(1.中核海洋核動(dòng)力發(fā)展有限公司， 上海 200233； 2.上海旦藍(lán)海洋工程有限公司， 上海 200120)

0 引 言

在帶有動(dòng)力定位系統(tǒng)的鉆井平臺(tái)/船處于鉆井工作模式時(shí)，在不同海況(風(fēng)、浪條件)、不同鉆井條件下，常常會(huì)遇到全船電力在維持定位的推進(jìn)器與進(jìn)行鉆井作業(yè)的各個(gè)鉆井大功率設(shè)備(鉆井絞車、頂驅(qū)、高壓泥漿泵)之間的分配問題。在以往設(shè)計(jì)中，每種工況下的每個(gè)單獨(dú)大負(fù)載的功率分配均由全船功率管理系統(tǒng)(Power Management System， PMS)主導(dǎo)。隨著鉆井控制系統(tǒng)功能的逐步完善，以鉆井控制系統(tǒng)逐步取代PMS部分功能、獨(dú)立承擔(dān)幾個(gè)鉆井大功率設(shè)備的電力分配成為可能，鉆井功率限制系統(tǒng)(Drilling Power Limiting System， DPLS)控制方案應(yīng)運(yùn)而生。

1 PMS 主導(dǎo)的鉆井大功率設(shè)備電力分配方案

由中控系統(tǒng)的子系統(tǒng)PMS主導(dǎo)全船的電力分配，是將推進(jìn)器及鉆井大功率設(shè)備(單獨(dú)設(shè)備的獨(dú)立電機(jī)，如鉆井絞車的5個(gè)獨(dú)立大功率電機(jī))的請(qǐng)求(如啟動(dòng)、停止、加速、減速)信號(hào)全部發(fā)送至PMS，PMS根據(jù)海況、鉆井需求，依據(jù)在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)編制好的程序，按照優(yōu)先分配原則，調(diào)節(jié)全船電力在各個(gè)獨(dú)立負(fù)載的分配。PMS主導(dǎo)的鉆井大功率設(shè)備電力分配基本框圖如圖1所示(圖中省略推進(jìn)器部分)。

圖1 PMS主導(dǎo)的鉆井大功率設(shè)備電力分配

根據(jù)鉆井過程的實(shí)際情況，當(dāng)鉆井系統(tǒng)的某個(gè)或某些大功率設(shè)備(頂驅(qū)、鉆井絞車、高壓泥漿泵)需要啟動(dòng)、停止、加速、減速時(shí)，每個(gè)設(shè)備相關(guān)的單獨(dú)命令請(qǐng)求信號(hào)通過鉆井控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，由鉆井控制系統(tǒng)接口模塊向中控系統(tǒng)發(fā)出。中控系統(tǒng)的子系統(tǒng)PMS接收到命令請(qǐng)求信號(hào)后，通過檢測(cè)發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率和推進(jìn)器及其他負(fù)載使用功率，經(jīng)計(jì)算判斷是否能夠按照鉆井設(shè)備需求進(jìn)行功率調(diào)整。

當(dāng)功率分配無法滿足所有鉆井設(shè)備的需求時(shí)，PMS將根據(jù)事先設(shè)計(jì)好的程序，優(yōu)先滿足與船體及鉆井安全相關(guān)的推進(jìn)器(保證定位需求)及鉆井絞車的電力分配(保證對(duì)井底維持壓力)，再對(duì)頂驅(qū)電機(jī)與高壓泥漿泵電機(jī)進(jìn)行電力分配，當(dāng)所有在線的電力負(fù)荷超過電站總功率設(shè)定值時(shí)(一般設(shè)為80%)，則會(huì)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)。在此過程中，PMS不斷檢測(cè)鉆井設(shè)備需求和實(shí)時(shí)電功率使用狀況，按照程序要求，限制鉆井大功率電機(jī)的使用功率，防止由于電機(jī)不斷加速或加載引起電網(wǎng)過載[1]。

鉆井變頻驅(qū)動(dòng)(Variable Frequency Drive， VFD)的配電板接收PMS的電機(jī)啟動(dòng)、停止、加速、減速命令，調(diào)節(jié)相應(yīng)的電機(jī)，再將電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)反饋至鉆井控制系統(tǒng)和PMS系統(tǒng)，完成閉環(huán)控制的整個(gè)流程。

