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(tái)電力系統(tǒng)特點(diǎn)

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(tái)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(jī)電設(shè)備的集成化和數(shù)字化技術(shù)也對(duì)供電系統(tǒng)電網(wǎng)質(zhì)量提出了進(jìn)一步的要求。

由于海上鉆井平臺(tái)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(guò)程中，瞬間負(fù)荷波動(dòng)可能達(dá)到數(shù)千瓦，這對(duì)容量較小的平臺(tái)電網(wǎng)系統(tǒng)的供電質(zhì)量提出了較大考驗(yàn)，所以平臺(tái)電網(wǎng)系統(tǒng)難以達(dá)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(guó)船級(jí)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(dòng)范圍，從中我們可以看出，CCS 規(guī)范中關(guān)于平臺(tái)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(tái)（JU-2000E）在四臺(tái)1 530 kW發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)情況下，三千多米井深工況正常起下鉆過(guò)程中，電網(wǎng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷率波動(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)是鉆井平臺(tái)動(dòng)態(tài)變化最大也是最主要的負(fù)荷系統(tǒng)，而且自動(dòng)化程度越高大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)也越多，大負(fù)荷的劇烈波動(dòng)對(duì)電能質(zhì)量的影響也更大。雖然沒(méi)有人針對(duì)性對(duì)鉆井平臺(tái)鉆井工況下電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，但是根據(jù)使用實(shí)際情況來(lái)看，通常情況下平臺(tái)發(fā)電機(jī)在負(fù)荷達(dá)到65%以上時(shí)，發(fā)電機(jī)繞組溫度基本維持在90 ℃以上，實(shí)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(gè)因素，就是驅(qū)動(dòng)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(tái)照明燈具的使用壽命，也因?yàn)楣╇娰|(zhì)量無(wú)法滿(mǎn)足其最佳運(yùn)行條件而遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命，也充分說(shuō)明平臺(tái)電力波動(dòng)帶來(lái)的不利影響。

圖1 某鉆井平臺(tái)起下鉆過(guò)程中3 mins 發(fā)電機(jī)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(tái)供電系統(tǒng)上述矛盾，減少平臺(tái)電網(wǎng)的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)，盡可能降低各種負(fù)面影響，平臺(tái)在建造設(shè)計(jì)之初便對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行了多方面優(yōu)化，船級(jí)社也針對(duì)平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了具體的規(guī)定[2]，即目前鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的基本原則[4]：主發(fā)電機(jī)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、UPS 系統(tǒng)以及蓄電池。主發(fā)電機(jī)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(jī)則負(fù)責(zé)在主發(fā)電機(jī)出現(xiàn)供電異常時(shí)，應(yīng)急啟動(dòng)供電以保障緊急情況下平臺(tái)、井下和應(yīng)急逃生設(shè)備運(yùn)行所需的電力保障，蓄電池和UPS 則因?yàn)楣╇娔芰τ邢蓿ǔ?huì)作為關(guān)鍵設(shè)備和對(duì)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(tái)作業(yè)實(shí)際對(duì)負(fù)荷進(jìn)行了分級(jí)，并針對(duì)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(tái)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(shí)又有大容量蓄電池的加持，能夠很好緩沖主電網(wǎng)波動(dòng)和諧波的影響，所以成為平臺(tái)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(tái)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(tái)會(huì)統(tǒng)一設(shè)置一套UPS 然后分別給各系統(tǒng)供電，這樣會(huì)導(dǎo)致UPS 本身的可靠性有所降低。

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

圖2 某平臺(tái)480 V 配電盤(pán)原設(shè)計(jì)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(pán)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(guò)開(kāi)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(jí)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(shí)，其主要供電對(duì)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(huì)導(dǎo)致該電壓等級(jí)主變壓器前后級(jí)斷路器失壓線圈動(dòng)作跳閘，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電力將無(wú)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(tái)主要供電負(fù)荷級(jí)）。

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

c.33、34 為480 V 主配向下級(jí)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(wú)法向下級(jí)輸送。

