基于海上平臺上部組塊電氣設(shè)計界面的分類及管理

余 穎，王新剛

(1.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028；2.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201)

隨著海上油田群電網(wǎng)的數(shù)量和容量大幅增加，海上平臺上部組塊內(nèi)外部界面的接口越來越復(fù)雜，對海上平臺上部組塊電氣系統(tǒng)的設(shè)計水平提出了很高的技術(shù)要求。多年的項目實踐證明，平臺上部組塊電氣系統(tǒng)的設(shè)計、實施、運(yùn)行過程中的問題大部分是由于界面管理不清晰引起的。

由于內(nèi)外部界面的各種干擾因素，電氣設(shè)計各階段會存在較大的不確定性，這些不確定性不僅會影響設(shè)計階段的文件編制出版，還可能造成建設(shè)費(fèi)用增加，出現(xiàn)質(zhì)量缺陷、工期被延誤，安全隱患增加等一系列后果[1-2]。

電氣設(shè)計人員必須積極澄清，及時溝通解決界面矛盾，進(jìn)行高效的電氣專業(yè)的界面管理，才能確保電氣系統(tǒng)工程實施的可靠性、完整性，有效規(guī)避項目風(fēng)險。因此，厘清平臺上部組塊電氣系統(tǒng)的界面內(nèi)容及相互之間的關(guān)系，對界面進(jìn)行科學(xué)的管理和監(jiān)控，對于海上油田電氣系統(tǒng)的設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義。

本文以較常見的渤海某油田群的WHP 井口平臺上部組塊為例，詳細(xì)介紹了海上平臺上部組塊電氣系統(tǒng)工程設(shè)計過程的界面內(nèi)容和分類，并對界面管理提出幾點建議。

1 平臺電氣系統(tǒng)構(gòu)成

固定平臺上部組塊按功能可分為：電潛泵采油、集輸油氣和水分離處理與測試、鉆井/修井、帶停機(jī)坪的生活區(qū)。圍繞這4項功能所進(jìn)行的供配電、控制、保護(hù)和電氣連接則構(gòu)成了固定平臺上部組塊電氣設(shè)計的主要內(nèi)容[3]。以渤海某WHP 固定平臺上部組塊電氣系統(tǒng)為例，WHP固定平臺電氣系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示。圖1中,VCB為真空斷路器(高中壓)、TR為雙繞組變壓器、ACB為空氣斷路器(低壓)、BUS為母排、ACB-003/006/008的開關(guān)狀態(tài)NO是指正常工況下斷開。

圖1 WHP 固定平臺電氣系統(tǒng)示意圖

該平臺主要用電設(shè)備涉及電潛泵采油設(shè)備、鉆機(jī)模塊、90人的生活樓、集輸工藝及公用系統(tǒng)的相關(guān)用電設(shè)備。供電主電源是從CEP中心平臺通過7 km、35 kV的海纜引出，接至WHP 固定平臺的35 kV高壓配電盤(WHP-HV-001)給整個平臺供電。WHP-HV-001高壓配電盤有7路出線開關(guān)，其中2路作為鉆機(jī)模塊的主電源，1路備用，4路連接至WHP平臺的4臺主變壓器(WHP-TR-001/002/003/004)，主變壓器的原/副邊額定電壓均為35.0 kV/0.4 kV，額定容量均為3 150 kVA，變壓器低壓側(cè)連接至平臺的400 V低壓配電系統(tǒng)(WHP-LV-001/002)，為平臺的低壓用電設(shè)備供電。同時為應(yīng)對突發(fā)情況，平臺獨(dú)立設(shè)置了應(yīng)急電源，該應(yīng)急電源包括了一套1 000 kW 的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組(WHP-DEG-7001)以及40 kVA的不間斷電源(UPS)，當(dāng)主電源失電時，應(yīng)急發(fā)電機(jī)45 s內(nèi)自動啟動，為平臺應(yīng)急用電設(shè)備供電至少18 h。當(dāng)主電源和應(yīng)急發(fā)電機(jī)均失電時，UPS可為中控、通訊、緊急關(guān)斷、電氣系統(tǒng)跳閘等應(yīng)急逃生設(shè)備供電至少30 min。

