徐剛 陳奎英

（1. 煙臺中集來福士海洋工程有限公司；2. 煙臺中集萊佛士船業(yè)有限公司，山東煙臺 264000）

0 引言

隨著人類對油氣資源開發(fā)利用的深化，油氣勘探開發(fā)從陸地轉(zhuǎn)入海洋，國際上海洋油氣資源的開發(fā)已從近海向深海發(fā)展[1]。而半潛式海洋鉆井平臺是用來從事海上石油和天然氣的勘探和生產(chǎn)的海上結(jié)構(gòu)物，主要工作于深海區(qū)域(500~1500 m為深水，超過1500 m為超深水)[2]。電力系統(tǒng)設(shè)計是總體設(shè)計的最重要內(nèi)容之一，電力系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)劣直接關(guān)系到電站供電的連續(xù)性、可靠性、經(jīng)濟性、電能質(zhì)量，保證船舶電氣設(shè)備的安全可靠地工作，進而確保船舶和人員安全。

1 應(yīng)用

1.1 半潛式鉆井平臺動力系統(tǒng)分析

常規(guī)的鉆井平臺電力系統(tǒng)是由主電力系統(tǒng)和應(yīng)急電力系統(tǒng)組成，包括柴油發(fā)電機組、高壓配電板、變壓器、低壓配電板及大型電力負載。主電力系統(tǒng)承擔正常工況下所有同時運行的負載的供電，大型電力負載主要是推進器、甲板機械、鉆井設(shè)備等。常規(guī)的電力系統(tǒng)如圖1所示。

為了提高定位精度和電力系統(tǒng)可靠性，目前建造的半潛式鉆井平臺都配備了DP系統(tǒng)，主要以DP2和DP3為主。DP2附加標志要求有設(shè)計上的冗余，在單個設(shè)備或非活動零部件故障的情況下鉆井平臺要有能力保持位置和首向；DP3附加標志要求除了設(shè)計冗余之外，還要求有A60物理分割，即要考慮單個艙室失效，這就要求不同DP分組的設(shè)備要放置在不同的艙室，并且艙室之間有A60防火防水艙壁分開[3]。

雖然每個系統(tǒng)或設(shè)備有冗余設(shè)計，全船電網(wǎng)失電或部分電網(wǎng)失電的可能性大大減少，但電力系統(tǒng)失電對鉆井平臺及人身安全非常危險。因此，作為主電網(wǎng)失電恢復(fù)的應(yīng)急電力系統(tǒng)具有非常重要的意義。應(yīng)急電力系統(tǒng)也是主電力系統(tǒng)徹底失效后等待救援或逃生的唯一動力源。常規(guī)應(yīng)急電力系統(tǒng)的設(shè)計是獨立于主電力系統(tǒng)，和主電力并行存在且相互關(guān)聯(lián)的一套電力系統(tǒng)。應(yīng)急電力系統(tǒng)是由一套獨立應(yīng)急發(fā)電機組及其輔助系統(tǒng)和配電設(shè)備構(gòu)成，包括所在的艙室、啟動能源、燃油、電氣系統(tǒng)等等都是獨立于主電力設(shè)備。應(yīng)急電力系統(tǒng)作為死船恢復(fù)的初始動力來源，任何主電力系統(tǒng)設(shè)備或零部件的失效都不會影響應(yīng)急電力系統(tǒng)的運行。

圖1 電氣系統(tǒng)方框圖

1.2 規(guī)范對應(yīng)急電源要求及布置要求分析

船級社對應(yīng)急電源的可靠性要求比較高，對于應(yīng)急電源的設(shè)計要求，相關(guān)規(guī)范定義主要有三種，分別如下[4~6]：

獨立的應(yīng)急發(fā)電機及配套配電設(shè)備；

（2）蓄電池組作為應(yīng)急電源；

（3）主機組中的兩臺主機作為應(yīng)急發(fā)電機，但這兩臺主機要位于A60艙壁分隔的獨立艙室。

目前大多數(shù)船舶和海洋工程項目主要采用獨立的應(yīng)急發(fā)電機作為應(yīng)急電源這種設(shè)計。獨立的應(yīng)急發(fā)電機作為應(yīng)急電源的電力系統(tǒng)組成有專用油柜、應(yīng)急發(fā)電機、應(yīng)急配電板、應(yīng)急變壓器等，容量相對于主電力系統(tǒng)比較小，僅供應(yīng)急負載和主電力系統(tǒng)失電后恢復(fù)重新啟動所需的必要輔助系統(tǒng)使用。常規(guī)的應(yīng)急電力系統(tǒng)雖然可靠，從設(shè)備布置方面，要配備單獨的艙室、單獨的柴油發(fā)電機組、單獨的啟動能源、單獨的油艙、輔助系統(tǒng)；從應(yīng)急電力系統(tǒng)方面，需要單獨的應(yīng)急變壓器、應(yīng)急配電盤等。

