海洋工程電站集成技術及關鍵設備發展與研究

唐石青，王 樂

（704研究所，上海 200031）

0 概 述

作為海洋工程配套設備的重要組成部分之一，海洋工程電站為整個海洋石油開發裝置提供電能，是海洋工程開發裝置正常運轉的重要保障。和一般的船舶電站不同的是，海洋工程電站具有中高壓化、電網容量龐大、供電網絡結構復雜、系統非線性負載比例非常高等顯著特點?；诤Ｑ蠊こ屉娬镜募杉夹g和包括大功率發電機、中壓配電板以及能量管理系統在內的關鍵技術是制約海洋工程電站發展的瓶頸，海洋工程電站的集成技術與關鍵設備制造技術仍由歐美一些發達國家所掌握，國內所生產的大型海洋工程配套設備均由這些國家供貨，并在技術上受到嚴格的封鎖，嚴重的制約了國產海洋工程配套設備以及國家海洋工程產業的不斷發展與壯大。

近年來，隨著國家能源戰略的調整，以大型海洋移動鉆井平臺、浮式生產存儲系統、海洋工程作業船和輔助船舶為代表的海洋開發裝置不斷受到國家的重視和市場發展的實際需要。海洋工程電站作為這些海洋開發裝置的重要配套設備，其國產化程度將成為海洋工程開發裝置的重要一環。

1 國內外發展現狀及趨勢

1.1 國外發展情況

1970年代以前，歐洲一直是世界造船的重要地區。隨著世界造船中心的東移和產業結構的大調整，歐洲逐步放棄了低附加值和勞動密集的造船產業份額，但在高附加值船舶技術領域和船舶配套工業領域，仍保持著領先地位。日本、韓國船舶配套工業自 1970年代以來迅猛崛起，形成了一批可與西方國際知名公司相抗衡的品牌技術和品牌產品。

現代船舶配套技術的快速發展是因為信息技術在機電產品中大量注入，因此，高效率、自動化、集成化、模塊化、數字化和智能化、大功率、長壽命、小體積、無污染、安全、可靠的新型船舶配套產品不斷問世。海洋工程開發裝置配套電站設備的主要發展趨勢是：

1)電站容量不斷增大，電網電壓不斷升高。隨著世界經濟貿易的發展，船舶的平均噸位越來越大，船舶電站的容量也隨之不斷的增大。同時船舶自動化程度以及對操縱性要求越來越高，對船舶電站的容量及穩定性等方面提出了更高的要求。還有越來越多的采用了電力推進的方式，又使電站的容量大幅增大，電制向中壓等級發展，已達10kV等級甚至更高。

2)電站成套設備的集成化、模塊化。把電站作為一個成套設備直接提供給船廠是目前大多數國際廠商的標準做法，而且可以進行菜單式的組合。這是基于電站設備都已實現集成化設計、模塊化制造，各分級產品都以標準化接口進行組合拼裝。在監控軟件編制方面，也都以參數設置來進行適應性轉化，而不必重新更改軟件程序。在維修性方面，集成化、模塊化使設備的維修判斷簡單化，在故障現場只需進行簡單的更換模塊或組件即可恢復使用，對維修人員要求簡單。

3)電站智能化趨向。大部分工業設備已經通過采用工控元件可對其內部工作狀態進行監測和報警處理，電站成套整體則從更上層的系統運行角度對各個設備之間進行控制。例如對負載變化作出供電結構調整，在應急狀態下采取過冗余策略等等，從而實現無人自動電站。在此基礎上，再將電站的智能網絡接入整船監控系統，可實現遠程控制，如單人船橋。如果再通過整船監控系統連入互聯網絡，更可以實現陸基的專家診斷系統進行遠程診斷、維修，甚至在特殊情況下可實現陸基遠程控制。某些高度智能化船舶已實現單人船橋和遠程專家診斷。

4)電站設備趨向于小體積、長壽命、無污染。伴隨著電氣元器件的集成化、原材料性能的提高和機械加工精度的上升，現在的設備都趨向更小的體積和更長的壽命。例如柴油發電機組，原來提供1000kW 的機組尺寸要達到 5160mm×2000mm×2500mm，而現在能提供 3000kW 的機組尺寸也才 8350mm×2800mm×3650mm。功率密度得到了大幅提高。在使用壽命方面，柴油機大修期由原來的3000h ～6000h延長至12000h ～18000h。在無污染方面，對柴油機廢氣排放例如 NOx都作出了嚴格的規定。還對郵船的噪音作出了規定。在設備的用料（例如電纜）方面，也強調了無毒無害等指標。

1.2 國內發展情況

國內船舶配套工業由于缺少長期持續的技術投入，自主研發能力較弱，國產化船舶電站設備裝船率在較短的時間內由 70%左右急劇下降到當前的不足 40%。國內開展集成技術研究的設備生產企業很少，生產企業只能各自提供柴油機組、配電板、監控系統等單一產品，無法提供完整的電站成套系統設備，使國產電站設備的成套化裝船率為零。

