某半潛式鉆井平臺動力系統癱船恢復方案分析

陳奎英 劉凌順 徐剛

(1. 海軍航空工程學院， 煙臺 264001；2. 煙臺中集萊佛士船業有限公司， 山東 264000)

隨著人類對油氣資源開發利用的深化，海洋資源的勘探和開發成為各國經濟發展的重點[1]。由于大量的油氣資源在更深水域中發現，國際上海洋油氣資源的開發已從近海向深海發展。半潛式海洋鉆井平臺主要工作于深海區（500~1500 m為深水）[2]。

由于半潛式海洋鉆井平臺的工作條件更加惡劣，海上潮濕空氣、油霧鹽霧等影響，易滋生霉菌；波浪、風速影響易使海洋平臺發生傾斜、搖擺、震動等[3]；這些會影響機械和電氣設備并發生故障或導致火災；由于意外的事件可能會導致船舶電力系統崩潰，從而造成全船失電，這對于電力推進的船舶來說是極其危險的。如何保證海洋平臺的電網故障后快速恢復尤其重要，從而能保障人員和設備安全，避免事故發生，減少財產損失。癱船恢復是根據船級社以及相關規范要求，在規定時間（30 min）內恢復電力供應，保證鉆井平臺的正常工作和安全保障。癱船狀態系指由于缺少動力，致使主推進裝置、鍋爐和輔機不能運轉的狀態[4，5]。

1 某半潛式鉆井平臺癱船起動分析

某半潛式鉆井平臺擁有 DP2 三冗余動力定位系統，是為某建造的兩座深水半潛式鉆井平臺，船籍國為巴拿馬，按照船舶規范，海洋工程規范和美國船級社規范等來設計和建造的半潛式鉆井平臺，主要的作業海域在某海域和墨西哥灣，平臺入級美國船級社。

1.1 電力系統配置

某半潛式鉆井平臺的電力系統組成主要為7臺主機（輸出功率為 4400 kW，輸出電壓 11 kV，3相交流，60 Hz），1臺應急發電機（輸出功率為1070 kW，輸出電壓460 V，3相交流，60赫茲）；主要用電負載為8臺推進器、鉆井設備等；配電系統為2套11 kV高壓配電盤，2套460 V低壓配電盤以及 2套 220 V配電盤系統等。動力系統單線圖如圖1所示：

圖1 動力系統單線圖

該半潛式鉆井平臺的最大工作水深為 2400 m，最大垂直鉆井深度 7500 m，因其深海作業的工作環境，采用了動力定位技術，此鉆井平臺擁有 DP2 三冗余動力定位系統，自動化程度比較高。在動力定位能力分析報告，平臺選用了 8臺全回轉推進器，功率為2425 kW。在深海，潮流、風力和浪涌等變化無常，一旦推進器失去動力無法工作，平臺的定位以及安全是一個非常大的問題。因此當電力系統發生故障，如何在規定的時間內恢復推進器動力系統供電非常重要。

對于動力系統的控制管理，采用了Kongsberg的 PMS（電源管理系統），它是全船自動化的一部分，集控制、監測、保護和管理于一體的綜合性系統，主要包含能量的優化分配和管理、發電分系統的自動化、系統的監測報警、輸配電分系統的監控保護和主要用電設備的監控管理。PMS系統對于電網運行的穩定安全性是其首要任務，當電網發生失電、故障（嚴重、一般），發電分系統的自動化主要功能是對于主機和主機控制屏（包括主開關）等自動控制，包括主機起動控制的設定、分析、自動起動/停機等程序的編制，輸配電系統的監控保護，配電開關的集中控制，和主要用電設備的監控管理[6]。

1.2 癱船起動分析

根據癱船的定義，說明船舶應設有措置，保證在沒有外來幫助的情況下能使機器從癱船狀態運轉起來。船舶機械設備的布置，應能在沒有外來幫助的情況下，只通過船上可用的設備使其從癱船狀態達到運轉的目的。癱船狀態恰恰是已沒有儲存能源，用于起動和運行主推進裝置、主發電機和其他重要輔助設備的儲存能源已喪失，船舶完全失去動力，在沒有外來幫助下，利用船上可用的設備來完成。如果要起動主機，首先要有起動主機的能源，目前大型船舶的主機基本上采用配置兩套壓縮空氣機（一用一備的冗余設計原則）起動，因而恢復壓縮空氣后才能起動主機，壓縮空氣機通常是電源供應，要想恢復壓縮空氣機，則需恢復電源。因此如何恢復起動主機的壓縮空氣，則需要額外的輔助配置，先恢復平臺電源，此額外的輔助配置為原始動力源。