在這種控制方式下，由PMS進(jìn)行功率分配，保證各重要設(shè)備不產(chǎn)生“搶資源”現(xiàn)象。

PMS按照事先編寫好的程序進(jìn)行功率分配，對(duì)于鉆井大功率負(fù)載的功率調(diào)節(jié)是將每個(gè)負(fù)載作為獨(dú)立負(fù)載，在分配中處于不同優(yōu)先級(jí)別考慮的。但是，由于鉆井工況復(fù)雜，需要考慮的因素很多，如設(shè)備的功耗、總線連接配置、發(fā)電機(jī)排列、大設(shè)備的加速、加速度、井下壓力維持、主動(dòng)升壓補(bǔ)償要求等，事先編寫的程序無法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行完全預(yù)判，因此無法真正按照實(shí)際情況對(duì)鉆井大功率設(shè)備的功率進(jìn)行合理分配。

2 DPLS主導(dǎo)的鉆井大功率設(shè)備電力分配方案

2.1 DPLS控制系統(tǒng)方案

隨著鉆井控制系統(tǒng)的不斷完善，由鉆井控制系統(tǒng)主導(dǎo)鉆井大功率設(shè)備的電力分配逐步成為更合理的設(shè)想。如何在最大程度保證船舶安全(即保證推進(jìn)器的正常工作)的情況下，合理分配鉆井大功率設(shè)備的電力供應(yīng)，成為新設(shè)計(jì)方案的思路，由此引入了DPLS[2]方案。DPLS作為鉆井控制系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，其功能是在電力系統(tǒng)提供的可用功率范圍內(nèi)，由DPLS在大功率設(shè)備間進(jìn)行功率分配[3]?；究驁D如圖2所示(圖中省略推進(jìn)器部分)。

圖2 DPLS主導(dǎo)的鉆井大功率設(shè)備電力分配

由PMS檢測(cè)在線發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器和其他負(fù)載運(yùn)行情況后，計(jì)算整個(gè)電力系統(tǒng)可以供給鉆井系統(tǒng)使用的功率，將此功率數(shù)值轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào)，發(fā)送給DPLS。

DPLS與鉆井設(shè)備控制系統(tǒng)通過冗余網(wǎng)絡(luò)連接，組成完整的鉆井控制系統(tǒng)。為了保證鉆井系統(tǒng)正常工作，防止過大的電流對(duì)整個(gè)電網(wǎng)造成沖擊，根據(jù)實(shí)際工況，PMS提供功率實(shí)時(shí)情況，電站可以提供給鉆井系統(tǒng)的功率范圍即鉆井系統(tǒng)可用功率，當(dāng)DPLS接收到這個(gè)信號(hào)后，將鉆井系統(tǒng)可用功率在高壓泥漿泵、頂驅(qū)和鉆井絞車的大功率電機(jī)之間，進(jìn)行電力分配和限制，避免直接對(duì)其中的任何一個(gè)設(shè)備單獨(dú)考量。

在這種情況下，由鉆井控制系統(tǒng)直接向鉆井VFD配電板發(fā)出電機(jī)的啟動(dòng)、停止、加速、減速命令，電機(jī)的運(yùn)行情況也直接反饋到鉆井控制系統(tǒng)。同時(shí)，PMS通過測(cè)量鉆井變壓器的輸入電流并經(jīng)過計(jì)算，獲得鉆井系統(tǒng)的電力使用情況，再傳輸給DPLS，供鉆井控制系統(tǒng)計(jì)算及控制使用，形成閉環(huán)控制。

首先，通過DPLS，保證了用于定位的推進(jìn)器滿足符合當(dāng)時(shí)海況下定位的最低功率要求；其次，鉆井系統(tǒng)在總功率范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)際鉆井情況，綜合平衡鉆井絞車、頂驅(qū)、高壓泥漿泵的負(fù)載，最大程度保證鉆井過程安全高效。DPLS的引入，保證了全船功率分配安全合理，達(dá)到設(shè)備安全、作業(yè)安全、船舶安全的目的，也更有利于鉆井控制系統(tǒng)根據(jù)鉆井的實(shí)際工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)于鉆井設(shè)備的完全控制。

