超深水DP-3鉆井船失電后快速恢復(fù)及漂移控制

丁 海，郭 金

(上海中遠(yuǎn)船務(wù)技術(shù)研發(fā)中心，上海 200231)

?

超深水DP-3鉆井船失電后快速恢復(fù)及漂移控制

丁 海，郭 金

(上海中遠(yuǎn)船務(wù)技術(shù)研發(fā)中心，上海 200231)

為實(shí)現(xiàn)超深水DP-3鉆井船在3 min之內(nèi)從失電到恢復(fù)定位并停止漂移的能力，對(duì)鉆井船設(shè)備配置、失電后供電及推進(jìn)系統(tǒng)啟動(dòng)流程進(jìn)行介紹，并詳細(xì)分析其實(shí)時(shí)模擬圖像，從理論和實(shí)例中證實(shí)該型鉆井船的供電可靠性和故障恢復(fù)能力。有利于開拓國(guó)際市場(chǎng)和提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

DP-3鉆井船; 失電恢復(fù); DP定位能力; 漂移

0 引言

超深水動(dòng)力定位鉆井船電力的完全喪失會(huì)引發(fā)重大的災(zāi)難，保證電力系統(tǒng)在失電后快速恢復(fù)，使鉆井船在最短時(shí)間內(nèi)重新獲得定位能力，是保證鉆井船自身及井下作業(yè)安全的重要環(huán)節(jié)。

本文以上海中遠(yuǎn)船務(wù)設(shè)計(jì)建造的某型DP-3鉆井船為研究對(duì)象，該船主電力系統(tǒng)由6臺(tái)發(fā)電機(jī)組、6臺(tái)推進(jìn)器、1臺(tái)可用作停泊發(fā)電機(jī)的應(yīng)急發(fā)電機(jī)及相關(guān)聯(lián)的低壓配電板、電機(jī)控制中心和不間斷電源系統(tǒng)(Uninterruptible Power Supply,UPS)等組成。為保證該型鉆井船在失電后快速恢復(fù)定位功能，在設(shè)計(jì)初期階段即充分考慮全船設(shè)備的供電分布情況，并結(jié)合自動(dòng)化功率管理系統(tǒng)(Power Management System,PMS) 對(duì)全船的主要和重要負(fù)載進(jìn)行起?？刂?，并對(duì)運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)儀表進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

失電故障發(fā)生后：第一步立即啟動(dòng)主發(fā)電機(jī)及應(yīng)急發(fā)電機(jī)，同時(shí)對(duì)主發(fā)電機(jī)運(yùn)行的必要輔助設(shè)備進(jìn)行再啟動(dòng)控制，包括相關(guān)的燃油、冷卻水、通風(fēng)；第二步對(duì)于影響推進(jìn)器恢復(fù)定位能力的必需輔助設(shè)備在電站恢復(fù)后立即啟動(dòng)，包括控制轉(zhuǎn)角的液壓?jiǎn)卧?，滑油單元，推進(jìn)器的變頻器預(yù)充磁、冷卻水、通風(fēng)，啟動(dòng)推進(jìn)器并恢復(fù)其定位能力。

1 技術(shù)方案制定

1.1 主電力系統(tǒng)分布概況

該項(xiàng)目的主電力系統(tǒng)由3組完全獨(dú)立的供電系統(tǒng)(Split 1,Split 2和Split 3)和應(yīng)急電源構(gòu)成，這3組系統(tǒng)在物理分割上完全滿足A60級(jí)防火分隔的要求[1-2]。主電力系統(tǒng)配置及布置見表1。

全船失電故障發(fā)生時(shí)，3組Split通過(guò)安裝在中壓配電板內(nèi)保護(hù)裝置的設(shè)定全部解列為3組獨(dú)立系統(tǒng);當(dāng)啟動(dòng)恢復(fù)供電程序后，首先啟動(dòng)1#，3#和5#主發(fā)電機(jī)，指令發(fā)出10 s后同時(shí)啟動(dòng)2#，4#和6#主發(fā)電機(jī)。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)在同一時(shí)間自動(dòng)啟動(dòng)，當(dāng)應(yīng)急配電板接入電網(wǎng)后，可對(duì)主機(jī)進(jìn)行供電(如電動(dòng)燃油供給泵等)并保證主機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 主發(fā)電機(jī)重新啟動(dòng)過(guò)程

主機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)1路AC 220 V主電源和1路DC 24 V UPS 電源供電，當(dāng)全船失電時(shí)，DC 24 V UPS電源繼續(xù)為主機(jī)控制回路供電，在接收到PMS啟動(dòng)主機(jī)指令后，保證主發(fā)電機(jī)可以迅速啟動(dòng)。

