“丹納”FPSO電力系統的功率匹配設計分析

譚瞳

【摘 要】“丹納”海上浮式生產儲油平臺（FPSO）的電力系統不同于常規船舶的電力系統，它具有電站容量大、設備負載種類多、控制方式復雜、安全等級高及各類安全保護多等特點，開展“丹納”FPSO電力系統的功率匹配設計分析、突破制約FPSO電力系統設計的關鍵技術，具有非常深刻的意義。文章介紹了“丹納”FPSO電力系統的運行工況，并分析其設計原理。

【關鍵詞】電力系統；功率匹配；運行工況；功率管理；快速恢復

【中圖分類號】TE952 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）08-0025-03

“丹納”海上浮式生產儲油平臺（FPSO）是中遠船務（啟東）海洋工程有限公司為英國船東DANA公司設計建造的一艘圓筒形FPSO，工作于英國的北海，滿足DNV和UK HSE的相關規范要求，整個配電系統由“ABB”提供解決方案。

“丹納”FPSO的電力系統不同于常規船舶的電力系統，具有電站容量大、設備負載種類多、控制方式復雜、安全等級高、各類安全保護多等特點，其供電系統由3臺12.258 MW油氣兩用透平發電機供電，總裝機容量達到36 MW以上，電站集中控制，大功率負載較多，有油氣處理、貨油輸送、壓縮機、錨絞機、壓載、空調等；在運行控制方面，除了常規的幾種運行工況外，該平臺對系統供電的冗余性和可靠性也提出新的要求。當系統發生故障時，可以快速切除故障點最近的負載。為更好地實現經濟運行，采用母聯閉合運行方式，可使發電機效率最大化，同時配置了1臺備用發電機（2 000 kW）和1臺應急發電機（2 000 kW）。

“丹納”FPSO采用的是中壓電力系統，主要組成有11 kV中壓配電盤1臺，690 V上部模塊配電盤1臺，690 V變頻配電盤1臺，690 V船用配電盤1臺，690 V應急配電盤1臺，690 V透平發電機用輔助配電盤3臺，440 V/230 V配電盤3臺，120 kVA不間斷電源（UPS）2臺，另設有相關的各類電力變壓器，組成了一個完整的中壓配電系統（如圖1所示）。

1 “丹納”FPSO運行工況分析

“丹納”FPSO的電力系統運行可以分為正常發電機運行和備用發電機應急發電機運行2種主要工況，其中正常發電機運行工況可以分為3種不同的模式：正常生產模式（不卸油）、正常生產卸油模式（不注水）、正常生產卸油模式。備用發電機應急發電機運行工況可以分為正常應急工作模式（應急發電機和備用發電機同時工作）、臨時工作模式（備用發電機工作）、非生產臨時停靠工作模式（備用發電機工作），其中臨時工作模式可以接入外供臨時發電機或者啟動1臺透平發電機以補充電網功率的不足，具體運行工況介紹見表1。

2 11 kV配電盤

11 kV配電盤是“丹納”FPSO的首級配電盤，該配電盤分為3段母排，3臺透平發電機分別接在各自的母排上，由并聯開關連接，發電機的運行工況為兩用一備。在電力分配時，對于超大功率的負載主要是非應急工況下運行的設備，我們考慮直接由11 kV配電盤供電，這樣可以減少啟動時對整個電網的沖擊，還可減小低壓配電變壓器的容量。分析“丹納”FPSO的大功率負載，將低壓壓縮機（1 033 kW）和海水提升泵（700 kW）直接由11 kV配電盤供電，高壓壓縮機（8 365 kW）和注水泵（3 110 kW）由于負荷較大，采用直供變頻驅動，這樣有利于減少電壓降，并且能更好地調節負載，使得電網平穩運行，此外還設有專門直接為貨油泵（12×315 kW）供電的變頻配電盤（ASDS），這樣就基本解決了大功率負荷的匹配設計，為其他低壓配電盤電力分配提供了足夠的余量。