2 平臺電氣系統(tǒng)界面分類

平臺上部組塊電氣系統(tǒng)設(shè)計不是一個孤立的過程，需要根據(jù)設(shè)計要求和功能需求，與各方共同推進(jìn)項目的整體進(jìn)度。因此，電氣設(shè)計者需清楚把控與各方的設(shè)計界面及其主要工作內(nèi)容和關(guān)鍵點，以確保在電氣設(shè)計過程中及時掌控界面相關(guān)的設(shè)計內(nèi)容和數(shù)據(jù)[4-5]。本文WHP固定平臺上部組塊的電氣界面主要包括業(yè)主界面、分包商界面以及工程項目組界面，海上平臺上部組塊的電氣界面框圖如圖2所示。

圖2 海上平臺上部組塊的電氣界面框圖

2.1 業(yè)主界面

業(yè)主界面主要包括2個部分：鉆完井界面(主要包括電潛泵配套設(shè)備)、電源界面(陸岸終端或海上平臺)。

業(yè)主通常會將平臺上部組塊的設(shè)計與鉆完井的設(shè)計分給2個不同的承包商設(shè)計，而鉆完井的電潛泵相關(guān)設(shè)備卻要放在平臺上部組塊上，由組塊方來供電并進(jìn)行布置，那么組塊設(shè)計方就與鉆完井設(shè)計方存在界面。另外，當(dāng)固定平臺不設(shè)主電站，電源由油田陸岸終端或其他海上平臺引入電源，就會產(chǎn)生相關(guān)的界面，需要業(yè)主方提供相關(guān)參數(shù)。鉆完井界面及電源相關(guān)參數(shù)作為設(shè)計輸入數(shù)據(jù)，其參數(shù)的確定和界面劃分對電氣設(shè)計的順利開展至關(guān)重要。

1)鉆完井界面。鉆完井的電潛泵用電負(fù)荷在整個平臺的總用電負(fù)荷中占有很大比重，對上部組塊電氣配電系統(tǒng)方案的設(shè)計具有重要的影響，無人駐守平臺的電潛泵用電設(shè)備所占比重，甚至可達(dá)到總電氣負(fù)荷的60%，因此盡早準(zhǔn)確獲取電潛泵用電設(shè)備的相關(guān)信息非常重要。鉆完井的數(shù)據(jù)作為組塊項目設(shè)計輸入數(shù)據(jù)，通常在上部組塊設(shè)計啟動階段由業(yè)主方、鉆完井方和上部組塊方通過專項會議確定參數(shù)及界面劃分，并以正式會議紀(jì)要或備忘錄的形式確認(rèn)相關(guān)內(nèi)容。

以渤海某WHP 平臺為例，該井口平臺建設(shè)34口油井，鉆完井界面劃分主要包括：提供34口電潛泵的逐年用電量；電潛泵用電設(shè)備相關(guān)電纜的外徑及彎曲半徑；電潛泵的地面設(shè)備(電潛泵變頻器、變壓器、濾波器、井口接線盒等)的尺寸、重量及散熱量等。組塊方負(fù)責(zé)34口油井電潛泵地面設(shè)備變頻器配電、所有電潛泵地面設(shè)備的布置、電纜托架的路徑規(guī)劃等。

