海上自升式鉆井平臺應急配電系統的設計

馮 超，潘家松，董秀倫

0 引言

海上自升式鉆井平臺的電氣系統是一個獨立的系統，一般是由五臺主柴油發電機組提供主電源的來源，一臺應急柴油發電機組和應急配電盤相連，在應急工況下給應急負荷供電，整個鉆井平臺的配電系統是由690 V、480 V和230 V電壓等級組成的。在正常運行工況下主發電機組給690 V主配電盤、電動式電機構成的鉆井設備以及應急負荷供電。其典型的電氣系統總單線圖如圖1所示。

如果690 V主配電盤失電，且所有的主發電組都處于非工作狀態，電氣系統就進入黑啟動模式，應急發電機將被自動啟動，進入到運行狀態，ABS船級社規定應急配電盤在黑啟動的過程中需要在45 s內通電并帶載運行，基于此要求，應急發電機需選用柴油內燃式的主機系統，其啟動速度快，效率高。當黑啟動完成，主配電系統有電時，應急發電機將自動退出運行，應急配電盤由主配電系統供電，在電氣系統恢復供電過程中，應急配電盤可以被設計成不間斷供電的工作狀態。因此，在正常操作時，主發電機組給整個電氣系統供電，應急柴油機組隨時待命去自動完成黑啟動。為保證應急柴油機組能在黑啟動時被順利投入運行，平時的日常測試應成為應急柴油機組的常規工作。當鉆井平臺在非鉆井工況運行時，電氣系統中的少量重要負荷需要運行，這時可以利用應急發電機的反送電功能，通過應急發電機給整個平臺所需的少量負荷供電。

1 應急發電機黑啟動恢復功能

圖1 典型的電氣系統總單線圖

應急發電機、應急配電盤以及應急變壓器等設備都被安裝在應急配電間內，應急發電機和應急配電盤通過發電機進線開關電氣連接在一起，在正常鉆井工況下，應急發電機是不會被自動啟動投入運行的，所有的電氣負荷是由主柴油發電機組供電的，但當主發電機無法運行時，系統中所有盤柜都失電時，系統將進入黑啟動的狀態，應急發電機控制系統在檢測到應急配電盤失電一段時間后自行發出啟動命令，將應急發電機啟動，如果主發電機已經給480 V主配電盤供上了電，且此時整個系統失電未超過45 s，那么應急發電機的進線開關將不會自動合閘，而480 V主配電盤和480 V應急配電盤之間的母聯開關將自動合閘，應急配電盤將由主配電系統供電，應急發電機將怠速運行一段時間后直接停機[1]。這個過程是電氣系統黑啟動的一種運行方式。

若在45 s后應急配電盤控制系統檢測到主配電系統480 V主配電盤還是處于失電狀態，應急發電機的進線開關將自動合閘，給應急配電盤供電，等到480 V主配電盤有電之后，480 V應急配電盤上的母聯開關在自動同步之后自動合閘，應急發電機上的電氣負荷將卸載轉移到主發電機上，等到應急發電機完全卸載負荷完畢后，應急發電機的進線開關將自動分閘，應急發電機怠速運行一段時間后，將接收到停機命令后自動停止運行。這也是黑啟動恢復系統供電的另外一種運行方式[3-4]。圖2和圖3的程序流程圖描述了整個電氣系統黑啟動恢復供電的兩種運行方式。圖2給出了應急配電盤在黑啟動的過程中是如何恢復供電的，圖3則展示了主配電系統是如何恢復整個電氣系統供電的。

圖2 應急配電盤黑啟恢復供電流程圖

圖3 應急盤恢復從主盤供電的流程圖

2 應急發電機日常測試維護

在正常操作的鉆井運行工況中，主柴油機發電機組提供整個平臺的電力供應，應急發電機組是不在電氣系統中運行的。為了保證應急柴油發電機組隨時可以投入到黑啟動的工況中，隨時準備好到能啟動的狀態，必須在一定的時間間隔內，主動地去手動啟動應急發電機組，并將應急發電機帶入到電氣系統中運行一段時間，檢驗一下應急發電機的運行狀況，這是定期維護應急發電機的過程，應急發電機的定期維護可以保證應急發電機能隨時地投入運行，能卸載電氣負荷，這樣的定期測試稱作日常測試[2]。日常測試必須在系統中的主發電機能正常運行且供電給整個電氣系統的情況下進行，所以在應急配電盤上必須選擇手動運行模式，手動啟動應急發電機，等到電壓達到95%的額定電壓，按下同步按鈕，應急發電機的調速設備自動啟動調速裝置以使應急發電機和應急配電盤電壓、頻率同步，應急發電機的進線開關自動合閘，運行5 s后，應急發電機進入到卸載的狀態，自動卸載完畢后，應急發電機的進線開關將自動分閘，這時應急發電機又會怠速運行一段時間，當接收到停機命令后將發電機停機運行。圖4是整個應急發電機日常測試維護的流程圖。

