準確地調用。對于驅動映射，也可采用分層驅動方案，這涉及到最小抬升系統(tǒng)升降電機的配置位置及數(shù)量。

3.1 升降操作功能模式要求設計

(1) 中央控制模式是在中央控制臺進行平臺升降操作的模式，在該模式下，3個樁腿將依次啟動，每個樁腿的18臺升降單元電機將被驅動。根據(jù)JU 2000E平臺的基本設計，各樁腿的驅動提升采用互為獨立的驅動方案，即對于1個樁腿采用共直流母線方式一對多傳動，從而滿足單樁腿的獨立操作及各升降單元的同步運行。

(2) 負荷轉換模式用于實現(xiàn)升降單元小齒輪與鎖緊裝置齒板間的平臺載荷轉移，當船體負荷作用在鎖緊齒板上時，在升降樁腿前應當先將該負荷轉移到升降小齒上，然后再脫出鎖緊齒板；反之在樁腿升降操作完成、鉆井、濕拖、風暴承載幾種工況時，可將鎖緊齒板嚙合，然后將負荷從升降單元小齒轉移到鎖緊裝置上。在該模式下，被選中樁腿的單弦管6臺升降單元將被同時驅動。

(3) 相位偏差調整模式用于調整樁腿弦管高度差，尤其在平臺升降、插樁操作時調整由于樁靴接觸海床應力導致的樁腿弦管高度差。在該模式下，被選中樁腿的各弦管6臺升降單元能按組驅動。

(4)單機轉矩分配調整模式的設立可滿足對單一升降單元的轉矩調整，系統(tǒng)設計時必須考慮對傳動系統(tǒng)增加1種單一電機模式，尤其是對升降單元進行檢修、更換操作，或當轉矩負荷分配差異過大時，需根據(jù)升降單元的電機輸出轉矩范圍選擇合適轉差率區(qū)間，即實時各機械特性曲線的最大轉矩保持在可調壓調頻范圍內。

3.2 升降傳動電氣保護功能

圖2 電機啟動器(ABB)保護特性曲線

(1) 過載保護。根據(jù)升降系統(tǒng)的運行特點，各升降單元承受的負載始終為動態(tài)分配工況，在不配置負荷傳感器的升降系統(tǒng)中，升降單元電機電流經(jīng)模型轉換計算獲得小齒輪的提升負荷，在采用高轉差功率電機的同時，需采用反時限原理對電機的進行過載保護，對于上級的功率組件VFD同樣需采取保護措施，需要滿足電動機保護、選擇性保護。保護原則是當任一升降電機出現(xiàn)電流過載時按照過載保護邏輯整定值進行反時限脫扣，同時沿電動機斷路器至變頻器既定脫扣曲線的整定作為后備保護；保護邏輯觸發(fā)從而切斷輸出，將閉鎖運行直至故障恢復。根據(jù)選用的ABB電機啟動器開關的保護特性曲線，經(jīng)實踐修正得到速動保護整定區(qū)間，如圖2所示。

圖3 電機轉速與執(zhí)行時間的關系

(2) 超速保護。升降控制系統(tǒng)在電氣參數(shù)保護的基礎上，配置有傳感器監(jiān)控電機的輸出軸轉速。根據(jù)項目實踐，同時采用離心式超速開關及增量式編碼器進行保護，并在每個樁腿上選擇任意2個弦管進行冗余配置，即單個樁腿的任意1個超速保護裝置發(fā)生動作都會使控制系統(tǒng)采取停車保護措施，從而對任何工況、意外情況下的傳動軸超速采取可靠的響應措施。

電機轉速與執(zhí)行時間的關系如圖3所示，圖3中工況case 1為緊急停止工況，該工況存在故障檢測周期、硬件執(zhí)行時的加速過程，著重考慮平臺降落正常操作時重力因素所致最大電機轉速作為保護整定基準。工況case 2為超速發(fā)生時，在超速保護開關動作前，電機的轉速特性及最大降速時間，其中超速保護開關需考慮設備固有的動作誤差，本系統(tǒng)依據(jù)制造商數(shù)據(jù)將誤差設為20%。工況case 3為故障模式，該工況下升降電機未提供轉矩，由于剎車釋放失去反作用轉矩，在重力勢能作用下，通過機械傳動使電機呈線性超速，直至觸發(fā)安保系統(tǒng)動作。工況case 4為編碼器超速監(jiān)測失效模式，當電機轉速超過設定值時(該系列項目設定為1 950 r/min)，安全保護系統(tǒng)執(zhí)行既定保護。

