海洋石油固定平臺應急電源設計

張瑞寬

（中國石油天然氣股份有限公司大港油田分公司，天津 300280）

0 引 言

海洋石油固定平臺作為海上石油鉆探與采集的核心設施，其安全運行具有重要意義。應急電源作為固定平臺的重要組成部分，其可靠性和穩定性是確保平臺正常工作的關鍵。石油平臺長期處于復雜的海洋環境，面臨海洋氣候變化、海浪等因素的影響，平臺設備的性能要求非?？量?，因此應急電源的設計必須具備高度的可靠性和適應性[1]。

通過對一些典型海洋石油固定平臺的案例研究，總結常見的應急電源設計方案及其優缺點。根據實際需求，提出一種基于柴油發電機組與儲能系統相結合的應急電源設計方案。該方案通過柴油發電機組提供長時間穩定的電力供應，在突發故障或主電網中斷時通過儲能系統實現短時間的電力支持，確保平臺關鍵設備的正常工作。為了實現這一目標，從柴油發電機組的選型、設置和運行維護等方面提出具體的技術要求。同時，研究儲能系統的設計與配置，及其與柴油發電機組之間的協調控制問題，提出一套完整的設計方案[2]。

1 海洋石油固定平臺

海洋石油固定平臺長期處于海上環境（見圖1），面臨著海洋氣候變化、海浪等因素的影響。這些因素對平臺設備的性能提出了嚴格的要求，因此應急電源的設計必須具備高度的可靠性和適應性。在應對各種突發狀況和故障時，如臺風、波浪等自然災害或自發電電力系統供應中斷等，應急電源需要提供穩定的電力支持，確保平臺關鍵設備的正常運行[3-4]。

圖1 海洋石油固定平臺

第二次工業革命后，石油成為人類社會中重要的能源之一。海洋平臺受到海流、海浪、風荷載、工作荷載等因素的共同影響，容易發生較大的變形，甚至發生事故沉沒。根據統計，全世界因事故沉沒的鉆井平臺已達60 余座。為減少海洋資源勘探開發中事故的發生，保障平臺安全生產和運營，保護海上生產作業人員的生命安全，應結合傳感器技術、數據采集和處理技術、數值模擬技術、機器學習以及人工智能技術等，構建海洋石油平臺的實時健康監測和變形預測體系[5]。

在海洋環境下，多路徑效應的影響比陸地更強，導致多路徑誤差更嚴重。其他多種因素的共同作用也使得噪聲種類多且復雜，從而對平臺的真實動態位移造成一定程度的污染。海洋平臺的除砂系統與工作環境、工作條件以及生產要求密切相關。當油井含砂濃度較高時，關鍵設備的合理選擇對整個除砂系統至關重要。不合理的設備選擇可能導致閥體、高速旋轉機械以及后續的管道產生磨損和磨蝕等問題[6]。

2 基于柴油發電機組和儲能系統的應急電源設計

2.1 柴油發電機組選型和設置

柴油發電機是一種小型、分布式且可控的發電機單元，盡管發電效率相對較低，且柴油燃燒會產生大量污染性物質（如碳化物、氮化物、硫化物等），但是其啟動快、運行維護方便，所以在石油平臺的微電網系統中，應急柴油發電機（Emergency Diesel Generator，EDG）經常作為海上石油平臺的補充備用電源。

柴油發電機的工作原理是通過內燃機作為動力源，驅動同步交流發電機旋轉，將熱能轉化為機械能。通過磁場感應原理，發電機產生感應電動勢，從而持續產生電能。柴油發電機系統主要由柴油機、同步發電機、控制箱、啟動和控制裝置以及保護裝置等組成[7]。

2.2 儲能系統設計與配置

風力發電和太陽能發電不同于傳統的化石能源發電，容易受到自然環境因素的影響，具有隨機性與波動性的特點，可能會導致電網質量不佳，影響用戶的正常使用。利用蓄電池對功率進行補償，實現多余電量的存儲和電量不足時的釋放，在一定程度上起到削峰填谷和提高能源有效利用率的作用。儲能裝置可以快速準確地協調分布式電源和負荷需求之間的關系。當用戶需求電量低于各分布式電源產生的電量時，儲能系統儲存多余的能量；當負荷需求電量高于分布式電源產生電量時，儲能系統則釋放儲存的電量，確保電網的供需平衡和電壓穩定[8]。

