固定式鉆井平臺模塊鉆機電力系統的設計研究

張德松

固定式鉆井平臺模塊鉆機電力系統的設計研究

張德松

（天津中海油工程設計有限公司 天津 300452）

分析傳統固定式鉆井平臺模塊鉆機電力系統。詳細論述了中海油固定式鉆井平臺模塊鉆機電力系統的構成，包括：690V交流配電及變頻驅動系統；400V正常輔助動力系統；230V正常照明及小功率設備供電系統；400V/230V應急動力及照明系統；110V交流不間斷電源系統（UPS）；應急發電機的BACK UP供電系統。

固定式鉆井平臺；模塊鉆機；電力系統；單線圖

引言

我國近海油氣資源豐富，中國海洋石油年產量已經突破5000萬t，其中大部分產量依賴于渤海、南海東部、南海西部等近海油田。固定式（導管架）鉆井平臺模塊鉆機作為近海油田開發的關鍵性高技術裝備。

本文所論述的固定式鉆井平臺模塊鉆機（以下簡稱模塊鉆機）電力系統設計方案，適用于中國近海油氣田的開發利用。主要討論由平臺組塊提供鉆井正常主動力電源（NORMAL POWER）以及應急動力電源（EMERGENCY POWER）情況下的電力系統設計方案。電力系統的設計規范主要參照中國船級社（CCS）《海上固定平臺入級與建造規范》、《海上石油平臺鉆機第9部分：電氣、儀表系統》（Q/HS 2037.9）、NORSOK標準E-001《Electrical system》等。

1 電力系統概述

模塊鉆機電力系統主要分為正常動力系統、BACK UP動力系統與應急動力系統，其中應急動力系統包括400V/230V應急電源與110V交流不間斷電源。

如圖1所示，模塊鉆機設置2臺干式變壓器（進線側為組塊提供的中高壓電源），通過降壓后為鉆機提供690V正常動力電源；模塊鉆機正常400V母線電源來自于2臺690V/400V干式變壓器（進線側為鉆機690V交流母排）；230V正常照明及小功率設備供電由1臺400V/230V干式變壓器提供（進線側為鉆機正常400V交流母線）。

模塊鉆機主配電、變壓器間、應急配電間與電池間均布置在DRILLING SUPPORT MODULE（DSM）中層，輔助配電間布置在DRILLING EQUIPMENT SET（DES）鉆臺面。

2 正常動力系統

2.1 正常690V主動力系統

根據NORSOK規范要求，由組塊提供主動力電源時，供電回路不少于2個（冗余、互備設計），并應在鉆機低壓側設置母線斷路器，且母線斷路器狀態為常開。考慮以上因素，模塊鉆機共設置三段690V交流母線，分別為DSM-BUS-LA6、DSM-BUS-LB6與DES-BUS-LB6。DSM-BUSLA6與DSM-BUS-LB6之間設置母線斷路器，斷路器狀態為常開。DSMBUS-LB6與DES-BUS-LB6母線之間通過電纜進行連接。兩臺主降壓變壓器為DSM-BUS-LA6與DSM-BUS-LB6提供供電電源。

圖1 固定式鉆井平臺模塊鉆機電力系統單線圖

模塊鉆機主要鉆井設備包括：泥漿泵、絞車、轉盤以及頂驅。目前主鉆井設備的電驅動方式已經由交流多傳動變頻驅動方式替代了直流SCR調速方式。交流多傳動變頻方式具有能耗制動輔助剎車、高功率因數、高準確精度以及低廉的驅動電機價格等優點。根據鉆井主機械設備的安裝位置，本著就地控制的原則，泥漿泵變頻器安裝在DSM-BUS-LA6母線側（如果是3臺泥漿泵，則其中2臺安裝在DSM-BUS-LA6母線側，1臺安裝在DES-BUS-LA6母線側），絞車、轉盤和頂驅的變頻器安裝在DES-BUS-LB6母線側。

考慮到模塊鉆機鉆井過程中機械設備工作情況比較復雜，在變頻系統的設計過程中需要盡可能的考慮系統的余量，以滿足在單一的整流器故障情況下，不影響鉆井主設備工作。

2.2 正常400V動力系統

模塊鉆機正常400V動力系統為了提高系統安全穩定性，共設置4段正常400V母線。分別為DSM-BUS-LA4、DSM-BUS-LB4、DES-BUSLA4與 DES-BUS-LB4。其中 DES-BUS-LA4、DES-BUS-LB4分別由DSM-BUS-LA4、DSM-BUS-LB4 供電，而 DSM-BUS-LA4、DSM-BUSLB4則由兩臺690V/400V降壓變壓器進行供電。變壓器一次側進線分別來自于模塊鉆機690V交流母線DSM-BUS-LA6和DSM-BUS-LB6。DSM-BUS-LA4與DSM-BUS-LB4之間，DES-BUS-LA4與DES-BUSLB4之間均設置母線斷路器，斷路器狀態均設置為常開。

