鉆井平臺供配電可靠性方案優(yōu)化

陳 康，孫龍林

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 200137）

1 鉆井平臺電力系統(tǒng)特點

近幾十年不斷發(fā)展成熟的工業(yè)技術(shù)支撐了船舶海工工業(yè)的迅速發(fā)展，鉆井平臺整體作業(yè)能力和環(huán)境有了極大提升，各控制系統(tǒng)復(fù)雜程度的大大增加[1]，機電設(shè)備的集成化和數(shù)字化技術(shù)也對供電系統(tǒng)電網(wǎng)質(zhì)量提出了進一步的要求。

由于海上鉆井平臺用電負(fù)荷集中且大功率負(fù)荷密集，特別是在鉆井作業(yè)過程中，瞬間負(fù)荷波動可能達到數(shù)千瓦，這對容量較小的平臺電網(wǎng)系統(tǒng)的供電質(zhì)量提出了較大考驗，所以平臺電網(wǎng)系統(tǒng)難以達到民用配電系統(tǒng)的供電質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。表1、表2分別是CCS（中國船級社）[2]和民用配電規(guī)范[3]關(guān)于電氣設(shè)備正常工作的電力系統(tǒng)波動范圍，從中我們可以看出，CCS 規(guī)范中關(guān)于平臺電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也相應(yīng)放寬了要求。

表1 CCS 規(guī)范關(guān)于電氣設(shè)備可靠工作電壓和頻率偏差范圍Table 1 CCS specification for electrical equipment reliable operating voltage and frequency deviation range

表2 GB 50052—2009 規(guī)定用電設(shè)備端子電壓偏差允許值Table 2 Allowable voltage deviation values for electrical equipment specified in GB 50052—2009

圖1是某新平臺（JU-2000E）在四臺1 530 kW發(fā)電機組并網(wǎng)情況下，三千多米井深工況正常起下鉆過程中，電網(wǎng)發(fā)電機負(fù)荷率波動圖，從圖中我們可以看到1 min 內(nèi)負(fù)荷率在68%～73.5%之間，最大負(fù)荷差336.6 kW，而且負(fù)荷大幅度波動基本是常態(tài)，在遇到大斜度、深井或者遭遇復(fù)雜作業(yè)工況，瞬間負(fù)荷變化將成倍增加；變頻驅(qū)動系統(tǒng)是鉆井平臺動態(tài)變化最大也是最主要的負(fù)荷系統(tǒng)，而且自動化程度越高大功率驅(qū)動電機也越多，大負(fù)荷的劇烈波動對電能質(zhì)量的影響也更大。雖然沒有人針對性對鉆井平臺鉆井工況下電能質(zhì)量進行檢測，但是根據(jù)使用實際情況來看，通常情況下平臺發(fā)電機在負(fù)荷達到65%以上時，發(fā)電機繞組溫度基本維持在90 ℃以上，實際負(fù)荷率與溫升之間存在明顯的差異。而這明顯的溫升差異最重要的一個因素，就是驅(qū)動系統(tǒng)引起的電網(wǎng)諧波，導(dǎo)致系統(tǒng)損耗發(fā)熱增加；此外平臺照明燈具的使用壽命，也因為供電質(zhì)量無法滿足其最佳運行條件而遠(yuǎn)低于設(shè)計壽命，也充分說明平臺電力波動帶來的不利影響。

圖1 某鉆井平臺起下鉆過程中3 mins 發(fā)電機負(fù)荷率圖Fig.1 Figure of load rate of drilling trip duration of a drilling rig in 3 mins

為解決平臺供電系統(tǒng)上述矛盾，減少平臺電網(wǎng)的系統(tǒng)性風(fēng)險，盡可能降低各種負(fù)面影響，平臺在建造設(shè)計之初便對電力系統(tǒng)進行了多方面優(yōu)化，船級社也針對平臺電力系統(tǒng)設(shè)計原則進行了具體的規(guī)定[2]，即目前鉆井平臺電力系統(tǒng)的設(shè)計的基本原則[4]：主發(fā)電機、應(yīng)急發(fā)電機、UPS 系統(tǒng)以及蓄電池。主發(fā)電機負(fù)責(zé)正常作業(yè)工況下所有的電力供應(yīng)；應(yīng)急發(fā)電機則負(fù)責(zé)在主發(fā)電機出現(xiàn)供電異常時，應(yīng)急啟動供電以保障緊急情況下平臺、井下和應(yīng)急逃生設(shè)備運行所需的電力保障，蓄電池和UPS 則因為供電能力有限，通常會作為關(guān)鍵設(shè)備和對供電質(zhì)量有要求的設(shè)備電源。這一供電模式充分結(jié)合平臺作業(yè)實際對負(fù)荷進行了分級，并針對不同設(shè)備用電特性采用不同的供電模式，大大提高了海上平臺這一特殊設(shè)施的安全性和其供電系統(tǒng)的可靠性。