原始動力源，在現在船舶的動力裝置中，一般為應急電源/或應急空氣壓縮機。船舶應急電源又分為應急發電機和應急蓄電池組[7]。恢復平臺電源的原始動力源，一般為應急發電機，

1.3 癱船起動應急電源要求及配置分析

根據規范等要求，能夠自動起動的應急發電機組，應設有起動裝置，并配備至少能供3次連續起動的能源，儲存的能源應受到保護，以免被自動起動系統耗盡，除非設有第2套獨立的起動裝置。此外，還應配備能在 30 min內起動 3次的第 2能源，但被證明有效的人工起動除外[7]。某半潛式鉆井平臺的應急電源為應急發電機，應急發電機組的起動裝置有兩種方式，一種為電起動，配置兩套獨立的蓄電池組；一種為自帶泵壓縮空氣起動裝置，這兩套起動裝置各有優劣，互相補充，見表 1。電起動的要求則滿足至少能夠供3次連續起動的能源，壓縮空氣起動還應配置能在30 min內起動3次的第2能源。從成本和可靠性等方面考慮，應急發電機起動配置一般為一套電起動和一套壓縮空氣起動。應急發電機的起動原理如圖2所示。鑒于系統運行的連續性與可靠性，在此優選壓縮空氣起動應急發電機。

1.4 癱船起動主機起動要求及配置分析

對于主機的起動要求，和應急發電機的起動要求又不一樣。用壓縮空氣起動的主柴油機，應設有2臺或2臺以上空氣壓縮機，至少其中1臺由主柴油機以外的動力驅動，且該臺壓縮機的排量應不小于所要求總排量的 50%。這些空氣壓縮機的總排量，應在1 h內由大氣壓力升至規定的連續起動所需的壓力。除應急壓縮機之外，總排量一般應平均分配給每一臺壓縮機。供主機起動用的空氣瓶至少應有2個，其總容量應在不補充供氣的情況下，對每臺可換向的主機能從冷機連續起動不少于 12次，試驗時應正倒車交替進行；對每臺不能換向的主機能從冷機連續起動不少于6次。如主機多于2臺，空氣瓶的總容量應足夠每臺主機起動 3次，總起動次數應不小于12次，但不必超過 18次[5,7]。對于電驅動推進器，起動空氣儲存的空氣連續起動的最小次數應根據下列方程[5]計算：

表1 應急發電機起動配置比較

圖2 應急發電機起動原理圖

式中：S=連續起動的總次數；G=能維持足夠電氣負載的主機數量，允許船舶從全速航行動力狀態過渡到機動狀態，G的值不能超過3。

某半潛式鉆井平臺主機起動的數量為 1，因此起動次數S=6。

某半潛式鉆井平臺的主機配置為輸出功率4400 kW，輸出電壓11 kV，3相交流，60 Hz。屬于大型主機，蓄電池起動只適合于小型機，因此主機起動配置為2套起動空氣壓縮機（一用一備的冗余設計），兩臺起動空氣壓縮機由一臺由460 V應急配電盤供電，一臺由460 V主配電盤供電，保證了空壓機電源的可靠性。此外，配置兩個空氣罐，兩臺空壓機都可以提供壓縮空氣到空氣罐，參考圖3主機壓縮空氣起動原理圖。主機起動空壓機運行時間T3的計算如下:

空壓機容量（V1）為66 m3/h

起動主機的總空氣容量為Q =18.89 m3

主機起動時的空壓機運行時間為：

當空氣瓶壓力達到上述值，開始起動主機，主機每次平均起動時間為T4=7 s。

圖3 主機壓縮空氣起動原理圖

起動#7主機前還要做一些準備工作，確保主機具備起動條件，如手動起動主機預滑油泵、發電機軸承預滑油泵和主機預熱和與循環系統，確保主機的預熱和預滑油系統運行正常；檢查燃油柜里有足夠的燃油用于主機使用；檢查所有主機控制系統處于供電狀態，且處于“本地”控制模式；清除所有報警點報警等。

2 癱船起動恢復方案分析

2.1 癱船起動方案分析

起動主機的方案主要有五種，優選方案為起動#7號主機可用，其次為起動#3號或#4號主機，以及#5號或 6號主機。在后四種方案中，起動#3號或#4號主機（460 V艏部主配電盤），以及#5號或6號主機（460 V艉部主配電盤）的起動方式與過程類似。

某半潛式鉆井平臺的癱船起動方案優選#7主機，#7號主機的輔助機電設備的供電直接來自460 V應急配電盤，所需時間短、快速、簡單。優選#7號主機與其他起動方案的比較如表2所示：#7號為備用主機，無故障問題，而且輔助機電設備供電直接來自460 V應急配電盤，起動前無需判斷并操作與460 V主配電盤的互鎖，在起動過程中，操作更簡單易行。

