FPSO Essential工況電氣設(shè)計(jì)探討

孔凡旭，徐建東，張永革，徐 洋

應(yīng)用研究

FPSO Essential工況電氣設(shè)計(jì)探討

孔凡旭，徐建東，張永革，徐 洋

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO）作為海洋油氣田開發(fā)工程特別是深水油氣田開發(fā)的一種重要設(shè)施，合理確定其“Essential”負(fù)荷及其電源配置，對于保障海上油氣田安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)合理開發(fā)具有重要意義。本文針對FPSO中Essential工況電氣設(shè)計(jì)展開討論，從IACS（國際船級社協(xié)會）及各大船級社規(guī)定出發(fā)，同時結(jié)合具體工程項(xiàng)目實(shí)施方案，明確了Essential負(fù)荷選取方法和典型負(fù)荷、電源配置方法及供配電系統(tǒng)主接線方案，指出應(yīng)從經(jīng)濟(jì)、操作需求兩個方面并結(jié)合船級社要求，綜合考慮Essential工況電氣設(shè)計(jì)。

FPSO Essential工況 Essential發(fā)電機(jī) 負(fù)荷選取 電氣主接線

0 引言

本文“Essential”負(fù)荷是指主機(jī)不能供電時，為了保證海上設(shè)施人員基本生活需求及保障控制、監(jiān)測及與安全相關(guān)的設(shè)備、基本通風(fēng)設(shè)備、壓排載控制系統(tǒng)等供電連續(xù)性而需要持續(xù)運(yùn)行的電負(fù)荷，其中包括部分應(yīng)急負(fù)荷。

目前，Essential工況電氣設(shè)計(jì)主要依據(jù)是各大船級社規(guī)范。但海上石油設(shè)施的負(fù)荷與船舶負(fù)荷差異較大，同時海上石油設(shè)施類型多樣，不同的海上石油設(shè)施的負(fù)荷也存在較大差異，F(xiàn)PSO作為深水油氣田開發(fā)中一種重要浮式設(shè)施，研究其Essential工況電氣設(shè)計(jì)方法，合理確定Essential負(fù)荷、電源及供配電設(shè)計(jì)，具有重要意義。

1 船級社及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對ESSENTIAL工況設(shè)計(jì)的規(guī)定

IACS（國際船級社協(xié)會）2002年發(fā)出關(guān)于Essential Services要求的公告，并于2003年1月開始實(shí)施。隨后各大船級社也分別給出具體Essential負(fù)荷的范圍和電源配置的要求。

1）IACS規(guī)定

IACS將Essential負(fù)荷分為三類：即“主要Essential負(fù)荷”、“次要Essential負(fù)荷”及“生活服務(wù)負(fù)荷”，并分類給出了負(fù)荷示例[1]。

同時，IACS規(guī)定，對于Essential負(fù)荷，在正常工況下，至少應(yīng)有兩臺主發(fā)電機(jī)為所有Essential負(fù)荷供電，當(dāng)其中一臺停機(jī)時，剩余發(fā)電機(jī)應(yīng)能為主要Essential負(fù)荷、次要Essential負(fù)荷和應(yīng)急負(fù)荷提供電源。如果Essential負(fù)荷通過變壓器供電，為Essential負(fù)荷供電的電力變壓器的數(shù)量、容量和布置應(yīng)確保在任何一臺變壓器不運(yùn)行的情況下，剩余變壓器足以確保提供正常推進(jìn)運(yùn)行條件所需設(shè)備的安全運(yùn)行，還應(yīng)確保安全及最低限度的生活服務(wù)負(fù)荷，其中至少包括足夠的烹飪、供暖、制冷、機(jī)械通風(fēng)、衛(wèi)生和淡水等[1]。

2）各大船級社規(guī)定

BV船級社、ABS船級社及DNV船級社對于Essential負(fù)荷的定義、分類方法與IACS規(guī)范均類似，負(fù)荷清單也基本相同。

BV船級社所給出Essential負(fù)荷清單較IACS規(guī)定補(bǔ)充了針對海洋工程浮式設(shè)施的一些特有負(fù)荷，如系泊系統(tǒng)、儲油及卸載裝置、惰氣系統(tǒng)等[2]；DNV GL規(guī)范將負(fù)荷分為“Essential負(fù)荷”、“重要負(fù)荷”、“應(yīng)急負(fù)荷”及“非重要負(fù)荷”，其中“Essential負(fù)荷”和“重要負(fù)荷”分別對應(yīng)IACS規(guī)定的“主要Essential負(fù)荷”和“次要Essential負(fù)荷”，生活服務(wù)負(fù)荷屬于非重要負(fù)荷。