該項(xiàng)目為主機(jī)提供兩種類型的燃油供給泵：電動(dòng)和氣動(dòng)。考慮縮短主機(jī)啟動(dòng)時(shí)間(主發(fā)電機(jī)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，主發(fā)電機(jī)啟動(dòng)所需的燃油泵在應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動(dòng)的同時(shí)，即應(yīng)急配電板恢復(fù)前即可開始工作)，設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先使用氣動(dòng)泵的方法，該氣動(dòng)泵的控制由PMS控制氣動(dòng)閥的開/閉狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電站恢復(fù)正常后，PMS將自動(dòng)切換到電動(dòng)泵進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的燃油供給工作。主機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間由長(zhǎng)期項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)得出，一般為15～20 s。

1.3 推進(jìn)器重新啟動(dòng)過(guò)程

推進(jìn)器控制相關(guān)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角可以通過(guò)推進(jìn)器手動(dòng)控制系統(tǒng)(Manual Thruster Control,MTC)、動(dòng)力定位(Dynamic Positioning,DP)系統(tǒng)和獨(dú)立操縱桿系統(tǒng)(Independent Joystick System,IJS)3個(gè)獨(dú)立操作系統(tǒng)完成。當(dāng)主電站恢復(fù)后，與推進(jìn)器關(guān)聯(lián)的輔助設(shè)備運(yùn)行：(1) 變壓器的冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，變壓器供電準(zhǔn)備工作完成；(2) 變頻器預(yù)充磁、冷卻水泵啟動(dòng)，二者同時(shí)完成變頻器的準(zhǔn)備工作；(3) 與轉(zhuǎn)角相關(guān)的液壓?jiǎn)卧突蛦卧苍谕粫r(shí)間內(nèi)恢復(fù)工作，時(shí)間不超過(guò)5 s；(4) 與推進(jìn)器電機(jī)相關(guān)海水/淡水冷卻水泵和風(fēng)機(jī)的分級(jí)啟動(dòng)時(shí)間不超過(guò)10 s。因此，推進(jìn)器從主電站恢復(fù)供電后到準(zhǔn)備接收DP系統(tǒng)控制時(shí)間不超過(guò)15 s。

DP系統(tǒng)正式介入推進(jìn)器控制后，可使推進(jìn)器轉(zhuǎn)速?gòu)?達(dá)到DP預(yù)定轉(zhuǎn)速，并結(jié)合海況環(huán)境調(diào)整轉(zhuǎn)角。同時(shí)考慮推力情況，確定第2組發(fā)電機(jī)是否需要并網(wǎng)供電提供足夠的電站容量。根據(jù)文獻(xiàn)[3-4]，此階段時(shí)間不超過(guò)45 s。

鉆井船從全船失電到恢復(fù)定位能力的流程如圖1所示：在推進(jìn)器恢復(fù)過(guò)程中，PMS會(huì)控制主要負(fù)載的起停；當(dāng)全船失電發(fā)生后，首先無(wú)延時(shí)同時(shí)啟動(dòng)1#，3#，5#發(fā)電機(jī)，10 s延時(shí)后，再同時(shí)啟動(dòng)2#，4#，6#發(fā)電機(jī)。鉆井船配電板恢復(fù)供電到推進(jìn)器恢復(fù)啟動(dòng)的詳細(xì)流程如圖2所示，圖中只列出了第1組電力及推進(jìn)器恢復(fù)的詳細(xì)信息，第2組和第3組的恢復(fù)啟動(dòng)流程同第1組。

圖2 鉆井船配電板恢復(fù)供電到推進(jìn)器恢復(fù)啟動(dòng)的詳細(xì)流程圖

由圖1和圖2可以看出：主發(fā)電機(jī)組和推進(jìn)器的啟動(dòng)時(shí)間基本為固定時(shí)間，主機(jī)啟動(dòng)時(shí)間設(shè)定為20 s，推進(jìn)器準(zhǔn)備時(shí)間為15 s。主機(jī)并網(wǎng)成功后，為了減小電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，采取了分級(jí)啟動(dòng)原理，將與主機(jī)和推進(jìn)器相關(guān)的輔助設(shè)備進(jìn)行分步啟動(dòng)，分別在第0 s,5 s，10 s啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備。

2 鉆井船失電后漂移軌跡的模擬分析

采用DP 系統(tǒng)的模擬軟件，模擬最惡劣工況下恢復(fù)不同組別推進(jìn)器時(shí)鉆井船失電后的漂移軌跡路線。

2.1 恢復(fù)推進(jìn)器T2，T3，T5和T6的模擬結(jié)果

恢復(fù)推進(jìn)器T2，T3，T5和T6后鉆井船漂移軌跡模擬過(guò)程如圖3所示。圖3中，十字坐標(biāo)原點(diǎn)為鉆井船原始工作位置，黑色軌跡的端點(diǎn)為鉆井船失電、快速恢復(fù)供電后DP系統(tǒng)控制鉆井船停止漂移的位置。模擬風(fēng)速為9.40 m/s，海流對(duì)鉆井船的作用力為1178.9 kN，圖中艏向角度顯示了鉆井船在恢復(fù)定位后鉆井船艏向與在失電前鉆井船艏向的偏移角度，這個(gè)值反映了鉆井船在DP系統(tǒng)作用下鉆井船恢復(fù)到新的定位位置的能力。在此過(guò)程中，推進(jìn)器輸出作用力用以對(duì)抗風(fēng)速及海流的影響，圖中分別顯示了每個(gè)推進(jìn)器的輸出作用力及合成力(1 566.2 kN)，外部因素及推進(jìn)器對(duì)鉆井船艏部所做的功為12 648 kN·m，鉆井船艏部處箭頭方向表示推進(jìn)器作用及外部環(huán)境作用下鉆井船的運(yùn)動(dòng)方向。參與失電后恢復(fù)動(dòng)力定位的推進(jìn)器的輸出功率與額定功率百分比反映了推進(jìn)器的定位能力在一定范圍內(nèi)還有余量。

