C海洋石油基地加水岸電工控系統設計要素與應用效果分析

田振江 TIAN Zhen-jiang；溫曉樺 WEN Xiao-hua；王穎 WANG Ying；伍永暢 WU Yong-chang

（中海油能源物流有限公司物流研究所，天津 300452）

0 引言

C海洋石油基地碼頭，是專門為石油探勘開發提供后勤服務的綜合性碼頭。基于石油勘探開發特點，后勤物資具備形態多種、類型多樣、規格尺寸多，難以統一的特點。從海上生產作業需求出發，碼頭服務需要提供裝卸船、船舶補水、船舶輸灰、船舶補油、船舶岸電、船舶帶纜等服務。近40年的后勤發展歷史和經驗積累，形成目前的作業方式，概述為人機配合、現場操控、綜合協調三個特征屬性。

1 海洋石油基地碼頭特點

C海洋石油基地碼頭，專門為石油探勘開發提供后勤支持綜合服務，因此其設備設施數量和種類較多，用電需求較大。尤其是近些年，伴隨著海洋石油工業發展，石油基地碼頭不斷成長，以服務上游勘探開發為主業，借鑒國內外先進港口發展經驗和技術，通過自我革新、場景化提升改造，來提升自身服務效能，為海上生產提高基礎保障。

C海洋石油基地碼頭天氣特點是，平均氣溫28攝氏度，平均潮差8米，每年臺風2次，最大風力12級。最高氣溫45攝氏度，相對濕度90%以下。現場環境具備高溫、高濕、高腐蝕的特點。

1.1 作業性質

①雜貨物資。基于石油勘探開發工業需要，后勤物資主要包括鉆完井工具、油田化學材料、固井材料、測井設備、管材等物資，這些物資具備形態多種、類型多樣、規格尺寸繁雜的特點。另外由于其特點決定了承載器具及裝卸工屬具多類型匹配，碼頭吊機采用門座式起重機，物資裝卸高度依賴人工操作，對協調性要求高。

②交叉作業。從海上生產作業作業需求出發，碼頭服務需要滿足裝卸船、船舶補水、船舶輸灰、船舶補油、船舶岸電、船舶帶纜等需求。近40年的后勤發展歷史和服務經驗，形成了以交叉作業為主的作業形式。當前的作業以人工為輔，自動化為主的方式展開，采用了人機配合、現場指揮、綜合協調來完成各項服務。

1.2 作業環境

①天氣環境。海洋石油基地碼頭地處南海區域，屬亞熱帶海洋性季風氣候，年均氣溫28攝氏度，氣候溫和，對碼頭設備運維以及人工作業的影響較小。

②水文環境。海洋石油基地碼頭潮差-8米。本地區相對濕度比較大，多年平均相對濕度為78%，一般每年10～2月份，相對濕度在65%～77%，3～9月份相對濕度在80%～86%。

2 設計考慮因素

碼頭岸電工控系統設計，在考慮岸電服務高效運行的同時，兼顧整個碼頭的系統運行效果。對于存在交叉作業的石油基地碼頭，需要考慮作業協調、作業安全、作業效率三方面因素，同時，還要兼顧設備的耐腐蝕性和耐久性。

2.1 作業協調 工控系統設備布置在碼頭前沿，通過安全因素分析，設備可能存在對吊機旋轉、船舶解系纜產生不利影響。設備如果過高，如超過70厘米，則不利于吊機旋轉將被吊貨物裝船或卸船。另外，對于船舶纜繩套住系纜樁也會產生格擋。不利于岸上與船舶甲板工人溝通交流，進而影響裝卸安全和效率。從與裝卸作業協調一致性考慮，前沿設備越低越好，越小越好。設計時充分考慮尺寸設計。

