C海洋石油基地加水岸電工控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要素與應(yīng)用效果分析

田振江 TIAN Zhen-jiang；溫曉樺 WEN Xiao-hua；王穎 WANG Ying；伍永暢 WU Yong-chang

（中海油能源物流有限公司物流研究所，天津 300452）

0 引言

C海洋石油基地碼頭，是專門為石油探勘開發(fā)提供后勤服務(wù)的綜合性碼頭?；谑涂碧介_發(fā)特點(diǎn)，后勤物資具備形態(tài)多種、類型多樣、規(guī)格尺寸多，難以統(tǒng)一的特點(diǎn)。從海上生產(chǎn)作業(yè)需求出發(fā)，碼頭服務(wù)需要提供裝卸船、船舶補(bǔ)水、船舶輸灰、船舶補(bǔ)油、船舶岸電、船舶帶纜等服務(wù)。近40年的后勤發(fā)展歷史和經(jīng)驗(yàn)積累，形成目前的作業(yè)方式，概述為人機(jī)配合、現(xiàn)場(chǎng)操控、綜合協(xié)調(diào)三個(gè)特征屬性。

1 海洋石油基地碼頭特點(diǎn)

C海洋石油基地碼頭，專門為石油探勘開發(fā)提供后勤支持綜合服務(wù)，因此其設(shè)備設(shè)施數(shù)量和種類較多，用電需求較大。尤其是近些年，伴隨著海洋石油工業(yè)發(fā)展，石油基地碼頭不斷成長，以服務(wù)上游勘探開發(fā)為主業(yè)，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)港口發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，通過自我革新、場(chǎng)景化提升改造，來提升自身服務(wù)效能，為海上生產(chǎn)提高基礎(chǔ)保障。

C海洋石油基地碼頭天氣特點(diǎn)是，平均氣溫28攝氏度，平均潮差8米，每年臺(tái)風(fēng)2次，最大風(fēng)力12級(jí)。最高氣溫45攝氏度，相對(duì)濕度90%以下?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境具備高溫、高濕、高腐蝕的特點(diǎn)。

1.1 作業(yè)性質(zhì)

①雜貨物資?；谑涂碧介_發(fā)工業(yè)需要，后勤物資主要包括鉆完井工具、油田化學(xué)材料、固井材料、測(cè)井設(shè)備、管材等物資，這些物資具備形態(tài)多種、類型多樣、規(guī)格尺寸繁雜的特點(diǎn)。另外由于其特點(diǎn)決定了承載器具及裝卸工屬具多類型匹配，碼頭吊機(jī)采用門座式起重機(jī)，物資裝卸高度依賴人工操作，對(duì)協(xié)調(diào)性要求高。

②交叉作業(yè)。從海上生產(chǎn)作業(yè)作業(yè)需求出發(fā)，碼頭服務(wù)需要滿足裝卸船、船舶補(bǔ)水、船舶輸灰、船舶補(bǔ)油、船舶岸電、船舶帶纜等需求。近40年的后勤發(fā)展歷史和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，形成了以交叉作業(yè)為主的作業(yè)形式。當(dāng)前的作業(yè)以人工為輔，自動(dòng)化為主的方式展開，采用了人機(jī)配合、現(xiàn)場(chǎng)指揮、綜合協(xié)調(diào)來完成各項(xiàng)服務(wù)。

1.2 作業(yè)環(huán)境

①天氣環(huán)境。海洋石油基地碼頭地處南海區(qū)域，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均氣溫28攝氏度，氣候溫和，對(duì)碼頭設(shè)備運(yùn)維以及人工作業(yè)的影響較小。

②水文環(huán)境。海洋石油基地碼頭潮差-8米。本地區(qū)相對(duì)濕度比較大，多年平均相對(duì)濕度為78%，一般每年10～2月份，相對(duì)濕度在65%～77%，3～9月份相對(duì)濕度在80%～86%。