2)電源界面。當(dāng)固定平臺不設(shè)主電站，電源由油田陸岸終端或其他海上平臺引入時就會產(chǎn)生相關(guān)的界面。作為電源端的用戶，上部組塊設(shè)計方需向業(yè)主方提供平臺所需供電回路數(shù)、負(fù)荷容量需求，并配合業(yè)主方確認(rèn)供電電源的地點、電壓頻率、海纜鋪設(shè)路由等方案，完成平臺與電源的配電開關(guān)繼電保護(hù)的設(shè)定，獲取電源中性點接地方式，電源最大、最小短路容量等信息，并與業(yè)主方明確界面中設(shè)備的采辦、施工、安裝、調(diào)試。電網(wǎng)數(shù)據(jù)作為項目輸入數(shù)據(jù)，通常在組塊設(shè)計啟動階段由業(yè)主方、電源供給方和上部組塊方通過專項會議確定參數(shù)及界面劃分，并以正式會議紀(jì)要或備忘錄的形式確認(rèn)相關(guān)內(nèi)容。

以渤海某WHP 平臺為例，平臺電源引自CEP 中心平臺，通過35 kV 的海纜連接至平臺35 kV 的配電盤，為整個平臺供電。WHP平臺與上級電網(wǎng)的界面主要包括以下內(nèi)容：本項目設(shè)計界面為海纜接線箱，平臺35 kV一路電源均引自CEP平臺35 kV配電系統(tǒng)；CEP 平臺需提供35 kV 系統(tǒng)最大、最小運(yùn)行方式下短路容量，CEP 供電電源開關(guān)的位置和參數(shù)，系統(tǒng)接地方式等接口的技術(shù)參數(shù)；CEP平臺作為電網(wǎng)的主電站，需提供WHP 平臺電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的技術(shù)要求；提供WHP平臺與上級CEP供電電源相配套的繼電保護(hù)裝置技術(shù)參數(shù)，并統(tǒng)籌相關(guān)繼電保護(hù)設(shè)備采辦調(diào)試工作。

2.2 分包商界面

分包商界面，即固定平臺的上部組塊作為一個總包合同商，當(dāng)上部組塊將組塊的鉆機(jī)模塊、生活樓等工程量外包給分包商設(shè)計、施工建造，就會與分包商形成界面。分包商的界面在組塊項目啟動初期就將啟動招投標(biāo)工作，一旦確定分包商，相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和界面劃分在分包合同簽訂時期將作為合同輸入數(shù)據(jù)確定，隨著項目的逐步推進(jìn)，相關(guān)的數(shù)據(jù)及界面將不斷細(xì)化完善[6-7]。

1)鉆機(jī)模塊界面。平臺組塊總包方將平臺鉆機(jī)模塊外包給有經(jīng)驗的分包商設(shè)計施工建造是一種常見運(yùn)營方式，平臺組塊方與鉆機(jī)模塊的界面主要包括以下幾個內(nèi)容：電源需求、電纜預(yù)留長度、托架接口、供配電開關(guān)的差動電流互感器、井架障礙燈和邊界照明。

以渤海某WHP平臺為實例，該平臺設(shè)置鉆機(jī)模塊，鉆機(jī)模塊的主要界面包括以下幾方面。

(1)鉆機(jī)模塊的主動力電源引自WHP平臺的35 kV高壓配電盤WHP-HV-001，通過2路電源連接至鉆機(jī)模塊2套4 000 kVA的變壓器，其鉆機(jī)模塊輔助電源需求見表1。

表1 鉆機(jī)模塊輔助電源需求

(2)供電電纜及相應(yīng)控制電纜由平臺組塊方提供并負(fù)責(zé)敷設(shè)到鉆機(jī)模塊邊緣接口處，并預(yù)留接口至鉆機(jī)配電間等的電纜長度(預(yù)留的具體長度由鉆機(jī)模塊項目組提供)，預(yù)留部分的電纜由鉆機(jī)模塊項目組負(fù)責(zé)敷設(shè)和接線。