對于通過發(fā)電機(jī)或變壓器為Essential負(fù)荷供電的要求，各大船級社與IACS規(guī)定相同。

3）殼牌DEP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

根據(jù)殼牌DEP標(biāo)準(zhǔn)，Essential負(fù)荷供電是一種經(jīng)濟(jì)問題。因此，應(yīng)根據(jù)服務(wù)中斷的后果評估部分或完全配置冗余能源、供電線路或設(shè)備，或引入自動重啟或轉(zhuǎn)換設(shè)施等的經(jīng)濟(jì)性。例如，考慮到泵的維護(hù)要求，采用雙泵組輸送產(chǎn)品；通過帶有轉(zhuǎn)換設(shè)施的冗余供電系統(tǒng)向分析儀供電；安全照明和廠區(qū)照明電源等。DEP標(biāo)準(zhǔn)并沒有給出詳細(xì)的Essential負(fù)荷的清單。

2 ESSENTIAL負(fù)荷選取原則及方法

根據(jù)IACS及各船級社規(guī)范規(guī)定可以看出，Essential工況實(shí)質(zhì)為正常工況的一種，是主電源發(fā)生故障但非應(yīng)急狀態(tài)的一種臨時工況，此工況下應(yīng)保證海上設(shè)施涉及設(shè)施安全運(yùn)行或停機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備及人員基本生活保障負(fù)荷的運(yùn)行，以保證海上設(shè)施的安全。

IACS及各船級社規(guī)范給出的負(fù)荷列表中較多為航行船舶推進(jìn)及轉(zhuǎn)向相關(guān)負(fù)荷，并不完全適用于FPSO。對于FPSO，通常不具有自航功能，油氣生產(chǎn)、處理及存儲是FPSO的主要功能，其通常由設(shè)置在上部模塊的主發(fā)電機(jī)提供全船正常用電，主電站設(shè)計(jì)時通常已經(jīng)考慮至少設(shè)置一臺備用發(fā)電機(jī)，以及單臺發(fā)電機(jī)故障時的卸載措施，單臺發(fā)電機(jī)故障不作為Essential工況。FPSO Essential工況主要考慮以下兩種情況：

1）重大故障導(dǎo)致全部主發(fā)電機(jī)無法在正常模式下運(yùn)行，如油氣田部分或全部停產(chǎn)導(dǎo)致燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)無燃料氣源。此種工況下應(yīng)保證油氣田的正常關(guān)停操作、設(shè)備的維保電源以及人員基本生活負(fù)荷，主要包括：（1）關(guān)斷閥、安全閥等重要閥門相關(guān)操作、控制電源；（2）柴油系統(tǒng)相關(guān)負(fù)荷；（3）公用系統(tǒng)所需海水提升泵；（4）貨油、系泊等液壓系統(tǒng)的低壓輔助泵；（5）壓排載泵；（6）惰氣系統(tǒng)；（7）機(jī)艙通風(fēng)；（8）生活樓負(fù)荷；（9）公用系統(tǒng)用空壓機(jī)；（10）航行信號燈系統(tǒng)；（11）控制系統(tǒng)負(fù)荷；（12）通訊系統(tǒng)負(fù)荷；（13）消防系統(tǒng)維保負(fù)荷；（14）應(yīng)急照明；（15）主發(fā)電機(jī)維保負(fù)荷；（16）保證管線安全的電伴熱；（17）淡水、熱水系統(tǒng)負(fù)荷；（18）其他保證FPSO安全的負(fù)荷。

2）FPSO建造、安裝及調(diào)試階段負(fù)荷需求，可考慮如下工況下的負(fù)荷需求：（1）船體建造完成后船體及生活樓調(diào)試階段用電需求；（2）船體建造完成后至集成場地拖航過程中的用電需求；（3）FPSO集成后拖航至油田過程中的用電需求；（4）拖航至油田連接過程中或油田正式投產(chǎn)前的負(fù)荷需求；

Essential負(fù)荷選取是Essential工況電氣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，IACS及各船級社僅給出了Essential負(fù)荷的選取原則，但不同F(xiàn)PSO的設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)要求、海況特點(diǎn)、設(shè)備和系統(tǒng)配置方案均不同，所服役油田和地區(qū)的條件也多種多樣，實(shí)際工程中Essential負(fù)荷需要結(jié)合所入級船級社標(biāo)準(zhǔn)并做針對性的具體分析，與業(yè)主及相關(guān)專業(yè)進(jìn)行討論并最終確定。

3 ESSENTIAL電源配置方法

根據(jù)各船級社及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并沒有相關(guān)條款規(guī)定必須設(shè)置專用Essential發(fā)電機(jī)，原則上Essential發(fā)電機(jī)可以是主發(fā)電機(jī)的一部分，且可保證在Essential工況下可以正常運(yùn)行，并且可承擔(dān)所有的Essential負(fù)荷；另外，Essential發(fā)電機(jī)也可以是FPSO的應(yīng)急發(fā)電機(jī)，相關(guān)要求同上。

