TBD620V12 發(fā)動(dòng)機(jī)在模塊鉆機(jī)主發(fā)電站中的應(yīng)用

何玉茍

（中海油田服務(wù)股份有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

隨著模塊鉆機(jī)自動(dòng)化、智能化發(fā)展要求，電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)在海洋模塊鉆機(jī)上得到迅速的發(fā)展和推廣，以船用柴油發(fā)電機(jī)組為動(dòng)力的電站成為模塊鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置。模塊鉆機(jī)的供電一般有兩種供電模式：①模塊鉆機(jī)配備獨(dú)立的主發(fā)電站，由“兩用一備”運(yùn)行模式或“三用一備”運(yùn)行模式的柴油發(fā)電機(jī)組組成；②由油田或平臺(tái)上部組塊提供主用電力并通過變壓器降壓供給鉆機(jī)，鉆機(jī)自帶1 臺(tái)1400 kW 或1600 kW 柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電站以應(yīng)對(duì)平臺(tái)供電中斷時(shí)為模塊鉆機(jī)提供電力以滿足建立泥漿循環(huán)和上提、下放等基本需求。鉆井主發(fā)電站和備用電站在海洋鉆井平臺(tái)和模塊鉆機(jī)屬于鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備，在鉆井作業(yè)過程中發(fā)揮著重要作用。一旦鉆井作業(yè)過程中發(fā)生模塊鉆機(jī)供電故障，將對(duì)鉆井作業(yè)帶來卡鉆、無法建立泥漿循環(huán)等嚴(yán)重影響和難以估量的損失，同時(shí)存在不可預(yù)料的井控高等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

1 海洋模塊鉆機(jī)柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題

1.1 海洋模塊鉆機(jī)柴油發(fā)電機(jī)組的特殊要求及應(yīng)用現(xiàn)狀

近10 年來海洋石油新建模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)中，柴油發(fā)電機(jī)組均選擇船用高速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的1200 kW 和1600 kW 發(fā)電機(jī)組，其中鉆井主發(fā)電站選用3～4 臺(tái)1200 kW 機(jī)組，鉆機(jī)備用發(fā)電機(jī)組選用1 臺(tái)1600 kW 機(jī)組。由于鉆井作業(yè)過程中，鉆機(jī)的功率負(fù)荷波動(dòng)幅度大、波動(dòng)頻繁，海洋石油模塊鉆機(jī)對(duì)主發(fā)電站的發(fā)電機(jī)組在突加突卸性能方面有特殊要求，同時(shí)考慮到井下作業(yè)安全需求，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)鉆機(jī)組可靠性、穩(wěn)定性等方面也要求非常高。

經(jīng)過調(diào)研和了解發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家資料（表1），基于國(guó)產(chǎn)船用高速大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的柴油發(fā)電機(jī)組與國(guó)外某些品牌相同功率段的發(fā)電機(jī)組目前在噴油技術(shù)、突加突卸性能以及穩(wěn)定性、可靠性方面還有些差距，所以以往模塊鉆機(jī)項(xiàng)目中主發(fā)電站幾乎全是以進(jìn)口品牌機(jī)組為主，國(guó)產(chǎn)船用高速大功率柴油發(fā)電機(jī)組在海洋模塊鉆機(jī)主發(fā)電站中目前還沒有應(yīng)用先例。

表1 1200 kW 柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)性能對(duì)比

由于模塊鉆機(jī)備用電站對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組突加突卸、穩(wěn)定性和可靠性方面要求相對(duì)主發(fā)電站要求較低，為了逐步試用和推廣國(guó)產(chǎn)同類型船用機(jī)組，海洋石油南海東部油田某模塊鉆機(jī)項(xiàng)目開始逐步試用并推廣國(guó)產(chǎn)1600 kW 發(fā)電機(jī)組作為模塊鉆機(jī)備用電站。但相關(guān)應(yīng)用實(shí)踐還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，國(guó)產(chǎn)船用高速大功率發(fā)電機(jī)組需要更多應(yīng)用實(shí)踐來進(jìn)一步驗(yàn)證其可靠性和穩(wěn)定性。

1.2 存在的問題

近年來，隨著國(guó)際貿(mào)易形勢(shì)壓力增大，進(jìn)口品牌發(fā)動(dòng)機(jī)交貨期大幅度延長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)很多新建模塊鉆機(jī)項(xiàng)目在選用進(jìn)口品牌柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)交貨期無法滿足項(xiàng)目進(jìn)度需求，同時(shí)還存在不同程度的技術(shù)封鎖。由于鉆井作業(yè)對(duì)主發(fā)電站對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組突加突卸、穩(wěn)定性和可靠性方面要求非常高，選用國(guó)產(chǎn)大功率船用柴油發(fā)電機(jī)組作為模塊鉆機(jī)主發(fā)電站時(shí)，在電站設(shè)計(jì)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)選型、產(chǎn)品制造和檢驗(yàn)、設(shè)備安裝和調(diào)試等方面存在諸多困難和挑戰(zhàn)。