2.2 使用安全 工控系統設備充分考慮現場操作模式和業務流程，從用電安全性角度出發，需配備急停處置功能，即在緊急情況下，實現對設備瞬間斷電，將風險及損失降到最低。操作者須與帶電體實現完全隔離，即電氣設備封閉于箱體內，操作盒在箱體外即可實現對電氣設備的啟動、關閉和運行狀態、計量數據的掌控。此外要對設備進行定期檢查的工作周期一般為一個月以上，即利用專業的檢測工具去檢查機械設備的劣化程度和精度，并將整個檢測的過程一一記錄下來，再根據記錄的結果來分析機械設備運行存在的問題。

2.3 設備耐久 工控系統前沿設備充分考慮海洋高溫、高濕、海腐的現狀，當前碼頭引入了更多大型和智能化的設備，逐步代替了以往人工所能夠完成的工作和人工不能夠完成的工作。但是，工程項目建設中所使用的設備也并沒有完全實現智能化，還需要由人工進行操作和管理，所以便需要認真做好管理與維護保養工作，以此保證設備能夠正常運行，從而有效提升設備的安全實用水平。在材質選擇方面，要考慮密封標準，達到行標要求，保證設備在長期使用中適用于海洋環境。防控級別不低于ip55，充分考慮潛在侵蝕對箱體內電氣備件、信息傳輸模塊的影響。由于設備保養工作涉及的程序較多，且每一個程序都非常復雜，對保養工作的要求較高。為了保證設備的使用性能能夠充分發揮出來，便需要做好設備的日常保養工作。其中，在設備保養中具體涉及潤滑油的加注和設備清理，所以需要合理把控每一個環節，以此保證設備保養的質量。

2.4 使用效率 工控系統前沿設備設計充分考慮操作習慣、對周邊設施和其他服務的影響，在操作方式上、方位上、作業者舒適度上給予優化設計。達到設備使用高效率的目標。

3 技術方案

基于岸電工控系統設計考慮因素，技術方案制定，從前沿設備尺寸及功能設計、操作模式設計、工控室控制機柜和管理系統設計四方面入手。通過優化前沿設備尺寸和功能，做到操作實用、簡單、快捷、安全。優化設計工控機柜和管理系統，做到集中管控、智能分析精準、高效。

技術方案包括工控室設備和碼頭前沿設備兩部分。碼頭前沿設備包括：岸電控制箱、岸電轉接箱、加水控制箱；工控室設備包括：工控機柜、隔離變壓器、工作站服務器。具體內容如下：

3.1 碼頭前沿設備

①岸電控制箱。功能設計，船岸連接方式，做到快捷插拔。取電用電方式擬選取刷卡控制方式。刷卡屏具備顯示計量數據和重要信息提示功能。為做到安全控制，岸電箱加設急停按鈕和報警燈裝置。基地碼頭前沿尺寸設計，考慮前沿尺寸寬度和護輪坎高度，裝卸船作業吊裝物距離地面距離，綜合設計箱體高度580mm，箱體寬度為600mm，箱體長度為900mm。岸電連接插座位于箱體左側位置。急停按鈕設置在箱體正前方位置。

設計后箱體外形如圖1所示。

圖1 后箱體外形三視圖

②岸電轉接箱。功能設計，設計轉接頭滿足接線端子船舶電纜在新設計岸電箱上取電需求。

③加水控制箱。功能設計，實現刷卡方式取水用水，數據能夠在加水控制箱上顯示。基地碼頭前沿尺寸設計，控制箱以方便刷卡操作，以不妨礙船舶系纜、物資裝卸為原則，設計尺寸為：長度800mm，寬度600mm，高度430mm。

控制箱外形如圖2所示。

圖2 控制箱外形三視圖

3.2 工控室設備

工控室設備是岸電工控系統的核心，包含控制系統和管理分析系統，控制系統集成在一套工控機柜中，包括plc控制系統，加水計量系統，岸電計量系統。管理分析系統包括工作站兩臺，工業分析組態軟件1套，用于監督控制加水和岸電的工作狀態、作業數據，用于遠程控制前沿設備的起停、關閉和緊急處置。工控室設備主要包括：工控機柜、隔離變壓器、管理分析系統軟硬件。