UPS 系統(tǒng)電源由于采用交直交整流逆變變換，中間增加了濾波環(huán)節(jié)同時又有大容量蓄電池的加持，能夠很好緩沖主電網(wǎng)波動和諧波的影響，所以成為平臺各重要系統(tǒng)供電電源的首選，作為電力系統(tǒng)控制核心的繼保系統(tǒng)[5]自然也不例外。但鉆井平臺的有限條件限制了UPS 系統(tǒng)的供電容量，所以為了降低成本和減少空間占用，平臺會統(tǒng)一設(shè)置一套UPS 然后分別給各系統(tǒng)供電，這樣會導(dǎo)致UPS 本身的可靠性有所降低。

圖2是某新鉆井平臺供電繼保系統(tǒng)的主要負(fù)荷級-----480 V 配電盤繼保系統(tǒng)部分供電圖，其中控制電源來自主船30 kVA UPS 系統(tǒng)。

圖2 某平臺480 V 配電盤原設(shè)計原理圖Fig.2 Schematic diagram of original design of 480 V switchboard on a drilling rig

UPS 220 V 電源輸送到主配電盤后主要分為兩路：

（1）一路負(fù)責(zé)二次系統(tǒng)220 V 控制電源，作為控制柜內(nèi)及設(shè)備空間加熱器（防止停待工況設(shè)備防潮）等電源；

（2）另一路為經(jīng)過開關(guān)電源變換后作為24 V控制模塊直流電源。

其中24 V 直流電源主要負(fù)責(zé)二次系統(tǒng)的繼保、控制、指示等，是該負(fù)荷級繼保系統(tǒng)可靠工作的重要組成部分，在圖2中已用紅框標(biāo)識，其主要供電對象如下：

a.29、30 為690 V/480 V 主斷路器脫口、復(fù)位控制繼電器電源，失電后會導(dǎo)致該電壓等級主變壓器前后級斷路器失壓線圈動作跳閘，發(fā)電機發(fā)出的電力將無法供給480 V 配線系統(tǒng)，相當(dāng)于全船失電狀態(tài)（480 V 為平臺主要供電負(fù)荷級）。

b.31、32 為繼保系統(tǒng)狀態(tài)指示電源、故障報警復(fù)位繼電器電源，失電后斷路器開關(guān)狀態(tài)指示和報警復(fù)位功能均失效。

c.33、34 為480 V 主配向下級供電系統(tǒng)供電的主斷路器、以及應(yīng)急發(fā)電供電系統(tǒng)繼保電源，失電后480 V 母排電力將無法向下級輸送。

上述三路是該平臺480 V 級負(fù)荷系統(tǒng)最重要部分，是平臺主要動力系統(tǒng)甚至應(yīng)急系統(tǒng)功能實現(xiàn)的重要保障，一旦出現(xiàn)電源故障將直接導(dǎo)致平臺失去近90%的動力（只剩下發(fā)電機供電級部分設(shè)備），報警電路、復(fù)位電路將一同失電。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時監(jiān)控面板上也不會出現(xiàn)相應(yīng)的故障報警，大大增加了故障排查難度，必將延長現(xiàn)場人員處理該類故障的時間，如果在關(guān)鍵作業(yè)期間出現(xiàn)問題，甚至有可能帶來經(jīng)濟安全等方面的重大損失。當(dāng)該路總電源出現(xiàn)故障時，將幾乎算是一次全船失電事故，根據(jù)海上平臺作業(yè)的相關(guān)規(guī)定，全船失電屬于公司級事故，其嚴(yán)重性和影響力可見一斑。所以該回路電源的可靠性和穩(wěn)定性顯得尤為重要。

雖然說UPS 電源無論從電源質(zhì)量和可靠性上都是最理想的，但是該設(shè)計中把UPS 電源作為整個二次系統(tǒng)的唯一控制電源，在一定程度上降低了系統(tǒng)供電的可靠性。主要在以下幾個原因：

首先按照平臺建造規(guī)范應(yīng)急發(fā)電機、UPS 均位于平臺生活區(qū)頂樓，以保證其在極限情況下的可靠性，而核心供配電系統(tǒng)則位于平臺的最下層甲板，所以UPS 電源給主供配電系統(tǒng)供電需要穿越多層甲板，相對來說供電距離較遠(yuǎn)，海上鉆井平臺工作環(huán)境惡劣，供電線路會受到環(huán)境或者人為因素的影響也使故障率大大提高。

其次該UPS 電源作為全平臺所有重要系統(tǒng)以及應(yīng)急系統(tǒng)電源，同時供電的設(shè)備包括：部分應(yīng)急照明、重要控制系統(tǒng)加熱設(shè)備以及船舶集控系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備，這些設(shè)備系統(tǒng)之間的故障會產(chǎn)生相互影響。