(3)電纜沿著托架鋪設(shè)，組塊與鉆機(jī)模塊的托架接口必須確保無誤。

(4)平臺組塊方給鉆機(jī)模塊供電的出線開關(guān)以及鉆機(jī)模塊配電柜的進(jìn)線開關(guān)均設(shè)置對鉆機(jī)變壓器進(jìn)行保護(hù)的綜合保護(hù)繼電器(包括聯(lián)鎖跳閘、高溫報警、差動保護(hù)等功能)。供配電開關(guān)的差動電流互感器均由平臺組塊方負(fù)責(zé)購買，鉆機(jī)模塊進(jìn)線開關(guān)的差動電流互感器的技術(shù)要求和尺寸須由鉆機(jī)模塊方提供，并負(fù)責(zé)該差動電流互感器的安裝。

(5)鉆機(jī)井架障礙燈，由平臺組塊方負(fù)責(zé)購買井架障礙燈，并由平臺組塊方的導(dǎo)航系統(tǒng)供電至井架接線盒處。

(6)邊界照明，為鉆機(jī)模塊和平臺組塊方的邊界處照明，應(yīng)在界面澄清時明確責(zé)任方，不可遺漏該設(shè)計內(nèi)容。

2)生活樓界面。平臺組塊總包方通常會將平臺生活樓外包給分包商設(shè)計、施工、建造。WHP平臺生活樓界面主要包括內(nèi)容為：電源需求、電纜預(yù)留長度、托架接口、供配電開關(guān)繼電保護(hù)的配合、邊界照明。

2.3 工程項目組界面

電氣專業(yè)的設(shè)計將與組塊工程項目組的各專業(yè)產(chǎn)生界面，主要專業(yè)包括工藝、配管、總體、安全、機(jī)械、暖通、結(jié)構(gòu)、舾裝、儀表通訊、工程經(jīng)濟(jì)等。電氣專業(yè)與工程項目組各專業(yè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和界面劃分，將體現(xiàn)在項目組的質(zhì)量安全體系細(xì)則劃分文件中，整個項目根據(jù)上下專業(yè)的銜接和推進(jìn)，相關(guān)數(shù)據(jù)及界面將逐步被提供并不斷細(xì)化完善。

電氣需獲取相關(guān)專業(yè)提供的資料，主要包括：工藝專業(yè)的工藝流程P&ID圖所提供的工藝設(shè)備功率及用電要求；總體專業(yè)的總體平、立面圖提供電氣設(shè)備的布置、布線、照明接地的底圖；機(jī)械暖通專業(yè)設(shè)備清單提供主要電氣設(shè)備用電功率等；結(jié)構(gòu)專業(yè)的平臺主結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)圖提供電氣設(shè)備電纜托架及支吊架基礎(chǔ)；安全專業(yè)的危險區(qū)劃分圖和逃生路線圖提供電氣設(shè)備防爆選型及應(yīng)急照明設(shè)計依據(jù)；配管專業(yè)需維溫的管線、保溫材料、厚度等提供電伴熱系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)；儀表通訊專業(yè)的用電負(fù)荷需求、光纜技術(shù)條件提供中控等關(guān)鍵安防設(shè)備的配電需求及海底復(fù)合電纜的光纜配置；舾裝專業(yè)的房間舾裝平面布置圖提供室內(nèi)電氣房間布置底圖。

相關(guān)專業(yè)需獲取電氣提供專業(yè)的資料，包括：提供給結(jié)構(gòu)專業(yè)電氣設(shè)備重控、設(shè)備布置圖，用于結(jié)構(gòu)重心、重控計算，提供海底電纜的外徑和彎曲半徑，用于海纜J型管的選型；提供給儀表通訊專業(yè)單線圖、設(shè)備房間布置圖，用于中控系統(tǒng)及應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)設(shè)計；提供給機(jī)械專業(yè)電氣負(fù)荷計算報告，用于發(fā)電機(jī)的選型；提供給總體專業(yè)電氣設(shè)備房間所需的尺寸、位置，用于總體規(guī)劃布置圖；提供給暖通專業(yè)電氣設(shè)備散熱量、電氣設(shè)備房間布置，用于暖通系統(tǒng)設(shè)計；提供給經(jīng)濟(jì)專業(yè)設(shè)備材料清單(包括海纜)、施工方案，用于經(jīng)濟(jì)概算；此外，需與儀表、配管、暖通等專業(yè)共同協(xié)商組塊管廊規(guī)劃。

