半潛式鉆井平臺主機用作應急發電機解析

徐剛 陳奎英

（1. 煙臺中集來福士海洋工程有限公司；2. 煙臺中集萊佛士船業有限公司，山東煙臺 264000）

0 引言

隨著人類對油氣資源開發利用的深化，油氣勘探開發從陸地轉入海洋，國際上海洋油氣資源的開發已從近海向深海發展[1]。而半潛式海洋鉆井平臺是用來從事海上石油和天然氣的勘探和生產的海上結構物，主要工作于深海區域(500~1500 m為深水，超過1500 m為超深水)[2]。電力系統設計是總體設計的最重要內容之一，電力系統的設計優劣直接關系到電站供電的連續性、可靠性、經濟性、電能質量，保證船舶電氣設備的安全可靠地工作，進而確保船舶和人員安全。

1 應用

1.1 半潛式鉆井平臺動力系統分析

常規的鉆井平臺電力系統是由主電力系統和應急電力系統組成，包括柴油發電機組、高壓配電板、變壓器、低壓配電板及大型電力負載。主電力系統承擔正常工況下所有同時運行的負載的供電，大型電力負載主要是推進器、甲板機械、鉆井設備等。常規的電力系統如圖1所示。

為了提高定位精度和電力系統可靠性，目前建造的半潛式鉆井平臺都配備了DP系統，主要以DP2和DP3為主。DP2附加標志要求有設計上的冗余，在單個設備或非活動零部件故障的情況下鉆井平臺要有能力保持位置和首向；DP3附加標志要求除了設計冗余之外，還要求有A60物理分割，即要考慮單個艙室失效，這就要求不同DP分組的設備要放置在不同的艙室，并且艙室之間有A60防火防水艙壁分開[3]。

雖然每個系統或設備有冗余設計，全船電網失電或部分電網失電的可能性大大減少，但電力系統失電對鉆井平臺及人身安全非常危險。因此，作為主電網失電恢復的應急電力系統具有非常重要的意義。應急電力系統也是主電力系統徹底失效后等待救援或逃生的唯一動力源。常規應急電力系統的設計是獨立于主電力系統，和主電力并行存在且相互關聯的一套電力系統。應急電力系統是由一套獨立應急發電機組及其輔助系統和配電設備構成，包括所在的艙室、啟動能源、燃油、電氣系統等等都是獨立于主電力設備。應急電力系統作為死船恢復的初始動力來源，任何主電力系統設備或零部件的失效都不會影響應急電力系統的運行。

圖1 電氣系統方框圖

1.2 規范對應急電源要求及布置要求分析

船級社對應急電源的可靠性要求比較高，對于應急電源的設計要求，相關規范定義主要有三種，分別如下[4~6]：

獨立的應急發電機及配套配電設備；

（2）蓄電池組作為應急電源；

（3）主機組中的兩臺主機作為應急發電機，但這兩臺主機要位于A60艙壁分隔的獨立艙室。

目前大多數船舶和海洋工程項目主要采用獨立的應急發電機作為應急電源這種設計。獨立的應急發電機作為應急電源的電力系統組成有專用油柜、應急發電機、應急配電板、應急變壓器等，容量相對于主電力系統比較小，僅供應急負載和主電力系統失電后恢復重新啟動所需的必要輔助系統使用。常規的應急電力系統雖然可靠，從設備布置方面，要配備單獨的艙室、單獨的柴油發電機組、單獨的啟動能源、單獨的油艙、輔助系統；從應急電力系統方面，需要單獨的應急變壓器、應急配電盤等。

對于蓄電池組作為應急電源，從技術角度看，由于目前技術水平所制造出來的蓄電池不適宜對功率較大的動力設備進行連續驅動，凡需要應急電源滿足動力源要求時它就要裝設發電機，不需要其滿足動力源要求時僅設蓄電池組即可[7]。因此，蓄電池組用作應急電源主要適用于小型小功率的船舶，如小型漁船、拖輪等。否則因其應急負載的功率太大，而使應急電源的容量太大，配置設計施工等比較繁雜，不經濟適用。