雖然UPS 供電系統(tǒng)設(shè)置了相應(yīng)的保護分級，可以大大減小相互之間的干擾，但是多系統(tǒng)共用相互之間的影響必然存在，尤其是終端分電箱到用電負(fù)荷這段線路。從終端配電箱到各級配電盤的UPS 電源只有一條供電線路，他同時供給220 V和24 V 控制模塊，其中包括控制柜和各重要電機的空間加熱器，這些負(fù)荷往往發(fā)生短路故障的概率較大，他們之間只有熔斷器保護，如果出現(xiàn)熔斷器動作失誤或者配合不合理，對其他系統(tǒng)的影響將是直接的。

該鉆井平臺在作業(yè)不久就出現(xiàn)過兩次因為UPS 受到未知因素的影響而導(dǎo)致全船失電或者無法正常供電，一次是因為工程師在排查故障的過程中，因系統(tǒng)圖紙與現(xiàn)場存在出入，在計劃斷開某一部分設(shè)備電源檢修時，斷開了給480 V 級配電盤供電的UPS 供電開關(guān)，導(dǎo)致平臺整個二次系統(tǒng)失電。另一次在復(fù)臺過程中，因為臺風(fēng)原因UPS 系統(tǒng)出現(xiàn)故障一時難以解決，導(dǎo)致應(yīng)急發(fā)電機啟動后無法正?；謴?fù)平臺電力。由此可見單獨由UPS 供電仍然存在一定的不可控風(fēng)險。

2 優(yōu)化方案選擇與設(shè)計

基于上述分析，按照供配電設(shè)計的一般原則，最理想的選擇是增加UPS 供電線路的冗余度，根據(jù)不同類型的設(shè)備分別供電，對特別重要的系統(tǒng)增加足夠的冗余度，但是這樣不僅增加了系統(tǒng)建設(shè)成本也增加了復(fù)雜度，所以不是最佳選擇。

雖然在電能質(zhì)量方面UPS 具有無法取代的地位，但是在鉆井平臺正常作業(yè)過程中，如果在主發(fā)電機正常工作的情況下，主電網(wǎng)供電雖然在電壓波動、閃變以及諧波含量方面存在劣勢，但在供電容量，供電距離和可靠性方面，卻更有優(yōu)勢，其可靠性甚至高于UPS。所以我們可以從主電網(wǎng)這方面著手與UPS 一起構(gòu)成冗余供電系統(tǒng)，這樣就可以充分結(jié)合二者的優(yōu)勢。

通過對各級配電二次繼保系統(tǒng)的負(fù)荷分類分級，我們可以得出如下結(jié)論：用于繼保動作、報警、指示的控制電源負(fù)荷主要集中在直流24 V級；目前成熟可靠的開關(guān)電源技術(shù)，電源范圍寬，輸出質(zhì)量可靠，其輸出品質(zhì)基本可以達到UPS 水平，可以彌補電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的不利影響。如果能夠充分利用主電網(wǎng)這一優(yōu)勢，使得在正常情況下主要由UPS 供電，當(dāng)UPS 出現(xiàn)供電異常時系統(tǒng)能夠及時利用主電網(wǎng)的優(yōu)勢投入臨時供電，系統(tǒng)的可靠性將大大提高，其基本思路如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的基本原理框圖Fig.3 Optimized theory structure

這樣主電力系統(tǒng)正常工作情況下，當(dāng)UPS 系統(tǒng)出現(xiàn)供電線故障時，主電網(wǎng)可以提供穩(wěn)定電源而不會出現(xiàn)大面積停電的事故。即使UPS 系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障，也完全可以離線檢修，而不至于對整個供電系統(tǒng)造成影響。同時也不會改變原設(shè)計的初衷，也滿足相關(guān)規(guī)范的要求。大大降低了因在檢修過程中誤操作、控制回路主電路器件故障等，導(dǎo)致停電檢修或者造成事故或者擴大停電范圍的系統(tǒng)性風(fēng)險，從而發(fā)揮一加一大于二的效果。

如果二次系統(tǒng)存在大量需要220 V 級供電的設(shè)備，同樣可以采用隔離變壓器或者變頻電源，來實現(xiàn)其與主電網(wǎng)的隔離并從而提高供電質(zhì)量。不過隨著自動化和數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用以及用電安全方面考慮，鉆井平臺繼保系統(tǒng)越來越多的采用24 V 供電控制模塊，這給該供電模式提供了另一種思路。

