油田增產船電力系統配置

劉國貞，萬 潔，李孝喜

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

0 引言

海上油氣田采用酸化、壓裂和增產增注等一系列增產措施，提高產量，一般采用一條作業支持船作為母船，搭載增產流程系統、作業用吊機，并裝載作業用原料，這樣的一艘工程船通常稱為油田增產船。

電力系統系油田增產船的核心裝備之一。作為電力推進和動力定位船，在設計時，通?？紤]在滿足船舶海上航行時主推進、進出港時船舶機動操縱、海上油田作業時保持位置、吊物等各工況下用電需求的同時，供電的連續性、穩定性、安全性和可靠性也是考核電站的重要指標之一。增產船作業要求船的穩定性好，動力配置冗余度高，操作靈活，對定位精度要求極高，海上作業時，需要在井口平臺附近保持一定的相對位置，通過柔性管將工作液泵入井內。該作業方式，使用動力定位系統以保證作業安全，既可避免船離平臺太近造成碰擦井口設施，又可防止船離平臺太遠甚至偏離預定位置，拉傷軟管或快速解脫中斷生產。

下文結合某大型多功能油田增產船的潛在客戶需求及研究開發成果，對電力系統總體配置及關鍵部件的選型進行探討。

1 船型簡述

為滿足預定作業海域及船東的要求，項目前期通過大量的調研和對推進與定位系統配置方案的技術經濟比較分析，確定本船為電力推進海工船型，四機雙舵槳，二級動力定位，選擇船舶主尺度如下：

總長Loa：103.8 m；垂線間長Lpp：95.8 m；型寬B：22 m；型深D：8 m；吃水T：5.95 m。

2 適用的規范規則

適用的規范規則有：ABS《入級和建造規范》《海洋工程支持船建造和入級規范》；IMO《國際海上人命安全公約》《特種用途船舶安全規則》《國際散裝運輸危險化學品船舶構造和設備規則》。動力定位二級，符合國際海事組織設備2類的冗余要求，最終的失效模式和定位能力應按照 DNV GL環境監管號碼（ERN -Environment Regulatory Number ern a,b,c,d）評價。

3 設計基礎和性能指標

該船主要操作在阿拉伯海、孟加拉灣和印度洋。環境溫度 0℃～45℃，海水溫度 5℃～32℃，設計壽命20年。海上航行主推進電機85%額定負載輸出，在設計吃水時船速不低于10 kn。

海上作業采用動力定位，船應保持在離固定平臺大于5 m和小于10 m的范圍內。3級海況下[1]，增產作業和吊機不工作，船舶可在360°各方向來風保持位置穩定和艏向不變；5級海況下[2]，增產作業進行但吊機不工作，船舶可在360°各方向來風保持位置穩定和艏向不變。

1）3級海況：有義波高1.5 m，平均波浪回轉周期5.6 s～6.5 s，1分鐘平均風速20 kn，平均表面流速1.5 kn，平均海床流速0.5 kn，風/浪向成一直線，流與風/浪向成45°夾角。

2）5級海況：有義波高4 m，平均波浪回轉周期8.9 s～9.7 s，1分鐘平均風速30 kn，平均表面流速3 kn，平均海床流速1 kn，風/浪向成一直線，流與風/浪向成45°夾角。

4 電力系統配置

該船配4臺主柴油發電機組，每臺AC 690 V，3Ph，60 Hz，2 800 ekW；2臺輔助/停泊發電機組，每臺AC 450 V，3 Ph，60 Hz，800 ekW；1臺應急發電機，AC 450 V，3 Ph，60 Hz，150 ekW；2臺日用變壓器，每臺690 V/450 V，1 000 kVA。艉部配備2臺全回轉方位角推進器帶調距槳由恒速電機驅動，每臺電機AC 690 V，3 Ph，60 Hz，2 200 kW，單臺可提供350 kN推力，航行時作為主推進動力；3臺艏部隧道式側向推進器，其中2臺帶調距槳由定速電機驅動，每臺電機AC 690 V，3 Ph，60 Hz，1 500 kW，1 200 r/min，單臺提供250 kN推力、1臺帶定距槳由調速電機驅動，電機AC 690 V，3 Ph，1 500 kW，調速范圍0 Hz～60 Hz，0 r/min ～1 200 r/min，可提供250 kN推力。主吊機約650 kW，由690 V主配電板的2段匯流排雙路供電，一路電源故障時自動切換至另一路供電；對外消防泵2臺，每臺AC 690 V，3 Ph，60 Hz，700 kW，1 200 r/min。電力系統的配置，可根據工況和負荷情況靈活選擇發電機臺數，使主機時常處于最佳工況下工作。航行期間，2臺柴油發電機并聯運行；海上作業工況，主配電板匯流排母聯開關處于分閘狀態，AC 690 V主配電板的母聯系統將被分成兩段，各段獨立運行。4臺主發電機可以同時運行，每段匯流排1臺發電機分列運行、或兩-兩一組并聯運行。電力系統總單線圖如圖1所示。