根據(jù)船級社規(guī)定，給Essential負(fù)荷供電的發(fā)電機(jī)應(yīng)進(jìn)行入級檢驗(yàn)，如ABS MODU規(guī)范6.1.719規(guī)定，大于100 kW為Essential services提供電源的發(fā)電機(jī)需要入級認(rèn)證。MODU規(guī)范4.1.17.1，對于浮式設(shè)施，所有用于Essential services的機(jī)械，組件和系統(tǒng)，需滿足靜態(tài)同時發(fā)生橫向15o、縱向5o傾斜，以及動態(tài)同時發(fā)生22.5°旋轉(zhuǎn)、7.5°搖擺情況下正常運(yùn)行的要求[4, 5]。BV和DNV也有類似規(guī)定。

表1 典型FPSO Essential電源配置情況

表1為部分浮式設(shè)施Essential電源配置情況，由此可以看出，不同項(xiàng)目Essential電源配置情況多種多樣，且均通過了船級社的入級審查和檢驗(yàn)。

由以上可以看出，Essential電源可選擇專用發(fā)電機(jī)、與主發(fā)電機(jī)共用、與應(yīng)急發(fā)電機(jī)共用、采用臨時發(fā)電機(jī)等形式，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)所入籍船級社的要求及項(xiàng)目情況，選擇經(jīng)濟(jì)合理的Essential電源配置方案。

4 ESSENTIAL負(fù)荷供配電設(shè)計(jì)

根據(jù)ISCA及各船級社規(guī)范要求，Essential負(fù)荷供配電設(shè)計(jì)相關(guān)要求如下：

1）在正常工況下，主發(fā)電機(jī)應(yīng)能為所有Essential負(fù)荷提供電源，并至少應(yīng)有一臺備用主發(fā)電機(jī)，當(dāng)其中一臺停機(jī)時，剩余發(fā)電機(jī)應(yīng)能為Essential負(fù)荷和應(yīng)急負(fù)荷提供電源。

2）當(dāng)正常工況下由一臺發(fā)電機(jī)供電且主發(fā)電機(jī)停機(jī)時，備用發(fā)電機(jī)應(yīng)自動啟動并投入主配電盤，備用發(fā)電機(jī)容量應(yīng)至少滿足Essential負(fù)荷自動啟動的需求，必要時可順序啟動；備用發(fā)電機(jī)啟動并投入主配電盤的總時間最好在30 s內(nèi)，但在任何情況下都不得超過斷電后45 s。使用起動時間較長的原動機(jī)的，經(jīng)船級社批準(zhǔn)，可以超過以上規(guī)定時間。

3）如果Essential負(fù)荷通過變壓器供電，為Essential負(fù)荷供電的電力變壓器的數(shù)量、容量和布置應(yīng)確保在任何一臺變壓器不運(yùn)行的情況下，剩余變壓器足以確保提供正常條件所需設(shè)備的安全運(yùn)行，并應(yīng)確保安全及最低限度的生活服務(wù)負(fù)荷，其中至少包括足夠的烹飪、供暖、制冷、機(jī)械通風(fēng)、衛(wèi)生和淡水等。

4）主要Essential負(fù)荷不應(yīng)作為EMS優(yōu)先脫扣負(fù)荷，次要Essential負(fù)荷可包含在優(yōu)先脫扣負(fù)荷范圍內(nèi)，但不應(yīng)中斷與安全相關(guān)的系統(tǒng)，如照明系統(tǒng)、導(dǎo)航、助航及信號系統(tǒng)、以及內(nèi)部安全通訊系統(tǒng)等。

5）配電系統(tǒng)應(yīng)確保任何單一電路的故障不會危害或損害主要Essential負(fù)荷，也不會使次要Essential負(fù)荷長時間不能工作。

6）每個Essential負(fù)荷或重要負(fù)荷的用電設(shè)備應(yīng)通過單獨(dú)的回路連接到配電盤或電機(jī)控制中心。

7）雙重配置的Essential設(shè)備和重要設(shè)備的控制裝置應(yīng)相互獨(dú)立，并應(yīng)分為兩個電機(jī)控制中心或配電盤，從主配電盤和/或應(yīng)急配電盤的不同分段分別供電。