3 690 V低壓配電盤

“丹納”FPSO的690 V低壓主配電盤分為3個：690 V上部模塊配電盤、690 V船用配電盤、690 V應急配電盤。這種分區域供電的設計，有利于平臺操作和安全隔離，這也是船舶電力設計的通用處理方法，也為以后的維護提供了較大的便利。此外，還有3臺雙路電源（正常和應急供電）的690 V透平發電機輔助用配電盤。在功率分配時，690 V低壓配電盤是重點，要逐個分析FPSO上的負載工況，把各種負載的實際功率大小統計在用戶清單中，并選定負荷系數和需要系數，從而選定合適的電力變壓器。在分析負載時，一定要分清上部模塊加工用設備和FPSO生活維護用的船用設備，要充分考慮安全保障設備的供電和應急切斷功能的設定，應急切斷系統的原理要在配電設計中有足夠的考慮。由于“丹納”FPSO的工作環境最低達到零下7 ℃，這樣，電伴熱和空調的設計就變得非常重要，平臺在低溫環境時，設計要充分分析如何保證重要艙室的工作溫度和重要管線的操作溫度，如果前期設計得不好，后期的更改將會帶得很大的麻煩。

4 440 V/230 V低壓配電盤及UPS不間斷電源

“丹納”FPSO的440 V/230 V低壓配電盤的設計也分為3個方面：上部模塊配電盤、船用配電盤和應急配電盤。440 V電源主要分配給廚房和洗衣設備，以及其他船用較小功率的通用設備，如機修設備。230 V主要分配給照明和控制系統的主電源及其他的小功率電器。根據平臺的入級的規范和國際規則的要求，配置了2臺UPS不間斷電源，UPS電源采用雙路供電設計。230 V低壓配電的功率不是很大，但相比其他配電系統，其負載數量卻是全船最多的，如何分區域、分功能地分配230 V電源，也是設計中的一個難點。“丹納”FPSO對230 V電源的分配在設計之初就制定了一個規則，并且把全平臺的230 V負載都做了預估。

5 功率管理系統（PDCS）

“丹納”FPSO的功率管理系統選用的是“ABB”功率管理系統（Industrial IT 800xA），這是一套多保護雙冗余的智能的管理系統，系統簡圖如圖2所示。

功率管理系統的主要功能有電網的實時檢測、負載的優先脫扣、智能分配負荷、逆功率保護、調頻調載、自動同步、快速恢復電網，以及其他報警和監測功能。

正常工作時，11 kV配電盤或者是形成整體一塊配電盤的架構，如果出現中壓配電盤失電，配電盤間的母線耦合開關會立即分段，將中壓配電盤分解為獨立的3段。發生中壓配電盤失電時，對應失電配電母排處于待機狀態的透平發電機會依據指定的啟動優先級順序自動啟動，待電壓、頻率建立起來自動合閘恢復中壓配電盤的供電。當中壓配電盤側失電時，11 kV/690 V變壓器原邊和副邊斷路器自動斷開，對應的690 V低壓配電盤失電。當中壓配電盤側快速恢復供電后，功率管理系統會自動合閘變壓器原邊、副邊開關，使690 V低壓配電盤恢復供電。

正常工作狀態下，應急發電機處于備機狀態，應急配電盤經由主配電盤供電。當給應急配電盤供電的主配電盤失電時，應急發電機自動啟動，690 V/230 V應急變壓器原邊、副邊開關不配電盤欠壓釋放功能，即應急配電盤失電時開關保持原狀態，上級690 V應急配電盤恢復供電時，230 V應急配電盤隨即恢復供電。

6 “丹納”FPSO電力系統的思考

“丹納”FPSO電力系統的基本設計來自挪威塞旺（SEVAN）公司，中遠船務（啟東）海洋工程有限公司根據平臺的實際需要，對其進行了大量的改動，但是仍然有局限性。對同類型的圓筒形海上浮式生產儲油平臺，我們還是要考慮優化主發電機的配置和低壓配電盤的分布，以減少全船電纜的數量，同時也要根據DNV船級社和UK HSE的要求優化UPS不間斷電源的分布和配置。

參 考 文 獻

[1]百度文庫.超大型FPSO船舶的電力系統設計簡介

[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/8414992a453

610661ed9f43e.html，20114-12-05.

[2]李元雄.海上油氣生產裝置FPSO電力系統繼電保護方案研究[EB/OL].http：//www.doc88.com/p-100231923

4279.html，2016-07-22.

[3]白云鵬.海上油氣平臺電氣系統繼電保護方案研究[D].天津：天津大學，2009.

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