圖1 電力系統總單線圖

5 電力系統設計研究

在船的主尺度、總體布置、線型和動力裝置型式基本確定的情況下，根據船東對船的航速、作業能力和作業安全保障技術性能的要求，鎖定本課題的技術難點，即：增產作業特點所要求的，在較嚴苛海況下定位精度和船東對經濟性的要求，電力系統配置方案經多次系統性能分析、動力定位能力分析，不斷優化、修正和完善，最終選定一個技術經濟指標相對優越的方案。方案論證中，通過初步的船速校核，得知達到本船所要求的10 kn速度所需電力遠遠低于作業時船定位所需電力，故設計圍繞保證船的動力定位能力來確定主電站容量和電力系統配置[3-7]。

5.1 電力負荷平衡計算

這里分析的負荷主要是為船的航行、定位和日用所需的負荷。增產作業由專用發電機供電，這里不贅述。

電力負荷估算如表1所示。

表1 電力負荷估算表

表1中，3級和5級海況中最嚴重故障工況，系指690 V主匯流排B由于短路故障等失去供電能力，由繼電保護從系統中切除，艏部冗余供電的艏側推負荷轉移至由主匯流排A供電，1臺主發電機或2臺主發電機在網運行，其負荷率較高達到95%左右，如出現發電機過載，應將全部的輔助負荷約500 kW轉移至由輔助發電機供電，保證電力系統運行的穩定性。

5.2 動力定位能力

本船配備了1套先進高效的酸化壓裂生產流程系統，要求船依靠動力定位系統始終與生產平臺保持一定的安全距離，從而保障施工作業的順利進行。本船動力定位系統按DP-2級要求配置，配備了足夠的動力和推進器系統，為船提供足夠的電力和有效的機動性、操縱性和安全性。

按第3部分定義的在3級和5級海況時，完整推進器和最嚴重單點故障情形，動力定位能力如圖2～圖5所示。

圖2 3級海況完整推進器定位能力

圖3 3級海況最嚴重故障定位能力

圖4 5級海況完整推進器定位能力

圖5 5級海況最嚴重故障定位能力

圖2為3級海況完整推進器工況的動力定位能力，風速達到64.1 kn、浪高14.2 m時360°風向均能滿足動力定位的要求；圖3為3級海況最嚴重單點故障，即690 V主配電板匯流排B短路同時失去1臺主推進器和1臺艏部側推時的動力定位能力，風速達到46.7 kn、浪高9.2 m時360°風向均能滿足動力定位的要求；圖4為5級海況完整推進器時的動力定位能力，風速達到51.8 kn、浪高10.6 m時360°風向均能滿足動力定位的要求；圖5為5級海況最嚴重單點故障，即690 V主配電板匯流排B短路同時失去1臺主推進器和1臺艏部側推時的動力定位能力，風速達到24.1 kn、浪高4.0 m時360°風向均能滿足動力定位的要求。

5.3 匯流排額定和短路能力

應用電力系統分析軟件建模，按電力負荷分析的工況進行潮流和短路分析。匯流排的額定載流容量為4 000 A。在航行工況母聯處于合閘狀態，AC 690 V主配電板上最多2臺主發電機并聯運行。在DP工況，690 V主配電板每段匯流排最多2臺主發電機同時并聯運行，690 V匯流排出線端，預期的短路電流將達到62 kA/170 kA（均方根值/峰值）；航行工況，2臺主發電機同時并聯運行，1臺日用變壓器運行，690 V匯流排出線端，預期的短路電流將達到66 kA/176 kA（均方根值/峰值）。但是按照船級社的有關規定：在計算最大短路電流時，應考慮最惡劣情況，即應計及對應于船舶或海上設施電站的最大負載工況，所有可能并聯連接于主匯流排的發電機（包括短時轉移負載的發電機在內）所饋送的短路電流。3臺主發電機同時并聯運行，690 V匯流排出線端，預期的短路電流將達到75 kA/196 kA（均方根值/峰值）。根據以上分析結果，690 V匯流排的短路定額應為100 kA/220 kA，相應的保護電器均按此選取。

5.4 混合起動和驅動系統

如圖1所示，690 V主配電系統中，艉部2臺全回轉主推進器和艏部2臺管道式推進器為調距槳、恒速馬達，采用變速起動；艏部雙冗余供電的管道式推進器為定距槳、調速馬達，采用變頻驅動；對外消防泵為恒速馬達，采用軟起動。