2.2 DPLS控制系統(tǒng)參數(shù)獲取

針對(duì)每一臺(tái)鉆井變壓器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，PMS 將鉆井變壓器可使用功率及鉆井變壓器已消耗功率轉(zhuǎn)化為兩個(gè)模擬信號(hào)，并將這兩個(gè)信號(hào)傳輸?shù)紻PLS。這兩個(gè)信號(hào)通過以下方式獲得(見圖3)。

圖3 DPLS控制信號(hào)參數(shù)獲取示例

以3組共6臺(tái)發(fā)電機(jī)為例，G1～G6表示6臺(tái)發(fā)電機(jī)(G1和G2一組、G3和G4一組、G5和G6一組)；MV1～MV3表示3組中壓配電板，與3組發(fā)電機(jī)相對(duì)應(yīng)；DT1A ～ DT2B表示鉆井變壓器；DVFD1 ～ DVFD2 表示鉆井VFD配電板；CB表示開關(guān)。

鉆井變壓器可用功率用Pf表示。該數(shù)值需通過以下計(jì)算得到：

(1) 通過PMS系統(tǒng)監(jiān)控中壓電力系統(tǒng)的實(shí)施工作狀態(tài)，判斷每臺(tái)發(fā)電機(jī)是否處于在線運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)整個(gè)中壓系統(tǒng)開關(guān)斷開或閉合的狀態(tài)，確定整個(gè)中壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)(環(huán)形運(yùn)行、解列為3組運(yùn)行，等等)。根據(jù)上述條件，通過PMS標(biāo)準(zhǔn)軟件，計(jì)算出連接每一組發(fā)電機(jī)的熱備用功率Pf，即每組發(fā)電機(jī)輸出功率P1(在3組中壓配電板解列運(yùn)行情況下，以發(fā)電機(jī)G1和G2為例)減去連接到該組發(fā)電機(jī)的中壓系統(tǒng)的消耗功率P2(如相應(yīng)的MV1消耗的功率，此消耗功率包含了推進(jìn)器及其他消耗功率)，即Pf=P1-P2。

(2) PMS通過中壓配電板與鉆井變壓器之間開關(guān)(圖3的CB1～CB4)的斷開或閉合狀態(tài)，監(jiān)控鉆井VFD配電板(圖3的DVFD1～DVFD2)是否處于在線狀態(tài)，一旦開關(guān)閉合，PMS系統(tǒng)即認(rèn)為該鉆井VFD配電板已在線。

(3) 如果鉆井VFD配電板已經(jīng)在線，PMS將每一組發(fā)電機(jī)的熱備用功率Pf設(shè)定10%的安全裕量，計(jì)算出鉆井變壓器可用功率Pb，即Pb=Pf× 90%。

(4) 鉆井變壓器可用功率包含鉆井變壓器自身?yè)p耗的功率Ps和鉆井系統(tǒng)可使用的功率Pd，即Pb=Pd+Ps。由于鉆井變壓器在實(shí)際運(yùn)行過程中的損耗功率不便測(cè)量和計(jì)算，故通常把鉆井變壓器可用功率Pb作為計(jì)算參考依據(jù)。

(5) 用以上方法計(jì)算出3組發(fā)電機(jī)熱備用功率的總和(包含中壓系統(tǒng)按照環(huán)形和解列方式運(yùn)行)以及每一組鉆井變壓器可用功率，在線工作的所有鉆井變壓器可用功率之和限制在總電力系統(tǒng)可提供給鉆井變壓器可用功率的90%。

通過上述描述可知：

鉆井變壓器已消耗功率用Px表示，該數(shù)值通過實(shí)時(shí)測(cè)量中壓配電板連接至鉆井變壓器的開關(guān)(圖3的CB1～CB4)的電壓和電流計(jì)算獲得。該數(shù)值包含了鉆井變壓器自身?yè)p耗的功率及實(shí)際鉆井VFD配電板所消耗的功率。當(dāng)Px>Pb時(shí)，也就是Px>90%Pf，鉆井控制系統(tǒng)即會(huì)進(jìn)行功率分配的調(diào)整，以相應(yīng)減小鉆井設(shè)備的功率。

