張德松

固定式鉆井平臺模塊鉆機電力系統(tǒng)的設計研究

張德松

（天津中海油工程設計有限公司 天津 300452）

分析傳統(tǒng)固定式鉆井平臺模塊鉆機電力系統(tǒng)。詳細論述了中海油固定式鉆井平臺模塊鉆機電力系統(tǒng)的構成，包括：690V交流配電及變頻驅動系統(tǒng)；400V正常輔助動力系統(tǒng)；230V正常照明及小功率設備供電系統(tǒng)；400V/230V應急動力及照明系統(tǒng)；110V交流不間斷電源系統(tǒng)（UPS）；應急發(fā)電機的BACK UP供電系統(tǒng)。

固定式鉆井平臺；模塊鉆機；電力系統(tǒng)；單線圖

引言

我國近海油氣資源豐富，中國海洋石油年產(chǎn)量已經(jīng)突破5000萬t，其中大部分產(chǎn)量依賴于渤海、南海東部、南海西部等近海油田。固定式（導管架）鉆井平臺模塊鉆機作為近海油田開發(fā)的關鍵性高技術裝備。

本文所論述的固定式鉆井平臺模塊鉆機（以下簡稱模塊鉆機）電力系統(tǒng)設計方案，適用于中國近海油氣田的開發(fā)利用。主要討論由平臺組塊提供鉆井正常主動力電源（NORMAL POWER）以及應急動力電源（EMERGENCY POWER）情況下的電力系統(tǒng)設計方案。電力系統(tǒng)的設計規(guī)范主要參照中國船級社（CCS）《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》、《海上石油平臺鉆機第9部分：電氣、儀表系統(tǒng)》（Q/HS 2037.9）、NORSOK標準E-001《Electrical system》等。

1 電力系統(tǒng)概述

模塊鉆機電力系統(tǒng)主要分為正常動力系統(tǒng)、BACK UP動力系統(tǒng)與應急動力系統(tǒng)，其中應急動力系統(tǒng)包括400V/230V應急電源與110V交流不間斷電源。

如圖1所示，模塊鉆機設置2臺干式變壓器（進線側為組塊提供的中高壓電源），通過降壓后為鉆機提供690V正常動力電源；模塊鉆機正常400V母線電源來自于2臺690V/400V干式變壓器（進線側為鉆機690V交流母排）；230V正常照明及小功率設備供電由1臺400V/230V干式變壓器提供（進線側為鉆機正常400V交流母線）。

模塊鉆機主配電、變壓器間、應急配電間與電池間均布置在DRILLING SUPPORT MODULE（DSM）中層，輔助配電間布置在DRILLING EQUIPMENT SET（DES）鉆臺面。

2 正常動力系統(tǒng)

2.1 正常690V主動力系統(tǒng)

根據(jù)NORSOK規(guī)范要求，由組塊提供主動力電源時，供電回路不少于2個（冗余、互備設計），并應在鉆機低壓側設置母線斷路器，且母線斷路器狀態(tài)為常開?？紤]以上因素，模塊鉆機共設置三段690V交流母線，分別為DSM-BUS-LA6、DSM-BUS-LB6與DES-BUS-LB6。DSM-BUSLA6與DSM-BUS-LB6之間設置母線斷路器，斷路器狀態(tài)為常開。DSMBUS-LB6與DES-BUS-LB6母線之間通過電纜進行連接。兩臺主降壓變壓器為DSM-BUS-LA6與DSM-BUS-LB6提供供電電源。

圖1 固定式鉆井平臺模塊鉆機電力系統(tǒng)單線圖

模塊鉆機主要鉆井設備包括：泥漿泵、絞車、轉盤以及頂驅。目前主鉆井設備的電驅動方式已經(jīng)由交流多傳動變頻驅動方式替代了直流SCR調(diào)速方式。交流多傳動變頻方式具有能耗制動輔助剎車、高功率因數(shù)、高準確精度以及低廉的驅動電機價格等優(yōu)點。根據(jù)鉆井主機械設備的安裝位置，本著就地控制的原則，泥漿泵變頻器安裝在DSM-BUS-LA6母線側（如果是3臺泥漿泵，則其中2臺安裝在DSM-BUS-LA6母線側，1臺安裝在DES-BUS-LA6母線側），絞車、轉盤和頂驅的變頻器安裝在DES-BUS-LB6母線側。

考慮到模塊鉆機鉆井過程中機械設備工作情況比較復雜，在變頻系統(tǒng)的設計過程中需要盡可能的考慮系統(tǒng)的余量，以滿足在單一的整流器故障情況下，不影響鉆井主設備工作。

2.2 正常400V動力系統(tǒng)

模塊鉆機正常400V動力系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，共設置4段正常400V母線。分別為DSM-BUS-LA4、DSM-BUS-LB4、DES-BUSLA4與 DES-BUS-LB4。其中 DES-BUS-LA4、DES-BUS-LB4分別由DSM-BUS-LA4、DSM-BUS-LB4 供電，而 DSM-BUS-LA4、DSM-BUSLB4則由兩臺690V/400V降壓變壓器進行供電。變壓器一次側進線分別來自于模塊鉆機690V交流母線DSM-BUS-LA6和DSM-BUS-LB6。DSM-BUS-LA4與DSM-BUS-LB4之間，DES-BUS-LA4與DES-BUSLB4之間均設置母線斷路器，斷路器狀態(tài)均設置為常開。