變頻器用于起動，通過改變電網的頻率來調節電動機的轉速和轉矩，電壓也隨頻率變化，由于電機為無機調速，起動過程相對于傳統的降壓起動更加平穩，當電機達到額定轉速后，變頻起動器將被旁路，電動機恒速運行。推進器配調距槳采用變頻起動經濟性好，用于啟動的變頻器可選擇較低定額的變頻器，當螺距置零時，用于變頻起動的變頻器容量可降低至用于變頻驅動的容量的35%～50%，可與推進器安裝于同一處所，風冷，不需要專門的房間和空調，節約初投資成本，可以減少變頻器的運行時間，延長使用壽命。

根據推進器動力定位能力分析，如艏部丟失 2臺側向推進器，動力定位能力不能滿足要求，故應將其中1臺艏側推設計成雙路供電，設計成雙路有源前端（AFE）或無源前端（DFE）驅動來滿足不斷電轉換的要求。圖6和圖7分別是雙冗余供電回路的2種形式。

圖6 雙路有源前端回路

圖7 雙路無源前端回路

雙冗余供電的特點：通常情況下，每套整流器的供電分別從各自的母排，由兩個變頻器各自負擔一部分負荷，一旦690 V主配電板上一個匯流排失電，可不間斷將負荷轉移到有電的匯流排承擔供電，實現真正的不斷電切換負載，所選擇的雙冗余供電單元有船級社型式認證。

5.5 總諧波干擾

總諧波干擾與整個系統配置有關。主推進和主要驅動系統采用有源前端（AFE）作為起動器或驅動器，艏部雙冗余供電的側推采用變頻器包括一套12脈沖整流器并通過變壓器連接到船舶主電站；為節約空間，也可采用有源前端（AFE）搭建雙冗余回路。發電機的超瞬態電抗可依照諧波計算結果定制，目前各船級社規范還沒有出臺考核電動機起動期間的短時諧波標準，因此相對于全變頻驅動系統，混合起動和驅動模式，正常運行時總諧波標準更容易限制在規范允許的范圍內。

5.6 功率管理系統

一套冗余的電站功率管理系統安裝在AC 690 V主配電板內，控制器為雙套熱備冗余，控制站之間通過光纖通訊；總站與分站之間通過Profibus總線通訊。相對于常規船，系統控制邏輯稍復雜，除了常規的發電機控制和保護功能、功率管理功能外，同時配備了發電機功率適配系統和多功能電站保護系統，根據負載功率需求匹配在網發電機數量；電站保護系統對運行的發電機組實時檢測，分析柴油發電機組的異常運行狀態，檢測到功率分配不平衡、頻率異常等作用于保護裝置執行選擇性脫扣保護，將故障發電機組從電網中剝離。在動力定位最嚴重單點故障下，由于將艏部雙冗余供電的推進器的全部負載轉移至由一段匯流排供電，根據動力定位能力分析結果，用電負荷有所增加，該段匯流排的負擔加大，按初步的負荷分析，負荷率達到95%，為防止主發電機過載，在功率管理系統中設置了如發電機有過載趨勢，自動起動其中1臺輔助發電機，與主發電機自動短時并車轉移負載，將約 500 kW的輔助負荷轉移至由輔助發電機供電，負載轉移后日用變壓器開關分閘，主電網與輔助電網解列，主、輔發電機分列運行。反向的負載轉移亦然。

電站功率管理系統是一套完全獨立運行的系統，通過以太網通信直接與全船監測報警系統進行通訊。

5.7 失電后恢復的順序起動

首先起動應急發電機，給輔助發電機黑起動負載空壓機、預潤滑油泵供電，然后起動1臺輔助發電機，給主發電機黑起動負載供電，當1臺主發電機起動投入電網，與輔助發電機短時并車，將輔助負載轉移至由主發電機供電，再按順序起動其他發電機組并網運行。主輔配電板上設定失電后按時間順序自動起動的重要負載有：照明、通訊、舵槳、滑油泵、淡水冷卻泵、海水冷卻泵，機艙風機、主推進器、艏側推等。

5.8 失火或可燃及有毒氣體泄漏后的應急切斷

油田增產船作業時，所服務的平臺有油氣發散，加上它本身所運載的酸液等危險品，其危險區域輻射范圍較大，一旦發生著火或可燃有毒氣體泄漏事故，應執行嚴格的切斷邏輯。風油切斷按照住艙、機艙和酸罐艙分區切斷，切斷按鈕位于機艙入口、駕駛室和消防控制站等處所，一般采用分勵脫扣切斷油泵或風機的供電開關實現，用于脫扣的電源由專用的UPS供電。

6 結論

本文初步探討了大型油田增產船電力系統配置。由于該船布置緊湊、作業時對動力定位要求較高，電力消耗對于690 V低壓等級已經是極限級，從經濟性的角度出發，保障船的定位安全和作業安全是最重要的研究課題。本文將傳統動力定位配電模式與混合起動系統有機結合，創新開發出一套較經濟實用的混合型低壓配電系統方案，供船舶電氣同行在系統設計和選型時參考。對于以成本為目標的客戶不失為一個好的選擇方案。