2 設(shè)計(jì)考慮因素

碼頭岸電工控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在考慮岸電服務(wù)高效運(yùn)行的同時(shí)，兼顧整個(gè)碼頭的系統(tǒng)運(yùn)行效果。對(duì)于存在交叉作業(yè)的石油基地碼頭，需要考慮作業(yè)協(xié)調(diào)、作業(yè)安全、作業(yè)效率三方面因素，同時(shí)，還要兼顧設(shè)備的耐腐蝕性和耐久性。

2.1 作業(yè)協(xié)調(diào) 工控系統(tǒng)設(shè)備布置在碼頭前沿，通過安全因素分析，設(shè)備可能存在對(duì)吊機(jī)旋轉(zhuǎn)、船舶解系纜產(chǎn)生不利影響。設(shè)備如果過高，如超過70厘米，則不利于吊機(jī)旋轉(zhuǎn)將被吊貨物裝船或卸船。另外，對(duì)于船舶纜繩套住系纜樁也會(huì)產(chǎn)生格擋。不利于岸上與船舶甲板工人溝通交流，進(jìn)而影響裝卸安全和效率。從與裝卸作業(yè)協(xié)調(diào)一致性考慮，前沿設(shè)備越低越好，越小越好。設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮尺寸設(shè)計(jì)。

2.2 使用安全 工控系統(tǒng)設(shè)備充分考慮現(xiàn)場(chǎng)操作模式和業(yè)務(wù)流程，從用電安全性角度出發(fā)，需配備急停處置功能，即在緊急情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備瞬間斷電，將風(fēng)險(xiǎn)及損失降到最低。操作者須與帶電體實(shí)現(xiàn)完全隔離，即電氣設(shè)備封閉于箱體內(nèi)，操作盒在箱體外即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的啟動(dòng)、關(guān)閉和運(yùn)行狀態(tài)、計(jì)量數(shù)據(jù)的掌控。此外要對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢查的工作周期一般為一個(gè)月以上，即利用專業(yè)的檢測(cè)工具去檢查機(jī)械設(shè)備的劣化程度和精度，并將整個(gè)檢測(cè)的過程一一記錄下來，再根據(jù)記錄的結(jié)果來分析機(jī)械設(shè)備運(yùn)行存在的問題。

2.3 設(shè)備耐久 工控系統(tǒng)前沿設(shè)備充分考慮海洋高溫、高濕、海腐的現(xiàn)狀，當(dāng)前碼頭引入了更多大型和智能化的設(shè)備，逐步代替了以往人工所能夠完成的工作和人工不能夠完成的工作。但是，工程項(xiàng)目建設(shè)中所使用的設(shè)備也并沒有完全實(shí)現(xiàn)智能化，還需要由人工進(jìn)行操作和管理，所以便需要認(rèn)真做好管理與維護(hù)保養(yǎng)工作，以此保證設(shè)備能夠正常運(yùn)行，從而有效提升設(shè)備的安全實(shí)用水平。在材質(zhì)選擇方面，要考慮密封標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到行標(biāo)要求，保證設(shè)備在長期使用中適用于海洋環(huán)境。防控級(jí)別不低于ip55，充分考慮潛在侵蝕對(duì)箱體內(nèi)電氣備件、信息傳輸模塊的影響。由于設(shè)備保養(yǎng)工作涉及的程序較多，且每一個(gè)程序都非常復(fù)雜，對(duì)保養(yǎng)工作的要求較高。為了保證設(shè)備的使用性能能夠充分發(fā)揮出來，便需要做好設(shè)備的日常保養(yǎng)工作。其中，在設(shè)備保養(yǎng)中具體涉及潤滑油的加注和設(shè)備清理，所以需要合理把控每一個(gè)環(huán)節(jié)，以此保證設(shè)備保養(yǎng)的質(zhì)量。

2.4 使用效率 工控系統(tǒng)前沿設(shè)備設(shè)計(jì)充分考慮操作習(xí)慣、對(duì)周邊設(shè)施和其他服務(wù)的影響，在操作方式上、方位上、作業(yè)者舒適度上給予優(yōu)化設(shè)計(jì)。達(dá)到設(shè)備使用高效率的目標(biāo)。