2 基于船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的海洋模塊鉆機(jī)主發(fā)電站設(shè)計(jì)

2.1 TVD620V12 船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)介紹

經(jīng)過調(diào)研與了解，根據(jù)模塊鉆機(jī)主發(fā)電機(jī)組的使用工況、使用環(huán)境和技術(shù)要求等相關(guān)問題與發(fā)動(dòng)機(jī)廠家進(jìn)行計(jì)算、校核和驗(yàn)證，選用TBD620V16 型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為主發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力機(jī)組。TBD620V12 型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是河南某公司推出的船用高速大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，與某模塊鉆機(jī)1600 kW 備用采用發(fā)電機(jī)組所用的V16 型發(fā)動(dòng)機(jī)屬于同一系列。TBD620V12 型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用直列12 缸，缸徑170 mm，沖程195 mm，氣缸總排量53.11 dm3，壓縮比13.5∶1，噴油方式為機(jī)械噴油，轉(zhuǎn)速1500 r/min，功率1320 kW，功率級(jí)別G 級(jí)，持續(xù)工作無時(shí)間限制，超負(fù)荷10%工作限制12 h 內(nèi)1 h，要求工作環(huán)境溫度不高于45 ℃、空氣相對(duì)濕度60%以下。

2.2 主發(fā)電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依托海洋石油南海東部新建模塊鉆機(jī)項(xiàng)目，根據(jù)模塊鉆機(jī)電氣總負(fù)荷要求，電站容量4800 kW，采用4 臺(tái)型號(hào)、規(guī)格完全一致的1200 kW 發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)“三用一備”的運(yùn)行模式為鉆機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)提供690 V/50 Hz 的持續(xù)供電。模塊鉆機(jī)主發(fā)電站設(shè)計(jì)主要包括機(jī)艙和通風(fēng)系統(tǒng)、4 臺(tái)1200 kW 柴油發(fā)電機(jī)組、燃油供給系統(tǒng)、海水冷卻系統(tǒng)、氣啟動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、690 V 開關(guān)電控柜、火災(zāi)報(bào)警及滅火系統(tǒng)、輪機(jī)值班室等。

2.2.1 柴油發(fā)電機(jī)組的成撬

1200 kW 柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組撬[1]主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、聯(lián)軸器、本地控制盤、公共底座、減振器和相關(guān)油、氣、水接口組成。根據(jù)某模塊鉆機(jī)項(xiàng)目備用發(fā)電機(jī)組應(yīng)用實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，選用LSA 52.3 S6/4p 型發(fā)電機(jī)與TBD620V12 發(fā)動(dòng)機(jī)組合成撬作為柴油發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)組額定功率1200 kW，工作轉(zhuǎn)速1500 r/min，電壓690 V，頻率50 Hz。

機(jī)組成撬如圖1 所示，機(jī)組重量9.9 t，長(zhǎng)4.46 m，寬1.9 m。與進(jìn)口3512B 機(jī)組相比，其減振器安裝方式完全不一樣，考慮到安全需求，為每臺(tái)機(jī)組單獨(dú)設(shè)計(jì)了一個(gè)二底座，用于減振器精確安裝，滿足機(jī)組減振效果要求的同時(shí)也有利于建造安裝時(shí)機(jī)組吊裝和精就位工作能夠快速完成。

圖1 發(fā)電機(jī)組

2.2.2 電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

該模塊鉆機(jī)主發(fā)電站機(jī)艙位于鉆機(jī)DSM 模塊下層，機(jī)艙內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)組及大型風(fēng)機(jī)風(fēng)閘的布置如圖2 所示。機(jī)艙正上方的DSM 中層是模塊鉆機(jī)電控房，4 臺(tái)發(fā)電機(jī)組的4 面遠(yuǎn)程控制柜和690 V 開關(guān)柜布置在電控房?jī)?nèi)。在機(jī)艙[2]的南側(cè)布置1 個(gè)8 m3的柴油罐及液位檢測(cè)和報(bào)警裝置、燃油速閉系統(tǒng)、燃油凈化機(jī)等，機(jī)艙的北側(cè)設(shè)計(jì)1 個(gè)輪機(jī)值班房，值班房安裝有4 塊監(jiān)控屏幕分別用于監(jiān)控4 臺(tái)發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)。機(jī)艙內(nèi)布置2 個(gè)火焰探頭和4 個(gè)煙感探頭接入鉆機(jī)火災(zāi)報(bào)警控制盤，通過鉆機(jī)火災(zāi)報(bào)警控制盤自動(dòng)控制機(jī)艙風(fēng)機(jī)風(fēng)閘的關(guān)停及七氟丙烷滅火系統(tǒng)的啟動(dòng)。