正常400V動力系統(tǒng)主要為鉆井輔助設備提供電源。這些設備主要包括：灌注泵、混合泵、攪拌器、振動篩、除泥泵、除砂泵、離心機、液壓站、空調(diào)、風機等設備。在進行電力系統(tǒng)的設計過程中要充分考慮整個正常400V系統(tǒng)的供電靈活性和穩(wěn)定性，盡量將相同的用電設備布置在不同的母線側，以確保在任何一段母線出現(xiàn)故障后，可以迅速的自動或者手動切除故障母線，進行故障排查和檢修，而不影響其余母線正常工作，從而將故障范圍限定在最小限度內(nèi)。

2.3 正常230V照明及小功率設備供電系統(tǒng)

模塊鉆機230V正常照明及小功率設備供電系統(tǒng)分為DSM-BUS-LP與DES-BUS-LP兩段母線。DES-BUS-LP母線由DSM-BUS-LP供電，而DSM-BUS-LP母線則由模塊鉆機自帶的400V/230V降壓變壓器進行供電。變壓器一次側進線來自于DSM-BUS-LB4母線。

正常230V照明系統(tǒng)及小功率用電設備主要包括：熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈、空間加熱器等。在照明系統(tǒng)設計過程中應注意采用分層、分區(qū)、多回路照明系統(tǒng)供電設計方案，避免某一回路不能正常工作后造成整個區(qū)域照度過低。例如：某一盞燈具內(nèi)部絕緣過低，造成該回路漏電保護裝置動作，整個回路停止工作。

3 BACK UP動力系統(tǒng)

模塊鉆機在作業(yè)工程中，需要面臨各種各樣的井下復雜情況，而此時供電系統(tǒng)的連續(xù)性就顯得至關重要。參考相應規(guī)范要求，在設計電力系統(tǒng)時，模塊鉆機配置BACK UP電源。BACK UP電源由模塊鉆機自帶的備用柴油發(fā)電機提供。柴油發(fā)電機容量一般選擇為1600kW，以滿足鉆完井作業(yè)處理井況的要求。備用發(fā)電機電壓等級選擇為交流690V，安裝在DSM-BUS-LB6側。

4 應急動力系統(tǒng)

4.1 應急400V動力系統(tǒng)

海洋平臺鉆井工程是一項高風險作業(yè)活動，模塊鉆機所設置應急400V動力電源需要滿足在失去正常主動力電源而BACK UP電源不能及時投入運行時處理特殊井況的要求。此特殊井況主要是指能夠威脅到平臺安全的特殊情況。通常模塊鉆機400V應急電源由組塊提供，一路單獨的供電回路由組塊應急配電盤連接至模塊鉆機應急配電盤，功率通常不小于110kW。結合規(guī)范要求及常規(guī)設計做法，模塊鉆機400V應急動力系統(tǒng)用戶主要包括：電動防火風閘、交流不間斷電源系統(tǒng)（UPS）、模塊鉆機備用發(fā)電機間風機、應急配電間空調(diào)風機、消防系統(tǒng)（泡沫泵、消防水泵等）、BOP系統(tǒng)、盤剎液壓單元等。

模塊鉆機的應急400V配電盤安裝在DSM應急配電間內(nèi)，應急400V母線與400V正常母線之間可設置連接回路，在陸地調(diào)試期間可以提高鉆機調(diào)試效率，海上運行期間鉆機電力系統(tǒng)可以完全不依賴組塊電源，利用自身的備用發(fā)電機進行綜合性運轉測試，極大的節(jié)省海上安裝調(diào)試時間。需要注意的是由鉆機備用發(fā)電機提供的電源不能長期為應急類負荷供電，當組塊能夠提供或者恢復應急電源供電情況下，應優(yōu)先選用組塊應急電源供電。通常設計過程中可以采用雙電源切換開關進行選擇性投切，組塊提供400V應急電源設置為第一優(yōu)先級。

4.2 應急230V照明及小功率設備供電系統(tǒng)

模塊鉆機230V應急照明及小功率設備供電系統(tǒng)主要用戶包括：火氣系統(tǒng)、鉆井儀表系統(tǒng)、應急照明系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等。

通常由組塊提供應急230V電源，考慮到應急230V的照明回路較多，所以在DSM模塊的應急配電間內(nèi)設置主配電盤，而在DES模塊設置防爆分線箱，兩個配電盤之間通過電纜進行連接。

4.3 交流不間斷電源系統(tǒng)（UPS）

由于模塊鉆機通常設置相對獨立的火氣系統(tǒng)，所以就要求模塊鉆機設置獨立的UPS系統(tǒng)以滿足火氣系統(tǒng)獨立運行的要求。根據(jù)模塊鉆機的UPS系統(tǒng)負荷計算，推薦UPS系統(tǒng)容量不小于10kVA。UPS系統(tǒng)正常供電回路以及維修旁路電源由鉆機400V應急母線提供。UPS系統(tǒng)的主要用戶包括：ESD系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)、鉆井儀表系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等。

5 總結

相對于陸地大電網(wǎng)來講，海洋平臺作為一個相對較小的獨立式孤島電網(wǎng)，其運行的穩(wěn)定性和可靠性將是檢驗電網(wǎng)設計水平的重要指標。本文通過總結近10年的模塊鉆機電力系統(tǒng)設計經(jīng)驗，介紹了模塊鉆機電力系統(tǒng)的設計方案，對存在問題進行了總結并給出推薦的解決辦法。希望本文能夠讓讀者對模塊鉆機電力系統(tǒng)有一個更清晰的認識，方便專業(yè)電氣設計人員開展模塊鉆機的電力系統(tǒng)設計工作。

[1]中國船級社（CCS）《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》.

[2]《海上石油平臺鉆機第9部分：電氣、儀表系統(tǒng)》（Q/HS 2037.9）.

[3]NORSOK標準E-001《Electricalsystem》.

[4]IEEE 519-2014 Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems.

TM921.51

A

1004-7344（2016）33-0133-02

2016-11-11