需特別關(guān)注的是：如果一個(gè)獨(dú)立的中壓配電板(如圖3的MV2在解列情況下)給不止1臺(tái)鉆井變壓器(如圖3的DT1B和DT2A)供電，需要通過接入該組中壓配電板的變壓器數(shù)量進(jìn)行平均，得到該組鉆井變壓器可用功率。例如DT1B的可用功率(在解列情況下)等于G3和G4的熱備用功率除去10%的安全裕量后，再平均分配到DT1B和DT2A上得到的功率，即：

(1)

一般來說，提供給DPLS的鉆井變壓器可用功率信號(hào)，最小功率為500 kW，最大功率為4 000 kW(鉆井變壓器的開關(guān)為閉合狀態(tài))。一旦與鉆井變壓器相連的開關(guān)(如圖3的CB1～CB4)為打開狀態(tài)，則發(fā)送到DPLS的信號(hào)為0。

2.3 DPLS接口模塊

DPLS通過智能和自適應(yīng)算法，對(duì)鉆井大功率設(shè)備(鉆井絞車、頂驅(qū)和高壓泥漿泵)進(jìn)行綜合考量，在一定功率范圍內(nèi)合理分配電力，防止發(fā)電機(jī)過載導(dǎo)致斷電。

為了保證鉆井設(shè)備的安全運(yùn)行，鉆井控制系統(tǒng)(含DPLS)對(duì)鉆井設(shè)備進(jìn)行完全控制。首先，鉆井包廠家除了提供完整的鉆井控制系統(tǒng)(控制柜及其相關(guān)軟硬件)外，還應(yīng)提供完整的鉆井設(shè)備(包含相關(guān)儀表、閥件等)。其次，鉆井控制系統(tǒng)(含DPLS)對(duì)內(nèi)(指整個(gè)鉆井系統(tǒng))接收鉆井設(shè)備的狀態(tài)信息(如鉆井設(shè)備的狀態(tài)、鉆井儀表的信息)，對(duì)外(如中控及電氣包系統(tǒng))接收功率限制信號(hào)，并對(duì)電力包系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)指令，驅(qū)動(dòng)鉆井設(shè)備工作。須強(qiáng)調(diào)的是：為保證鉆井設(shè)備的安全運(yùn)行，中控、電力系統(tǒng)均不參與對(duì)鉆井設(shè)備的直接控制。

在這種情況下，鉆井控制系統(tǒng)(含DPLS)的接口模塊為主模塊，在鉆井VFD配電板上的接口模塊為從屬模塊，由主模塊發(fā)送命令信號(hào)，從屬模塊接收命令并執(zhí)行。在鉆井控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)及中控系統(tǒng)的接口模塊有特定存儲(chǔ)區(qū)域存放命令指令，每個(gè)指令都有對(duì)應(yīng)的存放地址，地址碼與指令信號(hào)一一對(duì)應(yīng)且唯一。為了保證信號(hào)傳輸格式的一致性，需對(duì)主模塊和從屬模塊存放命令及相應(yīng)地址進(jìn)行統(tǒng)一的編寫，即通過雙方認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)行編制。當(dāng)一個(gè)信號(hào)發(fā)送后，系統(tǒng)在特定的時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)信號(hào)是否被接收，若未檢測(cè)到信號(hào)已被接收，則系統(tǒng)發(fā)出通信錯(cuò)誤信號(hào)。通過以上的配置，保證鉆井控制系統(tǒng)(含DPLS)的軟硬件配置完全能夠滿足對(duì)于鉆井大功率設(shè)備的控制。

3 結(jié) 語(yǔ)

因鉆井工況復(fù)雜，PMS對(duì)鉆井系統(tǒng)大功率設(shè)備的實(shí)時(shí)電力分配不夠靈活，故而引入DPLS方案，一方面使鉆井平臺(tái)/船的電力分配更加合理，能夠更加靈活地應(yīng)對(duì)各種鉆井工況，另一方面，隨著智能船舶的發(fā)展，DPLS的引入拓展了設(shè)計(jì)思路，即：將過往集成于一個(gè)中控系統(tǒng)的功能進(jìn)行合理分配，用專屬的控制系統(tǒng)完成獨(dú)立系統(tǒng)的控制，使系統(tǒng)控制更加合理高效，該設(shè)計(jì)對(duì)其他類型的船舶也有很好的借鑒意義。