上述三路是該平臺(tái)480 V 級(jí)負(fù)荷系統(tǒng)最重要部分，是平臺(tái)主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)甚至應(yīng)急系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的重要保障，一旦出現(xiàn)電源故障將直接導(dǎo)致平臺(tái)失去近90%的動(dòng)力（只剩下發(fā)電機(jī)供電級(jí)部分設(shè)備），報(bào)警電路、復(fù)位電路將一同失電。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)監(jiān)控面板上也不會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的故障報(bào)警，大大增加了故障排查難度，必將延長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)人員處理該類(lèi)故障的時(shí)間，如果在關(guān)鍵作業(yè)期間出現(xiàn)問(wèn)題，甚至有可能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)安全等方面的重大損失。當(dāng)該路總電源出現(xiàn)故障時(shí)，將幾乎算是一次全船失電事故，根據(jù)海上平臺(tái)作業(yè)的相關(guān)規(guī)定，全船失電屬于公司級(jí)事故，其嚴(yán)重性和影響力可見(jiàn)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(shuō)UPS 電源無(wú)論從電源質(zhì)量和可靠性上都是最理想的，但是該設(shè)計(jì)中把UPS 電源作為整個(gè)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(gè)原因：

首先按照平臺(tái)建造規(guī)范應(yīng)急發(fā)電機(jī)、UPS 均位于平臺(tái)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(tái)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(duì)來(lái)說(shuō)供電距離較遠(yuǎn)，海上鉆井平臺(tái)工作環(huán)境惡劣，供電線路會(huì)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(tái)所有重要系統(tǒng)以及應(yīng)急系統(tǒng)電源，同時(shí)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(huì)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(hù)分級(jí)，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(jí)配電盤(pán)的UPS 電源只有一條供電線路，他同時(shí)供給220 V和24 V 控制模塊，其中包括控制柜和各重要電機(jī)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(hù)，如果出現(xiàn)熔斷器動(dòng)作失誤或者配合不合理，對(duì)其他系統(tǒng)的影響將是直接的。

該鉆井平臺(tái)在作業(yè)不久就出現(xiàn)過(guò)兩次因?yàn)閁PS 受到未知因素的影響而導(dǎo)致全船失電或者無(wú)法正常供電，一次是因?yàn)楣こ處熢谂挪楣收系倪^(guò)程中，因系統(tǒng)圖紙與現(xiàn)場(chǎng)存在出入，在計(jì)劃斷開(kāi)某一部分設(shè)備電源檢修時(shí)，斷開(kāi)了給480 V 級(jí)配電盤(pán)供電的UPS 供電開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致平臺(tái)整個(gè)二次系統(tǒng)失電。另一次在復(fù)臺(tái)過(guò)程中，因?yàn)榕_(tái)風(fēng)原因UPS 系統(tǒng)出現(xiàn)故障一時(shí)難以解決，導(dǎo)致應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后無(wú)法正?；謴?fù)平臺(tái)電力。由此可見(jiàn)單獨(dú)由UPS 供電仍然存在一定的不可控風(fēng)險(xiǎn)。

2 優(yōu)化方案選擇與設(shè)計(jì)

基于上述分析，按照供配電設(shè)計(jì)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(lèi)型的設(shè)備分別供電，對(duì)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(wú)法取代的地位，但是在鉆井平臺(tái)正常作業(yè)過(guò)程中，如果在主發(fā)電機(jī)正常工作的情況下，主電網(wǎng)供電雖然在電壓波動(dòng)、閃變以及諧波含量方面存在劣勢(shì)，但在供電容量，供電距離和可靠性方面，卻更有優(yōu)勢(shì)，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(shì)。