8）雙重配置的Essential設(shè)備和重要設(shè)備的控制電路應(yīng)相互隔離，不得位于同一外殼內(nèi)。

9）雙重配置的Essential設(shè)備和重要設(shè)備的控制裝置應(yīng)通過阻燃隔板分開，并與其他載流部件隔開，以在相鄰間隔內(nèi)發(fā)生電弧故障時保護(hù)間隔；當(dāng)母線位于單獨(dú)間隔內(nèi)且通過帶短路保護(hù)的斷路器與控制裝置隔離時，也可采用無阻燃隔板的布置。其布置應(yīng)確保在隔離時，可在各單元內(nèi)進(jìn)行無危險(xiǎn)的維護(hù)工作。

10）Essential負(fù)荷設(shè)備應(yīng)直接由主配電板或應(yīng)急配電板供電，但如果能獲得完全選擇性保護(hù)則可例外。

5 典型項(xiàng)目Essential工況電氣設(shè)計(jì)

英國北海某FPSO為圓筒形FPSO，水深約165 m。其將Essential負(fù)荷定義為維持正常人員居住和最低運(yùn)行服務(wù)要求以及生活區(qū)運(yùn)行（包括延長維護(hù)期）所需的電力，該FPSO Essential負(fù)荷共2800 kW，包括生活樓HVAC、廚房設(shè)施、淡水系統(tǒng)、照明、惰氣系統(tǒng)等。

該FPSO未設(shè)置專用的Essential發(fā)電機(jī)，Essential工況下由一臺額定功率為7.9 MW的雙燃料透平主發(fā)電機(jī)在柴油模式下運(yùn)行為Essential負(fù)荷供電。當(dāng)雙燃料透平主發(fā)電機(jī)不可用時，由臨時發(fā)電機(jī)為Essential負(fù)荷供電，或由消防泵發(fā)電機(jī)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)分別為Essential負(fù)荷的生活負(fù)荷和應(yīng)急負(fù)荷供電，同時另一臺柴油消防泵在海水提升泵模式下運(yùn)行為FPSO提供冷卻水。

該FPSO設(shè)置了單獨(dú)的Essential配電盤，與生產(chǎn)負(fù)荷分開，設(shè)置三個母線段，正常工況下由三臺變壓器供電，Essential工況下也可由應(yīng)急發(fā)電機(jī)或消防泵發(fā)電機(jī)供電，同時預(yù)留了臨時發(fā)電機(jī)接口，如圖2所示。

6 結(jié)論

本文針對FPSO（浮式生產(chǎn)儲油裝置）中Essential負(fù)荷的確定原則、電源配置及供配電設(shè)計(jì)展開討論，從IACS及各大船級社規(guī)定出發(fā)，分析了各類規(guī)范對Essential工況下電氣設(shè)計(jì)的規(guī)定，以及各船級社規(guī)范的差異與聯(lián)系，同時結(jié)合具體工程項(xiàng)目實(shí)施方案，從Essential負(fù)荷選取、Essential電源配置及Essential負(fù)荷供配電設(shè)計(jì)三個方面，對Essential工況電氣設(shè)計(jì)原則和方法給出了指導(dǎo)原則和建議，并應(yīng)從經(jīng)濟(jì)、操作需求兩個方面并結(jié)合船級社規(guī)定綜合考慮Essential工況電氣設(shè)計(jì)。

圖2 北海某FPSO一次系統(tǒng)圖

[1] International Association of Classification Societies (IACS). UI SC134 - 2002 essential services and arrangements of sources of power, supply, control and monitoring to the different Catergories of essential services[S]. London: IACS, 2002.

[2] Bureau Veritas. NR 445-2013 rules for the classification of offshore units, Part C–Facilities[S], Neuilly: Bureau Veritas, 2013.

[3] DNVGL. DNVGL-OS-D201-2017 Electrical installations[S]. Oslo: DNVGL, 2018.

[4] American Bureau of Shipping. MODU-2019 Rules for building and classing mobile offshore drilling units, part 4 machinery and systems[S]. Spring:American Bureau of Shipping, 2019.

[5] American Bureau of Shipping. Rules for building and classing floating production installations[S]. Spring:American Bureau of Shipping, 2020.

[6] 中國船級社. 海上浮式裝置入級規(guī)范[S]. 北京: 中國船級社, 2020.

[7] 中國船舶總公司編, 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(電氣分冊) [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1989.

[8] 周守為, 曾恒一, 范模. 我國浮式生產(chǎn)儲油裝置的研制與開發(fā)[J].中國海上油氣, 2006, 18(2): 73-78.

[9] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會, 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南(第九冊: FPSO與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)) [M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2007.

Discussion on Electrical Design of FPSO Essential Service

Kong Fanxu, Xu Jiandong, Zhang Yongge, Xu Yang

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China)

TE952

A

1003-4862（2021）04-0015-04

2020-10-16

孔凡旭（1984-），男，高級工程師。研究方向：海洋工程中電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究。E-mail: kfanxu@126.com