正常400V動力系統主要為鉆井輔助設備提供電源。這些設備主要包括：灌注泵、混合泵、攪拌器、振動篩、除泥泵、除砂泵、離心機、液壓站、空調、風機等設備。在進行電力系統的設計過程中要充分考慮整個正常400V系統的供電靈活性和穩定性，盡量將相同的用電設備布置在不同的母線側，以確保在任何一段母線出現故障后，可以迅速的自動或者手動切除故障母線，進行故障排查和檢修，而不影響其余母線正常工作，從而將故障范圍限定在最小限度內。

2.3 正常230V照明及小功率設備供電系統

模塊鉆機230V正常照明及小功率設備供電系統分為DSM-BUS-LP與DES-BUS-LP兩段母線。DES-BUS-LP母線由DSM-BUS-LP供電，而DSM-BUS-LP母線則由模塊鉆機自帶的400V/230V降壓變壓器進行供電。變壓器一次側進線來自于DSM-BUS-LB4母線。

正常230V照明系統及小功率用電設備主要包括：熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈、空間加熱器等。在照明系統設計過程中應注意采用分層、分區、多回路照明系統供電設計方案，避免某一回路不能正常工作后造成整個區域照度過低。例如：某一盞燈具內部絕緣過低，造成該回路漏電保護裝置動作，整個回路停止工作。

3 BACK UP動力系統

模塊鉆機在作業工程中，需要面臨各種各樣的井下復雜情況，而此時供電系統的連續性就顯得至關重要。參考相應規范要求，在設計電力系統時，模塊鉆機配置BACK UP電源。BACK UP電源由模塊鉆機自帶的備用柴油發電機提供。柴油發電機容量一般選擇為1600kW，以滿足鉆完井作業處理井況的要求。備用發電機電壓等級選擇為交流690V，安裝在DSM-BUS-LB6側。

4 應急動力系統

4.1 應急400V動力系統

海洋平臺鉆井工程是一項高風險作業活動，模塊鉆機所設置應急400V動力電源需要滿足在失去正常主動力電源而BACK UP電源不能及時投入運行時處理特殊井況的要求。此特殊井況主要是指能夠威脅到平臺安全的特殊情況。通常模塊鉆機400V應急電源由組塊提供，一路單獨的供電回路由組塊應急配電盤連接至模塊鉆機應急配電盤，功率通常不小于110kW。結合規范要求及常規設計做法，模塊鉆機400V應急動力系統用戶主要包括：電動防火風閘、交流不間斷電源系統（UPS）、模塊鉆機備用發電機間風機、應急配電間空調風機、消防系統（泡沫泵、消防水泵等）、BOP系統、盤剎液壓單元等。

模塊鉆機的應急400V配電盤安裝在DSM應急配電間內，應急400V母線與400V正常母線之間可設置連接回路，在陸地調試期間可以提高鉆機調試效率，海上運行期間鉆機電力系統可以完全不依賴組塊電源，利用自身的備用發電機進行綜合性運轉測試，極大的節省海上安裝調試時間。需要注意的是由鉆機備用發電機提供的電源不能長期為應急類負荷供電，當組塊能夠提供或者恢復應急電源供電情況下，應優先選用組塊應急電源供電。通常設計過程中可以采用雙電源切換開關進行選擇性投切，組塊提供400V應急電源設置為第一優先級。

4.2 應急230V照明及小功率設備供電系統

模塊鉆機230V應急照明及小功率設備供電系統主要用戶包括：火氣系統、鉆井儀表系統、應急照明系統、通信系統、消防系統等。

通常由組塊提供應急230V電源，考慮到應急230V的照明回路較多，所以在DSM模塊的應急配電間內設置主配電盤，而在DES模塊設置防爆分線箱，兩個配電盤之間通過電纜進行連接。

4.3 交流不間斷電源系統（UPS）

由于模塊鉆機通常設置相對獨立的火氣系統，所以就要求模塊鉆機設置獨立的UPS系統以滿足火氣系統獨立運行的要求。根據模塊鉆機的UPS系統負荷計算，推薦UPS系統容量不小于10kVA。UPS系統正常供電回路以及維修旁路電源由鉆機400V應急母線提供。UPS系統的主要用戶包括：ESD系統、火氣系統、鉆井儀表系統、PLC系統、通訊系統等。

5 總結

相對于陸地大電網來講，海洋平臺作為一個相對較小的獨立式孤島電網，其運行的穩定性和可靠性將是檢驗電網設計水平的重要指標。本文通過總結近10年的模塊鉆機電力系統設計經驗，介紹了模塊鉆機電力系統的設計方案，對存在問題進行了總結并給出推薦的解決辦法。希望本文能夠讓讀者對模塊鉆機電力系統有一個更清晰的認識，方便專業電氣設計人員開展模塊鉆機的電力系統設計工作。

[1]中國船級社（CCS）《海上固定平臺入級與建造規范》.

[2]《海上石油平臺鉆機第9部分：電氣、儀表系統》（Q/HS 2037.9）.

[3]NORSOK標準E-001《Electricalsystem》.

[4]IEEE 519-2014 Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems.

TM921.51

A

1004-7344（2016）33-0133-02

2016-11-11