綜上所述，與國外相比，國內在大型平臺電站集成及關鍵設備研制上，主要差距有以下幾點：

1)整體技術水平與國外先進水平差距明顯，本土化配套率低；

2)原創性成果不多，優勢產品生產能力嚴重不足，電站配套設備長期依賴進口；

3)科研條件落后，基礎研究薄弱，電站配套核心技術沒有話語權；

4)經驗、物力、人力等方面儲備不足。

2 海洋工程電站技術特征

隨著海洋工程大型化、深水化以及功能多樣化趨勢的發展，作為配套的海洋工程電站呈現出其獨特的技術特征，這些技術特征在某種程度上決定了海洋工程電站集成設計與關鍵設備研制的要求和思路。圖1為典型的第6代深水海洋平臺電站供電網絡結構，其復雜程度遠遠超過了一般的船舶電站?？傮w而言，海洋工程電站的主要技術特征如下：

1)負載的大型化、非線性化。海洋工程電站采用電力推進技術是必然的發展趨勢，因此，其負載將會是大量的大容量工程電機，電力電子器件和這些工程電機的協調應用一方面使得電機具備優越的使用性能，但另一方面卻由于電力電子器件的非線性特征給供電系統帶來了嚴重的電能質量問題。

以某型第6代深水海洋平臺電站為例，平臺動力定位系統為最高級的 DP3動力定位，當平臺在3000m水深作業時，采用方位推進器進行動力定位。在發生一個主要事故時，僅有2臺方位推進器失效，其他方位推進器仍能夠保持平臺的位置固定。平臺共配備8臺方位推進器，2個為1組，分別安裝在平臺浮體的4個角，功率近37MW。為了提高海上鉆井作業的效率，平臺采用雙井口作業方式，井架、絞車、頂驅等由原來的1套變成了雙套，通過主、輔井口鉆井設備的協調分工從而提高鉆井時效。鉆井設備的電功率非常高，每臺電機的功率都高達1000kW。

2)供電容量大、電壓等級高。第6代的深水海洋平臺供電系統容量達到了 30MW ～40MW 的級別，應對大容量的供電要求，海洋工程電站的設計配置向以下3方面發展：

(1)發電單元高功率密度化，應用單機 5MW的發電容量將是一個主流；

(2)電壓等級的中高壓化，現有的開關無法滿足短路分斷能力的需要，提高供電電壓是唯一的解決辦法；

(3)配電單元的多樣化，由于發電電壓與負載的用電電壓的不一致性，采用變壓器的低壓配電和采用整流器的直流配電為特征的配電網絡。

3)供配電網絡結構復雜、系統運行工況多樣。海洋工程電站供電系統容量大、負載非線性化及多樣化的特點決定了供配電網絡的結構比常規的船舶電站復雜和系統運行工況多樣的特征。就供電網絡結構而言，常規的干饋式供電網絡結構已無法滿足系統的需要，環形供電網絡結構已成為一種新的供電網絡結構形式，如應用在采用DP3（動力定位3）的深水海洋平臺電站。就配電網絡而言，除了常規的低壓交流配電以外，直流區域配電因為其獨特的技術優勢不斷得到國際上的認同和采用。因此，直流區域配電技術以及交直流混合配電技術將在將來的一段時間內成為國內外研究的熱點。系統的運行工況受到負載運行特性和實際作業工況需要限制，多樣化的運行工況給電站系統的綜合管理平臺帶來了變革和挑戰。

3 海洋工程電站關鍵技術發展

國內在海洋工程電站技術領域與國外的差距主要體現在系統的集成技術以及關鍵設備的研制。國內要實現海洋工程電站的國產化，首先，在系統的集成方面，需要解決針對負載的功能特性進行詳盡的供電系統網絡規劃與功能設計，大型中高壓供電系統的穩定性、電網在不同運行工況下的諧波分析與抑制、系統的綜合保護策略的制定與實現以及直流區域配電分析等一系列關鍵技術，其次，包括大功率中壓發電機、中壓配電板、以及能量管理系統等海洋工程電站關鍵設備的研制要擺脫對國外主流廠商的倚賴，力求突破傳統技術與工藝的限制，以當前國際上在該領域內模塊化、高功率密度化、智能化的發展趨勢為依據，實現關鍵設備的國產化研制。海洋工程電站關鍵技術發展趨勢如下：

1)系統集成方面

(1)供電系統網絡結構分析與設計技術；

(2)供電系統保護技術；

(3)供電系統諧波分析及抑制技術；

(4)供電系統穩定性分析與設計技術；

(5)供電系統仿真試驗及驗證技術；

(6)中壓大功率發電機組成套技術。

2)關鍵設備研制方面

(1)大功率中壓發電機及其控制系統研制；

(2)中壓配電板研制；

(3)能量管理系統（PMS）研制。

4 建 議

1)加強國際交流，及時掌握國際在該領域的發展動態，通過引進、消化、吸收的方式解決重大瓶頸技術；

2)加強各研究機構、高校以及設備生產廠商之間的協作，明確分工，以系統集成為指導，重點突破關鍵設備；

3)確定海洋工程電站設備的產業地位，加大財政金融支持力度；

4)建立健全的技術、管理和人才支撐體系。