DP-3 鉆井船應急關斷系統(tǒng)自主設計

曾國詠 郭 燁 張 威

（上海振華重工（集團）股份有限公司 上海200125）

引 言

由于全球?qū)υ托枨蟮某掷m(xù)增長，海洋石油深海探索日益加劇，海洋工程技術也得到飛速的發(fā)展與提高。海上人命、平臺安全問題已是海工行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的重要課題。

應急關斷系統(tǒng)是當發(fā)生意外事故時，通過限制它的持續(xù)時間、擴散區(qū)域和嚴重程度［2］，盡可能將危害控制在最小范圍內(nèi)，從而保護海上人命、環(huán)境和設備的安全。該系統(tǒng)主要通過船舶/平臺上的設備關斷和報警通告來實現(xiàn)。

激活應急關斷系統(tǒng)能確保船舶和設備的安全要求，以便盡可能減小應急情況造成的影響。

目前大型海工項目應急關斷系統(tǒng)的設計，真正由船廠自行完成整個系統(tǒng)的設計是相當少的，一般借助于成熟廠家的設計（如Kongsberg Emerson 等），這些廠家的設計方案多數(shù)基于他們已做過項目的經(jīng)驗，對于船東個性化的需求考慮比較少，而且廠家的設計需要船廠設計人員提供最新的設計輸入，一旦設計輸入的變化引起廠家設計的變化，廠家都會提出高昂的設計變更費用，并且廠家修改的周期不可控，可能會造成很多額外的隱形成本。

本文著重于DP-3 超深水鉆井船應急關斷系統(tǒng)的自主設計，根據(jù)船東個性化需求，由船廠人員自行完成整個系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)應急關斷系統(tǒng)的完全控制，減少因單個區(qū)域發(fā)生火災或探測到氣體對附近區(qū)域、DP 能力、鉆井操作乃至全船的影響，從而保障海上人命、平臺的安全。

本文基于某由GE 提供應急關斷設備的鉆井船，采用安全完整性等級SIL 控制器和雙重冗余網(wǎng)絡，由船廠完成自主設計，能滿足當前主流鉆井船或鉆井平臺，特別是DP-3 緊湊型深水鉆井船的使用要求。比較Kongsberg Maritime 的應急關斷系統(tǒng)控制集成在中控系統(tǒng)中，屬于全船中控系統(tǒng)的一個分系統(tǒng)，本項目的應急關斷系統(tǒng)設計為一套完全獨立于中控系統(tǒng)之外的系統(tǒng)，具有完全的獨立性和更高的可靠性，便于船廠的自主設計在后續(xù)項目及類似項目的推廣應用。

1 應急關斷系統(tǒng)設計方法

通過研究DP-3 緊湊型深水鉆井船的應急關斷系統(tǒng)的設計，結(jié)合結(jié)構、管系、通風、電氣相關系統(tǒng)的合成，從系統(tǒng)的配置、系統(tǒng)的網(wǎng)絡、關斷等級的劃分、系統(tǒng)的接口、技術文件的輸出等，總結(jié)出一套完整的應急關斷系統(tǒng)設計方法，對于此系列的鉆井船或鉆井平臺有著積極的指導作用。本文將從以下幾個方面簡單闡述。

1.1 基本技術狀態(tài)

本船由6 臺柴油發(fā)電機組分別位于3 個機艙中，并通過3 塊11 kV 高壓配電板、3 塊440 V 低壓輔助配電板、2 塊440 V 鉆井輔助配電板、2 塊600 V 鉆井VFD 配電板、6 塊推進器VFD、6 塊推進器MCC、5 塊泵艙MCC、以及若干220 V 配電板和UPS 進行配電。

本船由6 臺全回轉(zhuǎn)推進器組成，根據(jù)DP-3 要求分為3 組［5］。應急關斷系統(tǒng)設計緊密依靠此3組電力系統(tǒng)分隔進行分散式設計，如圖1 所示［1］。

圖1 DP-3分組

1.2 設計思路

1.2.1 應急關斷系統(tǒng)的配置

該船采用GE 的應急關斷系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如下：

（1）兩套應急關斷控制站，每套控制站由1 個主控制柜和1 個信號采集柜組成，每套控制站都包含輸入/輸出模塊、冗余控制器以及和其他系統(tǒng)之間的硬點/軟點的通訊接口，控制器本身滿足安全完整性等級SIL 2 的要求；