對于主機用作應急發電機，此種設計方案采用的比較少，某些DP3設計要求的半潛式鉆井平臺采用此種設計方案。對于此設計方案，在本文第二部分詳作分析。

對于獨立的應急發電機和主機用作應急發電機的系統設計，都要滿足下面的要求。

應急發電機等設備要求[4~6]：

（1）應急發電機組要能在規范要求的 22.5度傾斜角度下連續運行。

（2）應急發電機組要有獨特的安全系統，如只允許超速停車，其他非正常狀態如滑油壓力低，冷卻水溫度高不允許停車。

（3）應急發電機組的容量應能滿足規范要求的應急負載需求。

（4）要有兩組獨立的啟動能源，并且要夠應急發電機連續啟動6次。

應急系統設計要求[4~6]：

（1）如主電源失效時，應急發電機應在 45秒內自動起動并承接應急負載；

（2）應急發電機及其啟動能源如啟動電池或冷啟動空壓機，應急配電板和燃油柜要放置在同一個空間內，啟動能源不能用作其他用途。

（3）應急蓄電池組及其充放電板、應急發電機等安裝在最高一層連續甲板以上易于從露天甲板到達之處，不應置于防撞艙壁的前方。

（4）應急發電機室要與主電力系統有 A60防火艙壁分割。

（5）應急發電機的燃油柜容量要夠應急發電機運行18小時，且要有液位低報警。

2 主機用作應急電源的設計分析

半潛式鉆井工作于深海區域，只能在設定的某一區域內移動，都配置 DP2或 DP3系統，以保證鉆井工作。DP3明確要求主機艙A60物理分隔，設計成獨立的三個機艙或者四個機艙，而DP2則無A60物理分離，有時候主機會設計成位于同一機艙。根據主機用作應急發電機的要求，主機布置設計最低要求是兩個獨立的 A60分隔的機艙，因此此種方案只適用于DP2（A60分隔成兩個機艙）和 DP3的半潛式鉆井平臺、DP2（A60分隔成兩個機艙）和DP3的船舶或其他DP2（A60分隔成兩個機艙）和DP3的海工項目。

目前，采用主機兼做應急發電機的設計方案應用越來越多，其電力系統設計方案較優越。某半潛式鉆井平臺是半潛式鉆井平臺中的第六代，入 DNV船級社，電力系統設計也采用了這種方案。此半潛式鉆井平臺的電氣系統設計方面，動力裝置采用8臺大容量中壓發電機組，配電板分為11 000 V屏、690 V屏、440 V屏、230 V屏和鉆井設備專用屏。本平臺配備了最先進的DP3動力定位系統，它由三冗余計算機控制，可以使鉆井平臺在特定海況下始終保持位置和航向[8-9]。

圖2為 DP3設計類型的電力系統典型方框圖，主電力系統由8臺柴油發電機組和4套中壓配電板組成，每兩臺發電機組位于一個機艙內，每個中壓配電板位于一個配電板室中間有防火艙壁物理分割，配電板間有母聯開關連接，每個中壓配電板下供給兩個全回轉推進器。低壓配電板也有多個分組。這樣就構成了典型的DP3系統配置，在DP工作模式下，配電板的母聯開關斷開，從發電機、配電板、到推進器及輔助系統組成了4組相互獨立的縱向的供電系統，如任何單點故障甚至單個艙室失火都不會影響其他供電回路。

圖2中間虛線部分為應急發電及分配電部分，4號和5號主柴油機組兼作應急發電機使用，此發電機所對應的中壓配電板和低壓配電板也作為應急配電的一部分。柴油發電機組啟動所必需的輔助系統有預滑油系統、啟動空氣系統、冷卻水預熱器，下面就這幾個方面來分析柴油機冷啟動是如何實現的。

空壓機和空氣瓶，冷啟動空壓機是柴油機驅動的，不需要外部電源。啟動冷啟動空壓機來給應急空氣瓶充氣并達到額定壓力，應急空氣瓶壓縮空氣來驅動氣動預滑油泵使滑油壓力正常，并驅動啟動燃油泵是燃油系統工作。通過手動操作柴油機上的主氣動閥瞬間釋放壓縮空氣驅動柴油機上的氣啟動馬達從而使各缸曲軸運轉，氣動燃油泵工作主機逐漸加速幾秒鐘后主機啟動完成。以下圖3是啟動空氣系統的方框圖：右半部分是主壓縮空氣系統用于正常情況下的主機啟動，位于同一機艙的兩臺主機連接到兩個并聯的空氣瓶，形成4組獨立的啟動空氣回路，這4組啟動空氣瓶由兩臺并聯的空壓機充氣，根據空氣瓶的壓力空壓機自動啟停，始終保持空氣瓶的壓力在規定范圍內。正常啟動的預滑油及燃油供給分別由電馬達驅動泵完成，這里不多介紹。

圖2 某海洋鉆井平臺項目電力系統典型的方框圖

左邊虛線部分為冷啟動空壓機回路，冷啟動空壓機同時給兩個專用空氣瓶充氣，并連接到 4號和5號柴油機，在主啟動空氣系統失效后通過冷啟動空氣系統來啟動柴油機，從而恢復主電力系統供電。

圖3 啟動空氣系統的方框圖

表1 主機用作應急電源與應急發電機用作應急電源的設計對比

3 總結

應急電力系統能在應急情況下保證對船舶的重要用電設備供電，對保證船舶的安全有著重要意義[10]。根據上面的系統設計分析，主機兼做應急發電機使用作為一種應急配電方式，經濟適用，滿足電力系統的設計要求，且不需要額外配置應急發電機以及配套起動配電等設備，減少成本費用。同時，由于減少應急發電機的配置，而使半潛式鉆井平臺的設備布置更加緊湊合理又節省了空間。但由于兩臺主機必須安裝于A60分隔的艙室的局限，只適合于某些大型船舶和海洋工程項目，不適用小型船舶。

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[10]葉偉平. 淺談船舶的應急電力系統[J]. 科技創新導報, 2010(16).