圖2 機(jī)艙主要設(shè)備布置

TBD620V12 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組在成撬時(shí)將熱交換器集成到發(fā)動(dòng)機(jī)本體上，大大減少機(jī)艙內(nèi)淡水管線數(shù)量，機(jī)艙整體更簡(jiǎn)潔，為后續(xù)的使用和維護(hù)提供更多的空間。

2.3 重點(diǎn)解決的問題

2.3.1 調(diào)壓器、調(diào)速器選型優(yōu)化

調(diào)壓器控制勵(lì)磁機(jī)，靠輸出勵(lì)磁電流建立發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)改變無功功率，其輸出勵(lì)磁電流越大、反應(yīng)能力越強(qiáng)，機(jī)組應(yīng)對(duì)突變負(fù)荷的能力就越高。調(diào)速器控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門，采用最新的數(shù)字式智能調(diào)速器，能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)對(duì)負(fù)荷突變的能力。在發(fā)電機(jī)組類型和機(jī)組容量確定的基礎(chǔ)上，通過研究發(fā)電機(jī)組的調(diào)速特性曲線，選擇數(shù)字式智能調(diào)速器和BASLER DECS-150 型調(diào)壓器，可以提升發(fā)電機(jī)組應(yīng)對(duì)負(fù)載突變能力。其次，通過計(jì)算機(jī)軟件和程序控制可以合理優(yōu)化多臺(tái)發(fā)電機(jī)組負(fù)載的分配，避免單臺(tái)機(jī)負(fù)載波動(dòng)過大，提升機(jī)組整體應(yīng)對(duì)負(fù)荷突變的能力。

2.3.2 機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算校核和設(shè)備選型優(yōu)化

該主發(fā)電站機(jī)艙為非空調(diào)房，體積640 m3，采用強(qiáng)制通風(fēng)，鉆機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)艙進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)換氣系數(shù)要求為35 次/h。根據(jù)換氣系數(shù)計(jì)算得出機(jī)艙所需空氣流量為22 400 m3/h，根據(jù)非空調(diào)房傳熱計(jì)算得出機(jī)艙所需空氣流量為133 366 m3/h。由于發(fā)電機(jī)組均采用海水冷卻系統(tǒng)，所以發(fā)電機(jī)房的總風(fēng)量計(jì)算只需要計(jì)算燃燒所需空氣流量加上通風(fēng)換氣所需要的風(fēng)量即可。燃燒所需空氣流量V=（其中L 為燃料消耗量，β 為理論燃燒空氣量，α為過量空氣系數(shù)取1.9，ρ 為空氣密度），經(jīng)過計(jì)算燃燒所需空氣流量為28 034 m3/h，通風(fēng)換氣所需風(fēng)量取換氣所需空氣流量與傳熱計(jì)算所需空氣流量的較大值，計(jì)算出機(jī)艙的總風(fēng)量為161 400 m3/h。

根據(jù)機(jī)艙總風(fēng)量需求，選取單臺(tái)風(fēng)量86 000 m3/h、靜壓0.000 56 MPa 的送風(fēng)機(jī)2 臺(tái)，選取單臺(tái)風(fēng)量57 000 m3/h、靜壓0.000 52 MPa 的排風(fēng)機(jī)3 臺(tái)，風(fēng)機(jī)布置如圖2 所示。

2.3.3 提升發(fā)電機(jī)組可靠性的其他方法

考慮到南海季風(fēng)情況，為了減少排煙阻力對(duì)機(jī)組輸出功率的影響及煙氣擴(kuò)散對(duì)鉆機(jī)模塊的影響，在排煙管布局上采用可選擇的雙向排煙。每臺(tái)機(jī)組排煙管分南、北兩個(gè)方向設(shè)計(jì)，通過遠(yuǎn)程手拉閘控制盒控制氣動(dòng)高溫閘閥選擇性控制排煙走向。

TBD620V12 要求運(yùn)行環(huán)境空氣相對(duì)濕度60%以下，但是該油田所在區(qū)域最大空氣相對(duì)濕度為100%。為了滿足機(jī)組運(yùn)行要求，選用適用海洋環(huán)境的專用發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯，為發(fā)電機(jī)和本地控制盤柜分別加裝2 個(gè)0.5 kW 的空間加熱器和柜內(nèi)除濕加熱器，有效提高發(fā)電機(jī)組適應(yīng)海洋高濕度環(huán)境。