（2）3 個安全操作工作站（和火氣系統(tǒng)共用）；（3）雙冗余網(wǎng)絡；

（4）4 塊帶應急關斷按鈕和指示以及火氣系統(tǒng)指示的矩陣板；

（5）若干安裝在船上重要位置的能激活應急關斷系統(tǒng)相應等級的就地應急關斷按鈕。

因該船總長約210 m，所以2 個主控制柜和2個信號采集柜各分為前后兩組，一組位于船首生活樓里面，一組位于船尾集控室中，以便于相應電纜的敷設和節(jié)省電纜。

1.2.2 應急關斷系統(tǒng)的網(wǎng)絡

應急關斷系統(tǒng)由兩個網(wǎng)絡組成，一個是SIS 信息網(wǎng)絡，一個是SIS 安全網(wǎng)絡，兩個網(wǎng)絡都是冗余的，并且相互獨立互不影響；同時SIS 信息網(wǎng)絡和全船集中控制系統(tǒng)IAS 網(wǎng)絡進行通信［4］，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

SIS 信息網(wǎng)絡（SIS Information Network）：應急關斷系統(tǒng)通過專屬的信息網(wǎng)絡連接到連接在中控網(wǎng)絡上的3 個安全工作站，以便操作員監(jiān)視和控制應急關斷系統(tǒng)。同時，因為信息網(wǎng)絡連接到中控網(wǎng)絡，所以應急關斷系統(tǒng)也可以實現(xiàn)從中控系統(tǒng)控制站上監(jiān)視和控制。

SIS 安全網(wǎng)絡（SIS Safety Network）：該網(wǎng)絡用于連接所有的應急關斷和火氣安全系統(tǒng)，這是一個具有雙重冗余的安全完整性等級SIL 3 專有協(xié)議，基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡，任何其他系統(tǒng)/設備都不能連接至該網(wǎng)絡中。

艏部和艉部的應急關斷控制柜直接通過專屬的安全網(wǎng)絡相連接以確保艏艉組成一個完整的應急關斷系統(tǒng)，實現(xiàn)控制邏輯的完整性和統(tǒng)一性。

1.2.3 應急關斷系統(tǒng)等級的劃分

該船的應急關斷系統(tǒng)分為4 個等級。

（1）4 級：棄船關斷

此系最高等級的關斷，僅僅在棄船前激活，用于隔離不間斷電源及其電池、應急發(fā)電機開關、應急配電板。

（2）3 級：火氣關斷

● 3-3 級：主要區(qū)域火氣關斷

該級關斷包含DP 左舷部分電源、DP 中間部分電源、DP 右舷部分電源、鉆井區(qū)域和生活樓區(qū)域。

3 個DP 部分電源關斷嚴格根據(jù)DP3 要求劃分，用于隔離對應的高壓配電板、低壓配電板及關斷該區(qū)域的水密滑門、風機、防火風閘［3］；鉆井區(qū)域根據(jù)鉆井作業(yè)劃分，用于隔離600 V 鉆井變頻配電板和鉆井440 V 輔助配電板；生活樓里面因為人員眾多，從安全性和重要性考慮也劃分了一個較高的等級，用于關斷生活樓防火門、風機、防火風閘。

● 3-2 級：次要區(qū)域火氣關斷

該級關斷包含3 個機艙、6 個推進器艙、5 個泵艙、應急發(fā)電機室和5 個蓄電池間。這些艙室主要根據(jù)DP 和鉆井作業(yè)劃分，用于關斷相應區(qū)域的油泵、風機、防火風閘、水密滑門，應急發(fā)電機室關斷還包括關斷應急發(fā)電機，蓄電池間關斷還包括關斷蓄電池充電器。

● 3-1 級：其他區(qū)域火氣關斷

該級關斷包含廚房和洗衣間，因這兩房間屬于比較容易著火的區(qū)域，用于關斷相應區(qū)域的風機、防火風閘、廚房設備、洗衣設備。

（3）2 級：進程關斷

鉆井相關進程的關斷，如泥漿處理系統(tǒng)、固井系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、頂驅(qū)系統(tǒng)、絞車系統(tǒng)等屬于鉆井包的關斷范圍。