(3) 剎車保護。根據(jù)故障安全原則，升降單元的剎車單元采用彈簧自作用、電磁釋放型碟剎，具有磨損自調整功能，機械部分配有延伸至剎車外部的連桿，用于手動釋放功能，電氣部分配備嚙合狀態(tài)開關、剎車磨損檢測限位開關、過熱開關和空間加熱器等。

剎車釋放控制根據(jù)變頻傳動輸出的剎車釋放參考頻率值作為邏輯判斷依據(jù)，在系統(tǒng)設計時首先依據(jù)變頻器內部的控制狀態(tài)判斷是否滿足釋放初始狀態(tài)，即通過驅動頻率達到下限值、電機運行信號反饋、轉子磁場建立來給定參考頻率。在該項目中，根據(jù)實踐取剎車釋放參考頻率下限值為0.9 Hz，相對地在升降系統(tǒng)停止時取剎車嚙合參考頻率上限值為2.4 Hz。升降單元剎車扭矩與動作時間和擬合曲線如圖4所示，圖中可以看出剎車靜態(tài)扭矩隨指令狀態(tài)的變化趨勢，其中(t2-t1)表示剎車動作后達到80%額定靜態(tài)扭矩時間，t3表示剎車釋放得電時刻，t4表示剎車電磁閥動作完成時刻。

圖4 升降單元剎車扭矩與動作時間擬合曲線

4 結語

經(jīng)過國內外多個項目不同驅動器的實踐驗證，基于傳統(tǒng)電壓、頻率協(xié)調控制的驅動方案成熟穩(wěn)定，能滿足一般正常的升降操作工況?；诂F(xiàn)代電氣傳動控制理論的磁鏈定向控制技術可應用于高性能響應平臺升降操作的各種工況中，包括故障失效模式，可對每組升降單元電機的輸出轉矩、磁鏈(轉子或定子)進行獨立的調節(jié)器閉環(huán)控制和監(jiān)測，極大地增加了整個升降平臺的操作安全性。當檢測到機械傳動端引入過載時，可采取措施封閉逆變器功率驅動管，從而使外圍斷路器的脫扣成為可靠的后備保護，有效防止過載導致的升降單元機械損傷。

從目前的市場實踐應用看，多傳動矢量控制技術及直接轉矩控制技術在大功率鉆井交流傳動及船舶、平臺電力推進方面獲得了廣泛應用，而在平臺升降系統(tǒng)方面的應用卻較少，未來可將此作為一個研究方向。

[1] NOV.Technical Specification-Electric Rack & Pinion Jacking System for F&G JU2000E Jack Up Rig [R].National Oilwell Varco,2008

[2] 中國船舶工業(yè)集團公司，中國船舶重工集團公司，中國造船工程學會.船舶設計實用手冊：電氣分冊[M].3版.北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[3] 海洋石油工程設計指南編委會.海洋石油工程設計指南：第三冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2008.

[4] 陳伯時，阮毅，陳維鈞，等.電力拖動自動控制系統(tǒng)：運動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[5] F&G VFD-750 Jacking System Operations Manual[Z].Friede & Goldman Ltd.，2015.

System Configuration and Control of AC Drive Jacking System
for Jack-Up Drilling Rig

YUAN Feihui,ZHANG Jiyu,ZHANG Mingming，YANG Xuelian

(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.,Ltd.,Shanghai 200137,China)

In view of the modern electrical drive control theory,the analysis of common principle on drilling rig electrical drive jacking system is presented.Several AC drive solution for jacking system is proposed with the theoretical analysis on applicability of high performance drive control by vector control,direct torque control technique.The main electrical drive configuration and application design of modern conventional variable frequency drive jacking system are obtained based on the basic design of jacking system for JU 2000E jack-up drilling rig,which covers the control mode scheme and elctrical drive protection function design.System configuration and functionality are in compliance with design and regulation requirements by demonstration of jacking trial in several projects.It provides reference for optimization,upgrade and application for electromagnetic torque of jack-up drilling rig.

jack-up drilling rig; jacking drive system; electromagnetic torque; rotor flux; vector control; protection

2017-04-21

袁飛暉(1978-)，男，高級工程師

1001-4500(2017)03-0006-06

TM921.2

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