3 界面管理

多年項目實踐表明，平臺設(shè)計、建設(shè)和運(yùn)行過程中的問題大部分是界面管理不清晰所致。由于內(nèi)外部界面劃分不合理及數(shù)據(jù)復(fù)雜交錯，極易造成一系列后果，因此，做好界面工程量和數(shù)據(jù)的管理極為重要。界面管理主要需做好以下幾點。

1)簡化界面。任何工程界面的確定一定要以簡化界面為原則，只有盡可能簡化界面的工程量和接口參數(shù)，才可能做到清晰準(zhǔn)確地管控界面的數(shù)據(jù)和工程內(nèi)容，避免遺漏。以上部組塊與鉆機(jī)模塊的界面為例，采用35 kV主電源，只需要6根單芯1C×50 mm2的高壓小截面電纜；采用600 V的低壓輸電方式，則需要40根三芯3C×150 mm2的低壓大截面電纜；從鋪設(shè)難度、接口的工程量及經(jīng)濟(jì)性分析，采用35 kV高壓配電鉆機(jī)模塊最為合理。

2)界面輸入數(shù)據(jù)的管理。任何界面的輸入數(shù)據(jù)均應(yīng)該出自正式備忘錄、會議紀(jì)要或信息單。設(shè)計人員需有良好的工程設(shè)計習(xí)慣，做到任何工程的輸入數(shù)據(jù)口說無憑，必須引自于正式的工程文件。

3)界面數(shù)據(jù)的變動管理。任何工程在推動過程都會隨著工程階段的深入開展而發(fā)生數(shù)據(jù)的變動以及界面工程量的變化，設(shè)計人員一定要隨時掌握界面數(shù)據(jù)的變動，及時管控、更新數(shù)據(jù)的變化，并及時升版設(shè)計相關(guān)聯(lián)的文件。

4)界面文件的會簽。任何界面文件，應(yīng)界面雙方均完成會簽才可生效。界面的出版文件更是要完成所有相關(guān)專業(yè)的會簽才能完成出版。以電氣設(shè)計的托架文件為例，必須由管廊規(guī)劃相關(guān)專業(yè)，包括暖通、儀表通訊、配管等專業(yè)均完成審核并會簽認(rèn)可，方可正式出版。

5)界面經(jīng)驗的積累。工程設(shè)計者應(yīng)該通過多個工程項目的經(jīng)驗積累，多收集和積累界面的工程經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，對鉆機(jī)模塊、生活樓的相關(guān)數(shù)據(jù)總結(jié)規(guī)律，做到在項目前期數(shù)據(jù)未確定的情況下，可通過多個項目的規(guī)律，去有效評估界面的工程量和數(shù)據(jù)，做到盡可能早分析評估可能產(chǎn)生的工程界面工程量，盡量避免遺漏工程量和界面的內(nèi)容。

4 結(jié)束語

海上固定平臺的電氣設(shè)計與項目內(nèi)外部之間存在多個界面，在項目實施實現(xiàn)過程中，因界面不清或爭議而產(chǎn)生的問題屢見不鮮，存在巨大的風(fēng)險和隱患。本文以渤海某油田群的WHP井口平臺上部組塊為實際案例，較為詳細(xì)地介紹了平臺上部組塊的業(yè)主界面、分包商界面、工程項目組界面的具體技術(shù)要求和技術(shù)參數(shù)，并簡述了界面管理的幾點建議，對于設(shè)計人員精準(zhǔn)把控整體流程、保證電氣設(shè)計質(zhì)量、有效規(guī)避項目風(fēng)險具有一定的借鑒意義和參考價值。