3 某模塊鉆機(jī)主發(fā)電站應(yīng)用實(shí)踐

3.1 建造和安裝

發(fā)動(dòng)機(jī)廠家要求控制機(jī)組運(yùn)行的傾斜搖擺必須控制在以下范圍內(nèi)：橫傾15°、縱傾5°、橫搖22.5°、縱搖7.5°。為了滿足傾斜搖擺要求和實(shí)現(xiàn)該模塊鉆機(jī)建造項(xiàng)目發(fā)電機(jī)組的快速精就位和安裝，在機(jī)組制造和成撬時(shí)為每臺(tái)發(fā)電機(jī)組專門設(shè)計(jì)二底座，發(fā)電機(jī)組通過減振器與二底座連接，二底座與機(jī)艙底部甲板結(jié)構(gòu)梁中間采用焊接墊板的連接固定方式，滿足建造現(xiàn)場(chǎng)快速安裝和精就位要求。同時(shí)機(jī)艙底部甲板結(jié)構(gòu)梁的布置也采取了針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生共振。

3.2 柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)試

發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試[3]用的干電阻是通過計(jì)算機(jī)軟件控制的兩套3000 kW 干電阻組合，這套干電阻組合出于專門設(shè)計(jì)[4]，可以通過人機(jī)交互軟件非常方便地快速實(shí)現(xiàn)不同功率負(fù)載的加載和卸載，滿足4 臺(tái)1200 kW 發(fā)電機(jī)組并機(jī)負(fù)載試驗(yàn)。從計(jì)算機(jī)軟件記錄的曲線圖和數(shù)據(jù)中摘錄單機(jī)和并機(jī)負(fù)載突加突卸試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，機(jī)組在單機(jī)0%～50%負(fù)載突加、50%～100%負(fù)載突加、100%～0%負(fù)載突卸的表現(xiàn)和并機(jī)負(fù)載突加突卸的表現(xiàn)都優(yōu)于預(yù)期效果。對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，機(jī)組在并機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)對(duì)負(fù)載突加突卸的表現(xiàn)優(yōu)于單機(jī)運(yùn)行時(shí)的表現(xiàn)，表明采用先進(jìn)的并機(jī)和負(fù)載分配技術(shù)取得較好的成效。

表2 發(fā)電機(jī)組負(fù)載突加突卸實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

4 后續(xù)使用建議及展望

對(duì)機(jī)組后續(xù)使用的重要建議：使用方根據(jù)平臺(tái)模塊鉆機(jī)的鉆井作業(yè)計(jì)劃對(duì)機(jī)組開展預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)并做好維修計(jì)劃，保障發(fā)電機(jī)組在鉆井作業(yè)過程中的穩(wěn)定性和可靠性。3 臺(tái)泥漿泵同時(shí)工作時(shí)功率負(fù)荷占模塊鉆機(jī)的總功率負(fù)荷比例接近一半，司鉆在關(guān)停泥漿泵時(shí)應(yīng)先降低一部分泵速，隔3～5 s 后再關(guān)停，避免從全速直接關(guān)停。

電控噴油技術(shù)[5]目前在1000 kW 以下船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有較多應(yīng)用，但是在國(guó)內(nèi)船用高速大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)方面的應(yīng)用目前剛起步，展望未來，需要國(guó)內(nèi)船用高速大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廠家加快電子噴油技術(shù)的研究[6]和應(yīng)用實(shí)踐，在逐步開始推廣使用后定期到海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)上回訪機(jī)組使用情況，了解和記錄機(jī)組使用過程中出現(xiàn)的問題并加以改進(jìn)和提升，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)船用高速大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和穩(wěn)定性不斷提升，提高產(chǎn)品成熟度。

5 結(jié)束語

依托南海東部某新建模塊鉆機(jī)項(xiàng)目，TBD620V12 船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)首次在海洋石油模塊鉆機(jī)主發(fā)電站中成功實(shí)施應(yīng)用，本次應(yīng)用充分考慮TBD620 同系列其他機(jī)型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在模塊鉆機(jī)備用電站兩次應(yīng)用案例過程中出現(xiàn)的問題及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)模塊鉆機(jī)對(duì)主發(fā)電站的特殊需求，在該主發(fā)電站設(shè)計(jì)和選型、建造、安裝和調(diào)試過程中，重點(diǎn)圍繞提升TBD620V12 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組應(yīng)對(duì)負(fù)荷突加突卸的能力、提高可靠性和穩(wěn)定性等方面充分提升技術(shù)條件和改善工作環(huán)境條件。通過調(diào)試檢驗(yàn)機(jī)組的性能滿足鉆機(jī)設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)模塊鉆機(jī)主發(fā)電站國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用的設(shè)計(jì)和建造提供有利參考。