①工控機柜。集成岸電電氣系統、岸電計量系統、plc控制系統、信息傳輸模塊。功能：實現對前沿岸電服務、加水服務的數據采集和輸出。采集前沿作業狀態數據并傳輸到上一層管理分析系統。基于應急處置需要，工控機柜配備急停按鈕和聲光報警燈。

②隔離變壓器。基于船舶用電中性點不接地的現狀，為保護用電期間對岸上電源系統的安全，選取隔離變壓器。隔離變壓器的選取，基于供電電壓、頻率、功率進行選取。主要參數為：相數：三相；容量：250kVA；輸入電壓電流：3φ400V 360.8A；輸出電壓電流：3φ400V 360.8A；適用頻率：50Hz。

③管理分析系統。管理分析系統通過開發供電供水監控系統軟件，實現對加水和岸電作業啟動、關閉控制，實現作業狀態監控，實現對數據統計分析，實現對前沿緊急情況的急停處置。通過開發出供電供水遠程操作畫面，實現工控控制。通過開發出供電供水運行畫面、計量畫面、故障報警畫面、報表畫面實現對作業細節的管理、分析。

管理分析系統配備計算機工作站2臺，包含opc服務器1臺。

管理分析系統模塊組成如圖3所示。

圖3 管理分析系統模塊組成

4 使用效果

4.1 測試效果（技術指標）碼頭加水接電工控系統岸電聯船測試，設備工作狀態正常、船方用電正常且能滿足靠岸用電需求。前沿刷卡操作5秒內完成，數據實時傳輸至工控系統，達到工控模式監督和管控。聯船測試持續48小時，碼頭供電正常、船方用電正常。岸電供應過程電壓穩定、電流正常，滿足船方用電要求。刷卡取電、斷電操作及大電流插頭插座連接方式方便、快捷、安全，工控系統實現對岸電過程的數據采集、遠程操作控制和實時監控。

4.2 操作便利性 經實操驗證，碼頭加水接電工控系統操作高度在0.5米以內，不影響人員舒適度。設備高度不超過0.6米，與吊機物資裝卸距地面距離1米要求不沖突，碼頭與船舶甲板溝通及視線暢通無阻。因設備尺寸較小，船舶帶纜纜繩不受約束。整體操作服務與碼頭其他業務相融合。操作時長較原有模式縮短100%。

4.3 系統持久性驗證 該系統自2021年12月初投入測試，至2022年4月份，累計提供岸電12船次，加水100船次，用電時長377小時，用電量30000千瓦時。用水時長500小時，用水量50000方。系統持續穩定運行。前沿設備未發生異常狀況。

4.4 安全評價 在岸電使用上，操作者在前沿只需連接快接插頭，刷卡啟動即完成接電工作。斷電時，只需刷卡斷電，拔掉插頭即完成斷電工作。期間的作業狀態、數據實時采集傳輸到工控系統，由工控系統完成狀態監控和數據分析，可根據管理者需要上傳至上層管理系統，打印出報表。岸電操控模式將帶電體和操作者實現有效隔離，安全隱患基本全部消除。

5 結語

本論文基于海洋石油基地碼頭作業場景、自動化智能化需求，提出工控系統設計方案，提升加水和岸電服務質量，設計時充分考慮制約碼頭服務效率的關鍵因素，制定針對性方案，保證方案與基層場景相符相容，讓操作者用得舒適、高效、安全，讓管理者管得系統、全面、智慧。通過持續6個月的測試使用，驗證了系統的穩定性、安全性，為本系統全面推廣提供參考借鑒。

本系統由設計到實施到應用，將場景需求和技術要素結合到一起，達到解決實際問題的目標。