常見儲能裝置的儲能方式有4 種，即物理儲能、電磁儲能、電化學儲能以及相變儲能。物理儲能方式具有經濟效益高、安全性高的特點，但其中的抽水蓄能技術容易受到地理環境的限制，選址比較困難。電磁儲能技術具有功率密度高、響應速度快的優點，但超導儲能技術用到的材料成本較高，且能量密度較低。電化學儲能應用廣泛，技術成熟，能量密度高，充放電效率高，但耐過充放性能差。相變儲能的主要優勢在于能量密度高，能量的儲存和釋放是可逆的過程，但其單位體積下存儲的能量較少，為了存儲更多能量會導致裝置體積過大。經過綜合考慮，文章選取應用范圍廣、性能及經濟性較好的蓄電池儲能。蓄電池儲能技術通過電化學反應將化學能轉化成電能，這種反應原理是可逆的。放電時將化學能轉化成電能進行釋放，充電時則將電能轉化成化學能進行存儲。

2.3 柴油發電機組和儲能系統的協調控制

協調控制的實質是求解典型的多約束、非線性、多目標優化問題。通常情況下，建立的2 個目標函數之間存在相互制約、相互影響的關系，即當其中一個目標函數達到最優時，可能會導致另一個目標函數的最優值無法實現。因此，需要尋找一種合適的求解算法，使2 個目標函數能夠相互促進，達到總體最優。為了解決這個問題，引入Pareto 最優解集的思想。通過采用多目標優化算法，可以求出Pareto 最優解的前沿面，決策者可以根據不同角度從多個備選解中篩選出最符合要求的解。

多目標白鯊優化算法（Multi-Objective White Shark Optimizer，MOWSO）是由Braik 等人提出的一種新型群體優化算法，通過模擬大白鯊捕食時的群體行為而建立。白鯊在狩獵和追蹤獵物時，幾乎利用了所有的感官系統來確定方向和速度。這種行為如圖2所示。

圖2 白鯊追蹤行為示意

與傳統的仿生智能算法相比，白鯊算法操作簡單、優化能力強，具有良好的勘探和開發能力，能夠保持局部優化和全局優化的多樣性平衡。此外，反向學習策略、柯西變異、萊維飛行策略以及高斯變異等常見的變異算子常用于啟發式算法，有助于提高傳統智能算法的全局搜索能力，加快算法的收斂速度。

3 設計方案驗證和評估

3.1 實驗模擬

為了更準確地比較和分析用白鯊優化算法求解出來的一組有效最優非支配解與真實解集之間的差距，可以從收斂性、廣泛性以及均勻性方面引入評價性指標，包括世代距離（Generational Distance，GD）和反向世代距離（Inverted Generational Distance，IGD）。實驗使用目標Benchmark 測試函數集1 ～4 來進行評估。

3.2 數據分析

將MOWSO 算法與多目標遺傳算法（Multi-Objective Genetic Algorithm，MOGA）、經典多目標粒子群算法（Multi-Objective Particle Swarm Optimization，MOPSO）進行對比，計算3 種算法在測試函數上各評價性指標的均值和方差，結果如表1 所示。其中，各測試函數的最優值加粗表示說明。

表1 3 種算法的多樣性指標對比

從表1 中的數據可以直觀看出，在測試函數中，MOPSO 算法的收斂程度優于MOWSO 算法，MOIWSO算法的收斂性測試指標值在測試函數中均取得最佳的結果，這說明了相較于其他2 種算法改進后的算法更接近真實Pareto 前沿解，而且其收斂程度是3 個算法中最好的。改進后的MOIWSO 算法在測試函數中關于多樣性指標數據上相較于其他2 種算法是最小的，也就是最優值。該值越小說明求得的解分布越均勻。此外，未進行改進的多目標白鯊優化算法仍然比普遍采用的算法種群的多樣性要好，分布要均勻。

4 結 論

文章針對海洋石油固定平臺應急電源的設計進行了全面的研究和探討，通過分析現有的設計方案，結合實際需求，提出一種基于柴油發電機組和儲能系統相結合的設計方案，并對其進行了實驗驗證。該設計方案在提高海洋石油固定平臺應急電源可靠性和穩定性方面具有重要意義，并為未來相關工程提供了參考依據。