下面以上述鉆井平臺原理圖進行的改造方案為例來說明，由于該平臺已經(jīng)是成熟平臺，需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進行改進，所以選擇一個簡單而折中的改造方案：只針對其中起核心控制繼電裝置的部分做冗余，這樣就可以最大程度地減少UPS 系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的停電范圍，此外現(xiàn)場空間有限，也減少了冗余電源之間的切換電路和模塊，而只是采用了二極管將二者進行隔離。

優(yōu)化后的電路原理如圖4所示。紅框所示部分為另外增加的冗余電源模塊，該電源模塊電源取自主480 V 配電系統(tǒng)主母排，只要480 V 母排正常供電該模塊就會一直保持供電狀態(tài) ，二極管D1、D2 作用是隔離兩路不同的開關(guān)電源，其實這里也可以采用專門的電源冗余模塊，二極管相對來說取材方便，成本較低。

圖4 優(yōu)化控制系統(tǒng)供電方案原理圖Fig.4 Schematic diagram of power supply scheme of optimal control system

這樣這兩路電源模塊只要一路供電正常，下級的繼保系統(tǒng)就能正常工作。該平臺在出廠初期多次因為上述問題導(dǎo)致停電，之后平臺根據(jù)上述方案對所有配電盤的控制系統(tǒng)電源均按照上述方案進行升級改造之后，就再未出現(xiàn)過類似的問題，而且平臺在后期進行UPS 系統(tǒng)檢查維護過程中也取得了更加便利的效果。

對于上述方案，其具體實施電路存在多種實現(xiàn)方式，如果在設(shè)計初期就將該思路考慮在內(nèi)，將會更加完善和合理，可靠性和實用性也將大幅提高。此外對于部分開關(guān)電源來說本身還具備一定的緩沖功能，即在主電源斷開后的一定時間內(nèi)，其內(nèi)部的緩沖模塊仍可以具備短時間的供電能力，利用開關(guān)電源的這一特性，我們采用中間接觸器來實現(xiàn)冗余電源鍵的切換。也可以利用在開關(guān)電源之后安裝冗余電源模塊來實現(xiàn)，這樣能夠進一步提高控制系統(tǒng)供電質(zhì)量和可靠性，效果也會更理想。

圖5為增加冗余電源后系統(tǒng)供電質(zhì)量的對比圖，其中A 曲線為UPS 系統(tǒng)經(jīng)過開關(guān)電源供電波形，B 曲線為系統(tǒng)經(jīng)開關(guān)電源供電的波形，從圖中我們可以看出，雖然相對于UPS 供電來說系統(tǒng)電源受到其他負(fù)載系統(tǒng)諧波的影響較大（曲線寬窄代表供電諧波多少），但是二者在供電質(zhì)量上基本接近，這些細(xì)小的區(qū)別對于電子電路來說基本上可以忽略。

圖5 UPS 供電與系統(tǒng)供電電源質(zhì)量對比（A 為UPS，B 為開關(guān)電源）Fig.5 Comparison of power supply quality between UPS and Power Unit（A is UPS,B is switching power supply）

3 結(jié)論

雖然平臺UPS 采用集中系統(tǒng)供電，在最初的設(shè)計中也考慮到各級負(fù)荷保護，盡量減少了不同供電系統(tǒng)之間的干擾，但是平臺用電負(fù)荷由于負(fù)荷波動和負(fù)荷變化不規(guī)律，所以難以保證供電負(fù)荷保護的設(shè)計完全滿足現(xiàn)場使用要求，加上海上鉆井平臺的特殊性，大大降低了UPS 系統(tǒng)的可靠性，所以用UPS 作為唯一的控制電源，仍然存在一定的供電風(fēng)險，這些風(fēng)險對于高投入、高風(fēng)險、高要求的石油鉆井作業(yè)來說是不可承受的，應(yīng)該盡量避免。本方案在原有的設(shè)計基礎(chǔ)上，圍繞鉆井平臺必須具備高可靠性的基本要求，充分考慮UPS 和結(jié)合平臺主電網(wǎng)各自的特性，將二者的優(yōu)勢加以利用，使他們互為補充。雖然開關(guān)電源穩(wěn)定性不如UPS，但是利用它將相對可靠的平臺主電網(wǎng)與容量有限的UPS 系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)成冗余，既可以大大降低UPS 電源故障的導(dǎo)致停工停產(chǎn)風(fēng)險，也大大降低平臺UPS 系統(tǒng)日常檢修維護的難度，可謂一舉多得。該平臺正是由于在實際應(yīng)用中遇到前述問題，通過增加冗余電源后，在后期的使用和UPS 系統(tǒng)檢修等過程中，未再出現(xiàn)過類似的故障，大大提高了系統(tǒng)供電的可靠性和穩(wěn)定性，給日后鉆井平臺可靠施工提供了堅實基礎(chǔ)，減少不必要的損失并創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟效益。通過上述方案在該平臺的實踐與運用，進一步驗證了其必要性和可靠性。