圖3 鉆井船漂移軌跡(恢復(fù)推進(jìn)器T2,T3,T5,T6)

圖4為恢復(fù)推進(jìn)器T2，T3，T5和T6后鉆井船漂移的時(shí)間軸，可以看出：當(dāng)鉆井船失電(t=120 s)后，由于慣性等作用，在t=120 s之前仍處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的位置。隨著推進(jìn)器動(dòng)作的停止，在風(fēng)力和洋流的共同作用下，鉆井船在橫向(左右)及艏艉方向開始漂移(t=120～210 s)，在t=210 s時(shí)到達(dá)漂移的最遠(yuǎn)位置，此時(shí)，2組推進(jìn)器已經(jīng)恢復(fù)定位功能，對(duì)鉆井船開始重新定位，使其恢復(fù)到新設(shè)定的位置。

圖4 鉆井船漂移時(shí)間軸(恢復(fù)推進(jìn)器T2,T3,T5,T6)

2.2 恢復(fù)推進(jìn)器T1,T2,T4和T5的模擬結(jié)果

恢復(fù)推進(jìn)器T1，T2，T4和T5后鉆井船漂移軌跡模擬過(guò)程如圖5所示，漂移時(shí)間軸如圖6所示。

圖5 鉆井船漂移軌跡(恢復(fù)推進(jìn)器T1,T2,T4,T5)

圖6 鉆井船漂移時(shí)間軸(恢復(fù)推進(jìn)器T1,T2,T4,T5)

由圖6可以看出：在該工況下，模擬結(jié)果仍滿足要求。

2.3 恢復(fù)推進(jìn)器T1,T2,T3,T4,T5和T6的模擬結(jié)果

恢復(fù)推進(jìn)器T1～T6后鉆井船漂移軌跡模擬過(guò)程如圖7所示，漂移時(shí)間軸如圖8所示。

由7也可以看出：在該工況下，模擬結(jié)果也滿足要求。這說(shuō)明在3 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)超深水DP-3鉆井船失電快速恢復(fù)及漂移控制的方案是可行的。

圖7 鉆井船漂移軌跡(恢復(fù)推進(jìn)器T1,T2,T3,T4,T5,T6)

圖8 鉆井船漂移時(shí)間軸(恢復(fù)推進(jìn)器T1,T2,T3,T4,T5,T6)

3 結(jié)論

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)深水鉆井船失電后恢復(fù)流程研究只停留在利用足夠的時(shí)間恢復(fù)電站。本文通過(guò)配置超深水鉆井船電站和推進(jìn)系統(tǒng)，合理進(jìn)行電力及推進(jìn)系統(tǒng)的布局分隔，利用流程圖及分步時(shí)間設(shè)定，計(jì)算失電后快速恢復(fù)鉆井船供電并控制漂移的時(shí)間分析，使恢復(fù)流程更加清晰化、條理化，并結(jié)合工作海域環(huán)境條件，模擬在惡劣海況下鉆井船的定位能力，驗(yàn)證了該DP-3鉆井船在全船失電后，可在最快的時(shí)間內(nèi)(3 min)恢復(fù)電站供電和定位能力，有利于國(guó)際市場(chǎng)的開拓和提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] IMO.IMO Guidelines for Vessels with Dynamic Positioning[S].1994.

[2] FMEA.Management Guide：IMCA M178[S].2005.

[3] ABS.ABS Rules For Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].2014.

[4] ABS.ABS Rules For Building and Classing Steel Vessels[S].2014.

Blackout Recovery and Drift Control Analysis for
Deep Seawater DP-3 Drilling Ship

DING Hai,GUO Jin

(COSCO(Shanghai) Shipyard Co.,Ltd.,Shanghai 200231,China)

In order to realize the ability of a DP-3 drilling ship to recover it’s locating capacity and stop drifting from total blackout within 3 minutes,the configuration of the equipment,supply electricity after loss of power and the starting procedure of propulsion system are described and the real-time analog image is analyzed.The power supply reliability and failure recovery ability of this type of drilling ship are proved by theory and example,which help to develop the international market and enhance the competitiveness of enterprises.

DP-3 drilling ship; blackout recovery； DP locating capacity； drift

2017-02-17

丁 海(1975-)，女，高級(jí)工程師

1001-4500(2017)03-0043-08

U665

A