3 技術(shù)方案

基于岸電工控系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮因素，技術(shù)方案制定，從前沿設(shè)備尺寸及功能設(shè)計(jì)、操作模式設(shè)計(jì)、工控室控制機(jī)柜和管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)四方面入手。通過優(yōu)化前沿設(shè)備尺寸和功能，做到操作實(shí)用、簡(jiǎn)單、快捷、安全。優(yōu)化設(shè)計(jì)工控機(jī)柜和管理系統(tǒng)，做到集中管控、智能分析精準(zhǔn)、高效。

技術(shù)方案包括工控室設(shè)備和碼頭前沿設(shè)備兩部分。碼頭前沿設(shè)備包括：岸電控制箱、岸電轉(zhuǎn)接箱、加水控制箱；工控室設(shè)備包括：工控機(jī)柜、隔離變壓器、工作站服務(wù)器。具體內(nèi)容如下：

3.1 碼頭前沿設(shè)備

①岸電控制箱。功能設(shè)計(jì)，船岸連接方式，做到快捷插拔。取電用電方式擬選取刷卡控制方式。刷卡屏具備顯示計(jì)量數(shù)據(jù)和重要信息提示功能。為做到安全控制，岸電箱加設(shè)急停按鈕和報(bào)警燈裝置?；卮a頭前沿尺寸設(shè)計(jì)，考慮前沿尺寸寬度和護(hù)輪坎高度，裝卸船作業(yè)吊裝物距離地面距離，綜合設(shè)計(jì)箱體高度580mm，箱體寬度為600mm，箱體長度為900mm。岸電連接插座位于箱體左側(cè)位置。急停按鈕設(shè)置在箱體正前方位置。

設(shè)計(jì)后箱體外形如圖1所示。

圖1 后箱體外形三視圖

②岸電轉(zhuǎn)接箱。功能設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接頭滿足接線端子船舶電纜在新設(shè)計(jì)岸電箱上取電需求。

③加水控制箱。功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)刷卡方式取水用水，數(shù)據(jù)能夠在加水控制箱上顯示。基地碼頭前沿尺寸設(shè)計(jì)，控制箱以方便刷卡操作，以不妨礙船舶系纜、物資裝卸為原則，設(shè)計(jì)尺寸為：長度800mm，寬度600mm，高度430mm。

控制箱外形如圖2所示。

圖2 控制箱外形三視圖

3.2 工控室設(shè)備

工控室設(shè)備是岸電工控系統(tǒng)的核心，包含控制系統(tǒng)和管理分析系統(tǒng)，控制系統(tǒng)集成在一套工控機(jī)柜中，包括plc控制系統(tǒng)，加水計(jì)量系統(tǒng)，岸電計(jì)量系統(tǒng)。管理分析系統(tǒng)包括工作站兩臺(tái)，工業(yè)分析組態(tài)軟件1套，用于監(jiān)督控制加水和岸電的工作狀態(tài)、作業(yè)數(shù)據(jù)，用于遠(yuǎn)程控制前沿設(shè)備的起停、關(guān)閉和緊急處置。工控室設(shè)備主要包括：工控機(jī)柜、隔離變壓器、管理分析系統(tǒng)軟硬件。

①工控機(jī)柜。集成岸電電氣系統(tǒng)、岸電計(jì)量系統(tǒng)、plc控制系統(tǒng)、信息傳輸模塊。功能：實(shí)現(xiàn)對(duì)前沿岸電服務(wù)、加水服務(wù)的數(shù)據(jù)采集和輸出。采集前沿作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù)并傳輸?shù)缴弦粚庸芾矸治鱿到y(tǒng)。基于應(yīng)急處置需要，工控機(jī)柜配備急停按鈕和聲光報(bào)警燈。

②隔離變壓器?；诖坝秒娭行渣c(diǎn)不接地的現(xiàn)狀，為保護(hù)用電期間對(duì)岸上電源系統(tǒng)的安全，選取隔離變壓器。隔離變壓器的選取，基于供電電壓、頻率、功率進(jìn)行選取。主要參數(shù)為：相數(shù)：三相；容量：250kVA；輸入電壓電流：3φ400V 360.8A；輸出電壓電流：3φ400V 360.8A；適用頻率：50Hz。