對于蓄電池組作為應(yīng)急電源，從技術(shù)角度看，由于目前技術(shù)水平所制造出來的蓄電池不適宜對功率較大的動力設(shè)備進行連續(xù)驅(qū)動，凡需要應(yīng)急電源滿足動力源要求時它就要裝設(shè)發(fā)電機，不需要其滿足動力源要求時僅設(shè)蓄電池組即可[7]。因此，蓄電池組用作應(yīng)急電源主要適用于小型小功率的船舶，如小型漁船、拖輪等。否則因其應(yīng)急負載的功率太大，而使應(yīng)急電源的容量太大，配置設(shè)計施工等比較繁雜，不經(jīng)濟適用。

對于主機用作應(yīng)急發(fā)電機，此種設(shè)計方案采用的比較少，某些DP3設(shè)計要求的半潛式鉆井平臺采用此種設(shè)計方案。對于此設(shè)計方案，在本文第二部分詳作分析。

對于獨立的應(yīng)急發(fā)電機和主機用作應(yīng)急發(fā)電機的系統(tǒng)設(shè)計，都要滿足下面的要求。

應(yīng)急發(fā)電機等設(shè)備要求[4~6]：

（1）應(yīng)急發(fā)電機組要能在規(guī)范要求的 22.5度傾斜角度下連續(xù)運行。

（2）應(yīng)急發(fā)電機組要有獨特的安全系統(tǒng)，如只允許超速停車，其他非正常狀態(tài)如滑油壓力低，冷卻水溫度高不允許停車。

（3）應(yīng)急發(fā)電機組的容量應(yīng)能滿足規(guī)范要求的應(yīng)急負載需求。

（4）要有兩組獨立的啟動能源，并且要夠應(yīng)急發(fā)電機連續(xù)啟動6次。

應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計要求[4~6]：

（1）如主電源失效時，應(yīng)急發(fā)電機應(yīng)在 45秒內(nèi)自動起動并承接應(yīng)急負載；

（2）應(yīng)急發(fā)電機及其啟動能源如啟動電池或冷啟動空壓機，應(yīng)急配電板和燃油柜要放置在同一個空間內(nèi)，啟動能源不能用作其他用途。

（3）應(yīng)急蓄電池組及其充放電板、應(yīng)急發(fā)電機等安裝在最高一層連續(xù)甲板以上易于從露天甲板到達之處，不應(yīng)置于防撞艙壁的前方。

（4）應(yīng)急發(fā)電機室要與主電力系統(tǒng)有 A60防火艙壁分割。

（5）應(yīng)急發(fā)電機的燃油柜容量要夠應(yīng)急發(fā)電機運行18小時，且要有液位低報警。

2 主機用作應(yīng)急電源的設(shè)計分析

半潛式鉆井工作于深海區(qū)域，只能在設(shè)定的某一區(qū)域內(nèi)移動，都配置 DP2或 DP3系統(tǒng)，以保證鉆井工作。DP3明確要求主機艙A60物理分隔，設(shè)計成獨立的三個機艙或者四個機艙，而DP2則無A60物理分離，有時候主機會設(shè)計成位于同一機艙。根據(jù)主機用作應(yīng)急發(fā)電機的要求，主機布置設(shè)計最低要求是兩個獨立的 A60分隔的機艙，因此此種方案只適用于DP2（A60分隔成兩個機艙）和 DP3的半潛式鉆井平臺、DP2（A60分隔成兩個機艙）和DP3的船舶或其他DP2（A60分隔成兩個機艙）和DP3的海工項目。

目前，采用主機兼做應(yīng)急發(fā)電機的設(shè)計方案應(yīng)用越來越多，其電力系統(tǒng)設(shè)計方案較優(yōu)越。某半潛式鉆井平臺是半潛式鉆井平臺中的第六代，入 DNV船級社，電力系統(tǒng)設(shè)計也采用了這種方案。此半潛式鉆井平臺的電氣系統(tǒng)設(shè)計方面，動力裝置采用8臺大容量中壓發(fā)電機組，配電板分為11 000 V屏、690 V屏、440 V屏、230 V屏和鉆井設(shè)備專用屏。本平臺配備了最先進的DP3動力定位系統(tǒng)，它由三冗余計算機控制，可以使鉆井平臺在特定海況下始終保持位置和航向[8-9]。