表2 #7號主機起動方案與#3/#4、#5/#6主機方案比較

2.2 癱船起動恢復方案分析

手動起動應急配電系統：起動應急發電機和應急配電盤發電機斷路器合閘時間為T1=45 s。

恢復460 V應急配電盤以及應急負載供電：手動閉合460 V應急配電盤下的相應460 V應急負載斷路器，如：用于主機起動系統的空氣起動壓縮機的斷路器；#7號主機的馬達控制中心的斷路器；220 V應急配電盤的斷路器；220 V UPS的斷路器。

保證以下UPS蓄電池的斷路器是閉合狀態，并且從應急配電盤充電并可用；如用于IAS（全船控制系統）的UPS系統；推進器UPS系統；主配電盤UPS系統；通訊和導航系統的UPS系統；24 VDC蓄電池充電器。用于應急負載合閘和提供負載供電的時間約為T2=180 s。

起動主機起動空壓機時間：T3= 1030.47 s

（1）#7主機可用的方案

起動#7主機：

從MIMIC控制臺手動起動#7主機，主機怠速狀態運行5分鐘，然后轉到額定轉速。

主機每次平均起動時間為T4=7 s，如果連續起動6次，時間為T40=6×7=42 s。

手動合閘#7發電機斷路器：

從MIMIC控制臺上手動關閉11 kV高壓配電盤上發電機斷路器，以及460 V主配電板上的460 V負載，如海水冷卻泵、右舷/艉部風機馬達控制中心，以及連接馬達控制中心#1主機室和#2主機室的風機、其他主機起動的預滑油泵、主發電機軸承滑油泵和主機預熱和與循環系統。按照PMS設置，起動其他主機。

用于起動輔助設備的時間約為T5=180 s。

應急發電機停止，恢復主動力：

短時同步應急配電盤到主460 V配電盤，460 V應急負載轉換到主配電系統。

應急發電機停止，推進器系統和其他輔助系統可以重新起動，平臺恢復到正常操作狀態。

用于起動推進器系統以及相關輔助設備的時間約為T6＝180 s。

（2）#7主機不可用的方案

當#7號主機不可用時，需考慮起動#3、#4主機、#5或#6主機，分別為起動#3或#4，或者起動#5或#6。這四種起動方案，#3號和#4號主機起動方案相同，#5號和#6號主機起動方案相同。在操作時，要注意區分它們的不同之處，并操作正確，在此以#3號主機的起動順序與流程為例進行詳細闡述，其他的以此類推。

如果決定起動#3或#4主機，使用安全鍵關閉到460 V艉部主配電盤的斷路器；

如果決定起動#5或#6主機，使用安全鍵關閉到460 V艏部主配電盤的斷路器。

起動#3主機：

從MIMIC控制臺起動#3主機，主機怠速狀態運行5分鐘，然后轉到額定轉速。

主機每次平均起動時間為T4=7 s，如果連續起動6次，時間為T40=6×7=42 s。

手動合閘#3主機斷路器：

從MIMIC控制臺上手動關閉11 kV高壓配電盤上發電機斷路器，以及460 V主配電板上的460 V負載，如海水冷卻泵、右舷/艉部風機馬達控制中心，以及連接馬達控制中心#1主機室和#2主機室的風機、其他主機起動的預滑油泵、主發電機軸承滑油泵和主機預熱和與循環系統。按照PMS設置，起動其他主機。

用于起動輔助設備的時間約為T5=180 s。

后面的操作與上節起動#7號主機的順序與操作相同，參考上節。

根據以上方案的起動順序與時間，匯總癱船恢復起動的總時間為：

此癱船恢復起動的總時間為 27.04 min，滿足30 min起動的規范相關要求。

3 結束語

癱船狀態的恢復是確保海洋平臺安全的一項重要措施，本文分析了某半潛式鉆井平臺的電力系統癱船恢復起動流程與方案，分析了起動恢復時應急發電機的起動以及主機起動的設計及配置的優越性。此項目癱船起動恢復方案共有5種方案，充分了考慮可行性，對于某半潛式鉆井平臺癱船恢復，起到了舉足輕重的作用，對于某半潛式鉆井平臺電力故障后恢復電力系統非常重要。

[1]竇培林, 袁洪濤, 宋金楊, 孔維文. 深水半潛式鉆井平臺 DP3動力定位系統設計和應用[J]. 海洋工程,28(4):2010：117-121.

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[6]徐永發, 韓旗, 杜軍, 晏順兆. 船舶能量管理系統[J].中國航海,64(3):2005：78-80.

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