③管理分析系統(tǒng)。管理分析系統(tǒng)通過開發(fā)供電供水監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)加水和岸電作業(yè)啟動(dòng)、關(guān)閉控制，實(shí)現(xiàn)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)前沿緊急情況的急停處置。通過開發(fā)出供電供水遠(yuǎn)程操作畫面，實(shí)現(xiàn)工控控制。通過開發(fā)出供電供水運(yùn)行畫面、計(jì)量畫面、故障報(bào)警畫面、報(bào)表畫面實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)細(xì)節(jié)的管理、分析。

管理分析系統(tǒng)配備計(jì)算機(jī)工作站2臺(tái)，包含opc服務(wù)器1臺(tái)。

管理分析系統(tǒng)模塊組成如圖3所示。

圖3 管理分析系統(tǒng)模塊組成

4 使用效果

4.1 測(cè)試效果（技術(shù)指標(biāo)）碼頭加水接電工控系統(tǒng)岸電聯(lián)船測(cè)試，設(shè)備工作狀態(tài)正常、船方用電正常且能滿足靠岸用電需求。前沿刷卡操作5秒內(nèi)完成，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至工控系統(tǒng)，達(dá)到工控模式監(jiān)督和管控。聯(lián)船測(cè)試持續(xù)48小時(shí)，碼頭供電正常、船方用電正常。岸電供應(yīng)過程電壓穩(wěn)定、電流正常，滿足船方用電要求。刷卡取電、斷電操作及大電流插頭插座連接方式方便、快捷、安全，工控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)岸電過程的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程操作控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.2 操作便利性 經(jīng)實(shí)操驗(yàn)證，碼頭加水接電工控系統(tǒng)操作高度在0.5米以內(nèi)，不影響人員舒適度。設(shè)備高度不超過0.6米，與吊機(jī)物資裝卸距地面距離1米要求不沖突，碼頭與船舶甲板溝通及視線暢通無阻。因設(shè)備尺寸較小，船舶帶纜纜繩不受約束。整體操作服務(wù)與碼頭其他業(yè)務(wù)相融合。操作時(shí)長較原有模式縮短100%。

4.3 系統(tǒng)持久性驗(yàn)證 該系統(tǒng)自2021年12月初投入測(cè)試，至2022年4月份，累計(jì)提供岸電12船次，加水100船次，用電時(shí)長377小時(shí)，用電量30000千瓦時(shí)。用水時(shí)長500小時(shí)，用水量50000方。系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。前沿設(shè)備未發(fā)生異常狀況。

4.4 安全評(píng)價(jià) 在岸電使用上，操作者在前沿只需連接快接插頭，刷卡啟動(dòng)即完成接電工作。斷電時(shí)，只需刷卡斷電，拔掉插頭即完成斷電工作。期間的作業(yè)狀態(tài)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集傳輸?shù)焦た叵到y(tǒng)，由工控系統(tǒng)完成狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，可根據(jù)管理者需要上傳至上層管理系統(tǒng)，打印出報(bào)表。岸電操控模式將帶電體和操作者實(shí)現(xiàn)有效隔離，安全隱患基本全部消除。

5 結(jié)語

本論文基于海洋石油基地碼頭作業(yè)場(chǎng)景、自動(dòng)化智能化需求，提出工控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提升加水和岸電服務(wù)質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮制約碼頭服務(wù)效率的關(guān)鍵因素，制定針對(duì)性方案，保證方案與基層場(chǎng)景相符相容，讓操作者用得舒適、高效、安全，讓管理者管得系統(tǒng)、全面、智慧。通過持續(xù)6個(gè)月的測(cè)試使用，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性，為本系統(tǒng)全面推廣提供參考借鑒。

本系統(tǒng)由設(shè)計(jì)到實(shí)施到應(yīng)用，將場(chǎng)景需求和技術(shù)要素結(jié)合到一起，達(dá)到解決實(shí)際問題的目標(biāo)。