通過(guò)對(duì)各級(jí)配電二次繼保系統(tǒng)的負(fù)荷分類(lèi)分級(jí)，我們可以得出如下結(jié)論：用于繼保動(dòng)作、報(bào)警、指示的控制電源負(fù)荷主要集中在直流24 V級(jí)；目前成熟可靠的開(kāi)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(dá)到UPS 水平，可以彌補(bǔ)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(shì)，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(shí)系統(tǒng)能夠及時(shí)利用主電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)投入臨時(shí)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(shí)，主電網(wǎng)可以提供穩(wěn)定電源而不會(huì)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(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)造成影響。同時(shí)也不會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)的初衷，也滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的要求。大大降低了因在檢修過(guò)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(kuò)大停電范圍的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)，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(jí)供電的設(shè)備，同樣可以采用隔離變壓器或者變頻電源，來(lái)實(shí)現(xiàn)其與主電網(wǎng)的隔離并從而提高供電質(zhì)量。不過(guò)隨著自動(dòng)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(tái)繼保系統(tǒng)越來(lái)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(tái)原理圖進(jìn)行的改造方案為例來(lái)說(shuō)明，由于該平臺(tái)已經(jīng)是成熟平臺(tái)，需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，所以選擇一個(gè)簡(jiǎn)單而折中的改造方案：只針對(duì)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(chǎng)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(jìn)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(huì)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(kāi)關(guān)電源，其實(shí)這里也可以采用專(zhuān)門(mén)的電源冗余模塊，二極管相對(duì)來(lái)說(shuō)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(jí)的繼保系統(tǒng)就能正常工作。該平臺(tái)在出廠初期多次因?yàn)樯鲜鰡?wèn)題導(dǎo)致停電，之后平臺(tái)根據(jù)上述方案對(duì)所有配電盤(pán)的控制系統(tǒng)電源均按照上述方案進(jìn)行升級(jí)改造之后，就再未出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的問(wèn)題，而且平臺(tái)在后期進(jìn)行UPS 系統(tǒng)檢查維護(hù)過(guò)程中也取得了更加便利的效果。

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

圖5為增加冗余電源后系統(tǒng)供電質(zhì)量的對(duì)比圖，其中A 曲線為UPS 系統(tǒng)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源供電波形，B 曲線為系統(tǒng)經(jīng)開(kāi)關(guān)電源供電的波形，從圖中我們可以看出，雖然相對(duì)于UPS 供電來(lái)說(shuō)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(duì)于電子電路來(lái)說(shuō)基本上可以忽略。

圖5 UPS 供電與系統(tǒng)供電電源質(zhì)量對(duì)比（A 為UPS，B 為開(kāi)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(tái)UPS 采用集中系統(tǒng)供電，在最初的設(shè)計(jì)中也考慮到各級(jí)負(fù)荷保護(hù)，盡量減少了不同供電系統(tǒng)之間的干擾，但是平臺(tái)用電負(fù)荷由于負(fù)荷波動(dòng)和負(fù)荷變化不規(guī)律，所以難以保證供電負(fù)荷保護(hù)的設(shè)計(jì)完全滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，加上海上鉆井平臺(tái)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(xiǎn)，這些風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高要求的石油鉆井作業(yè)來(lái)說(shuō)是不可承受的，應(yīng)該盡量避免。本方案在原有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，圍繞鉆井平臺(tái)必須具備高可靠性的基本要求，充分考慮UPS 和結(jié)合平臺(tái)主電網(wǎng)各自的特性，將二者的優(yōu)勢(shì)加以利用，使他們互為補(bǔ)充。雖然開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性不如UPS，但是利用它將相對(duì)可靠的平臺(tái)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(xiǎn)，也大大降低平臺(tái)UPS 系統(tǒng)日常檢修維護(hù)的難度，可謂一舉多得。該平臺(tái)正是由于在實(shí)際應(yīng)用中遇到前述問(wèn)題，通過(guò)增加冗余電源后，在后期的使用和UPS 系統(tǒng)檢修等過(guò)程中，未再出現(xiàn)過(guò)類(lèi)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(tái)可靠施工提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，減少不必要的損失并創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)上述方案在該平臺(tái)的實(shí)踐與運(yùn)用，進(jìn)一步驗(yàn)證了其必要性和可靠性。