（4）1 級：設備關斷

單個設備的關斷，屬于每個設備自身的關斷范圍，如鍋爐、焚燒爐的應急停止。

1.2.4 應急關斷系統(tǒng)的接口

應急關斷系統(tǒng)將會從火氣探測系統(tǒng)接收信號，并將信號發(fā)送至需要關斷的設備。主要與其他系統(tǒng)的接口如下：

（1）火氣探測系統(tǒng)

（2）中控系統(tǒng)

（3）主發(fā)電機組

（4）應急發(fā)電機組

（5）不間斷電源

（6）風機和油泵相關的配電系統(tǒng)

（7）防火風閘系統(tǒng)

（8）水密滑門系統(tǒng)

應急關斷系統(tǒng)主要接收從火氣探測系統(tǒng)探測到的火災、可燃氣體和有毒氣體的確認信號，從而關斷相應區(qū)域的相關設備，如風機、油泵等，以降低可能會造成的影響。應急關斷系統(tǒng)還會從火氣探測系統(tǒng)接收防火風閘的關斷信號，從而關斷相應的風機，以實現(xiàn)風閘與風機的連鎖。

就地設備（如風機和油泵），原則上是從上一級的配電板、馬達控制中心或分電箱上實現(xiàn)關斷，從根源上關斷其電源，更加安全可靠。

1.2.5 技術方案的輸出

完整的技術方案輸出圖紙清單如下：

（1）應急關斷系統(tǒng)規(guī)格書

（2）火氣系統(tǒng)規(guī)格書

（3）火區(qū)的劃分

（4）火氣探測系統(tǒng)的布置圖

（5）火氣探測系統(tǒng)的回路圖

（6）應急關斷系統(tǒng)的輸入輸出清單

（7）火氣系統(tǒng)的輸入輸出清單

（8）應急關斷系統(tǒng)的因果邏輯圖

（9）火氣系統(tǒng)的因果邏輯圖

（10）安全系統(tǒng)設備清單

（11）應急關斷系統(tǒng)圖

1.3 系統(tǒng)特點

（1）安全性高。單個區(qū)域發(fā)生火災或探測到氣體不會對相鄰區(qū)域造成影響，特別是對DP 和鉆井操作的影響減小到最小。

（2）可靠性高。本系統(tǒng)配有滿足SIL2 要求的三重冗余控制器和雙重冗余網(wǎng)絡，增加了系統(tǒng)的可持續(xù)性。

（3）自動化程度高，本系統(tǒng)設有手動、自動和越控抑制模式，能滿足各種條件下的使用要求。

（4）操作方便，本系統(tǒng)在控制站設有3 個工作站和4 個Matrix 板，方便操作、報警和指示。

1.4 IO點

對于本項目，應急關斷系統(tǒng)約有520 個硬點，其中不包括風閘關斷的硬點。原則上對于一般的IO 硬點采用正常通電NE（Normally Energized）信號，不具備線路監(jiān)測功能，對于影響DP 和鉆井作業(yè)相關的IO 點采用正常不通電NDE（Normally De-energized）信號，并具備斷線監(jiān)測功能。

2 結(jié) 語

隨著深水鉆井作業(yè)的日益增加，DP-3 應用會越來越多，適用于DP-3 的應急關斷系統(tǒng)也將得到廣泛應用，特別是在作為主流船型的DP-3 緊湊型深水鉆井船上。

本文通過對DP-3 鉆井船應急關斷系統(tǒng)的研究分析，結(jié)合DP-3 的相關技術要求，對DP-3 類型鉆井船的應急關斷系統(tǒng)的設計進行匯總整理，內(nèi)容涵蓋應急關斷系統(tǒng)的配置、網(wǎng)絡、關斷等級的劃分、系統(tǒng)的接口和技術文件的輸出。全面性地對DP-3鉆井船的應急關斷系統(tǒng)設計進行剖析和設計說明，可為同類型海洋工程項目應急關斷系統(tǒng)設計提供參考依據(jù)。