圖4 應急發電機日常測試維護的流程圖

3 應急發電機反送電運行

當鉆井平臺在非鉆井工況，或是在平臺初期調試階段時，應急柴油發電機組能作為一個反送電的功能被加以應用到電氣系統中，反送電運行模式的定義是整個電氣系統的電源是來自于應急配電盤，即是由應急配電盤給主配電盤供電。

在反送電運行模式下所有的主發電機處于關閉不運行狀態，并且不能被啟動運行，應急配電盤上的運行模式也應該處在手動運行的模式選擇中，應急發電機組被手動啟動起來，反送電選擇按鈕必須旋到on的激活位置，一旦激活，顯示反送電功能狀態的指示燈會被點亮，并會持續亮下去，反送電的狀態信號需要送到480 V主配電盤進線開關的欠壓分閘回路中，鎖住其進線開關的合閘操作一直到反送電選擇按鈕旋到off位置，當應急發電機組在反送電模式下運行時，等到應急發電機的轉速、電壓穩定到額定狀態后，再手動合上應急發電機的進線開關，480 V應急盤就由應急發電機供電，480 V主配電盤上面也有一部分負荷需要從480 V應急盤供電，因此，480 V主配電盤和應急盤之間的母聯開關應該手動合閘。至此，整個反送電的操作過程完成了，當反送電模式被解除時，母聯開關應被自動分閘掉，應急發電機的進線開關也被自動分閘，但此時發電機不會接收到停機命令，它還會一直運行下去，直到另一種模式和運行狀態的到來，特別需要注意的是：在操作人員去切換模式的時候，需要正確地去判斷目前電氣系統所處的狀態以及需要即將運行的狀態，否則可能會使應急發電機組運行在一個無法監控到或者無法控制的狀態[5]。圖5描述了應急發電機反送電的流程圖。

圖5 應急發電機反送電的流程圖

4 應急發電機的調速模式

應急柴油發電機在黑啟恢復和日常測試維護運行模式下需要進入到電氣系統中運行，勢必要帶上一定的負載，這樣就需要對應急發電機的轉速、功率進行控制、平衡或轉移，應急發電機裝備的控制單元能提供下垂和固定頻率的兩種頻率調節模式，應急發電機在和主發電機并網運行過程中有同步和負載卸載的操作，在卸載的過程中，應急發電機是在下垂的速度調節模式下運行的，卸載完成后，應急發電機進線開關被自動斷開，發電機怠速運行一段時間直至停機命令發出，發電機最終停機。

5 應急配電負荷的回路設計要求

應急配電負荷中有一些對鉆井平臺來說屬于第一重要性的必需負荷，例如：消防系統、應急照明系統、通訊系統單元等，這些負荷在任何工況下都是要求保證一直處于運行狀態的，若整個電氣系統處于失電黑啟的過程，它們必須被設計成和應急配電盤同步得電即投入運行的狀態。

有一些非必需負荷也被安排由應急配電盤供電，當應急發電機被投入運行時，若其帶載的負荷過大，將導致發電機過載斷電，這時可以啟動應急配電盤的優先脫扣功能，將這些非必需負荷回路切斷，以保證應急發電機的可靠運行。

6 結論

本文分析了海上自升式鉆井平臺上應急柴油發電機的各種運行工況和狀態，給出了如何去控制應急發電機和應急盤電盤運行的控制邏輯關系，為海上自升式鉆井平臺應急配電系統的設計提供了借鑒參考價值和意義。

參考文獻：

［1］劉冬冬，李汪洋.海洋石油平臺應急發電機組控制系統優化設計 ［J］.石化技術，2016（1）：21-24.

［2］范江濤，雷聚濤.海上石油平臺發電機組的應急卸荷控制系統 ［J］.自動化儀表，2009，30（12）：52-54.

［3］董偉.PLC在海上鉆井平臺應急發電機組中的應用［J］.中國石油大學勝利學院學報，2004，18（4）：90-92.

［4］劉冬冬，陳翠和，陳斌，等.基于PLC的海洋石油平臺應急發電機組控制系統［J］.中國造船，2012（s2）：475-482.

［5］劉菊娥，周凱，韓笑.海上平臺應急柴油機發電機組成橇設計淺析 ［J］.中國造船，2010（S02）：358-364.