圖2為 DP3設(shè)計類型的電力系統(tǒng)典型方框圖，主電力系統(tǒng)由8臺柴油發(fā)電機組和4套中壓配電板組成，每兩臺發(fā)電機組位于一個機艙內(nèi)，每個中壓配電板位于一個配電板室中間有防火艙壁物理分割，配電板間有母聯(lián)開關(guān)連接，每個中壓配電板下供給兩個全回轉(zhuǎn)推進器。低壓配電板也有多個分組。這樣就構(gòu)成了典型的DP3系統(tǒng)配置，在DP工作模式下，配電板的母聯(lián)開關(guān)斷開，從發(fā)電機、配電板、到推進器及輔助系統(tǒng)組成了4組相互獨立的縱向的供電系統(tǒng)，如任何單點故障甚至單個艙室失火都不會影響其他供電回路。

圖2中間虛線部分為應(yīng)急發(fā)電及分配電部分，4號和5號主柴油機組兼作應(yīng)急發(fā)電機使用，此發(fā)電機所對應(yīng)的中壓配電板和低壓配電板也作為應(yīng)急配電的一部分。柴油發(fā)電機組啟動所必需的輔助系統(tǒng)有預(yù)滑油系統(tǒng)、啟動空氣系統(tǒng)、冷卻水預(yù)熱器，下面就這幾個方面來分析柴油機冷啟動是如何實現(xiàn)的。

空壓機和空氣瓶，冷啟動空壓機是柴油機驅(qū)動的，不需要外部電源。啟動冷啟動空壓機來給應(yīng)急空氣瓶充氣并達到額定壓力，應(yīng)急空氣瓶壓縮空氣來驅(qū)動氣動預(yù)滑油泵使滑油壓力正常，并驅(qū)動啟動燃油泵是燃油系統(tǒng)工作。通過手動操作柴油機上的主氣動閥瞬間釋放壓縮空氣驅(qū)動柴油機上的氣啟動馬達從而使各缸曲軸運轉(zhuǎn)，氣動燃油泵工作主機逐漸加速幾秒鐘后主機啟動完成。以下圖3是啟動空氣系統(tǒng)的方框圖：右半部分是主壓縮空氣系統(tǒng)用于正常情況下的主機啟動，位于同一機艙的兩臺主機連接到兩個并聯(lián)的空氣瓶，形成4組獨立的啟動空氣回路，這4組啟動空氣瓶由兩臺并聯(lián)的空壓機充氣，根據(jù)空氣瓶的壓力空壓機自動啟停，始終保持空氣瓶的壓力在規(guī)定范圍內(nèi)。正常啟動的預(yù)滑油及燃油供給分別由電馬達驅(qū)動泵完成，這里不多介紹。

圖2 某海洋鉆井平臺項目電力系統(tǒng)典型的方框圖

左邊虛線部分為冷啟動空壓機回路，冷啟動空壓機同時給兩個專用空氣瓶充氣，并連接到 4號和5號柴油機，在主啟動空氣系統(tǒng)失效后通過冷啟動空氣系統(tǒng)來啟動柴油機，從而恢復(fù)主電力系統(tǒng)供電。

圖3 啟動空氣系統(tǒng)的方框圖

表1 主機用作應(yīng)急電源與應(yīng)急發(fā)電機用作應(yīng)急電源的設(shè)計對比

3 總結(jié)

應(yīng)急電力系統(tǒng)能在應(yīng)急情況下保證對船舶的重要用電設(shè)備供電，對保證船舶的安全有著重要意義[10]。根據(jù)上面的系統(tǒng)設(shè)計分析，主機兼做應(yīng)急發(fā)電機使用作為一種應(yīng)急配電方式，經(jīng)濟適用，滿足電力系統(tǒng)的設(shè)計要求，且不需要額外配置應(yīng)急發(fā)電機以及配套起動配電等設(shè)備，減少成本費用。同時，由于減少應(yīng)急發(fā)電機的配置，而使半潛式鉆井平臺的設(shè)備布置更加緊湊合理又節(jié)省了空間。但由于兩臺主機必須安裝于A60分隔的艙室的局限，只適合于某些大型船舶和海洋工程項目，不適用小型船舶。

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[2]劉海霞. 深水半潛式鉆井平臺的發(fā)展[J]. 船舶,18(3): 2007: 6-10.

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