海洋工程电站集成技术及关键设备发展与研究

唐石青，王 乐

（704研究所，上海 200031）

0 概 述

作为海洋工程配套设备的重要组成部分之一，海洋工程电站为整个海洋石油开发装置提供电能，是海洋工程开发装置正常运转的重要保障。和一般的船舶电站不同的是，海洋工程电站具有中高压化、电网容量庞大、供电网络结构复杂、系统非线性负载比例非常高等显著特点。基于海洋工程电站的集成技术和包括大功率发电机、中压配电板以及能量管理系统在内的关键技术是制约海洋工程电站发展的瓶颈，海洋工程电站的集成技术与关键设备制造技术仍由欧美一些发达国家所掌握，国内所生产的大型海洋工程配套设备均由这些国家供货，并在技术上受到严格的封锁，严重的制约了国产海洋工程配套设备以及国家海洋工程产业的不断发展与壮大。

近年来，随着国家能源战略的调整，以大型海洋移动钻井平台、浮式生产存储系统、海洋工程作业船和辅助船舶为代表的海洋开发装置不断受到国家的重视和市场发展的实际需要。海洋工程电站作为这些海洋开发装置的重要配套设备，其国产化程度将成为海洋工程开发装置的重要一环。

1 国内外发展现状及趋势

1.1 国外发展情况

1970年代以前，欧洲一直是世界造船的重要地区。随着世界造船中心的东移和产业结构的大调整，欧洲逐步放弃了低附加值和劳动密集的造船产业份额，但在高附加值船舶技术领域和船舶配套工业领域，仍保持着领先地位。日本、韩国船舶配套工业自 1970年代以来迅猛崛起，形成了一批可与西方国际知名公司相抗衡的品牌技术和品牌产品。

现代船舶配套技术的快速发展是因为信息技术在机电产品中大量注入，因此，高效率、自动化、集成化、模块化、数字化和智能化、大功率、长寿命、小体积、无污染、安全、可靠的新型船舶配套产品不断问世。海洋工程开发装置配套电站设备的主要发展趋势是：

1)电站容量不断增大，电网电压不断升高。随着世界经济贸易的发展，船舶的平均吨位越来越大，船舶电站的容量也随之不断的增大。同时船舶自动化程度以及对操纵性要求越来越高，对船舶电站的容量及稳定性等方面提出了更高的要求。还有越来越多的采用了电力推进的方式，又使电站的容量大幅增大，电制向中压等级发展，已达10kV等级甚至更高。

2)电站成套设备的集成化、模块化。把电站作为一个成套设备直接提供给船厂是目前大多数国际厂商的标准做法，而且可以进行菜单式的组合。这是基于电站设备都已实现集成化设计、模块化制造，各分级产品都以标准化接口进行组合拼装。在监控软件编制方面，也都以参数设置来进行适应性转化，而不必重新更改软件程序。在维修性方面，集成化、模块化使设备的维修判断简单化，在故障现场只需进行简单的更换模块或组件即可恢复使用，对维修人员要求简单。

3)电站智能化趋向。大部分工业设备已经通过采用工控元件可对其内部工作状态进行监测和报警处理，电站成套整体则从更上层的系统运行角度对各个设备之间进行控制。例如对负载变化作出供电结构调整，在应急状态下采取过冗余策略等等，从而实现无人自动电站。在此基础上，再将电站的智能网络接入整船监控系统，可实现远程控制，如单人船桥。如果再通过整船监控系统连入互联网络，更可以实现陆基的专家诊断系统进行远程诊断、维修，甚至在特殊情况下可实现陆基远程控制。某些高度智能化船舶已实现单人船桥和远程专家诊断。

4)电站设备趋向于小体积、长寿命、无污染。伴随着电气元器件的集成化、原材料性能的提高和机械加工精度的上升，现在的设备都趋向更小的体积和更长的寿命。例如柴油发电机组，原来提供1000kW 的机组尺寸要达到 5160mm×2000mm×2500mm，而现在能提供 3000kW 的机组尺寸也才 8350mm×2800mm×3650mm。功率密度得到了大幅提高。在使用寿命方面，柴油机大修期由原来的3000h ～6000h延长至12000h ～18000h。在无污染方面，对柴油机废气排放例如 NOx都作出了严格的规定。还对邮船的噪音作出了规定。在设备的用料（例如电缆）方面，也强调了无毒无害等指标。

1.2 国内发展情况

国内船舶配套工业由于缺少长期持续的技术投入，自主研发能力较弱，国产化船舶电站设备装船率在较短的时间内由 70%左右急剧下降到当前的不足 40%。国内开展集成技术研究的设备生产企业很少，生产企业只能各自提供柴油机组、配电板、监控系统等单一产品，无法提供完整的电站成套系统设备，使国产电站设备的成套化装船率为零。

综上所述，与国外相比，国内在大型平台电站集成及关键设备研制上，主要差距有以下几点：

1)整体技术水平与国外先进水平差距明显，本土化配套率低；

2)原创性成果不多，优势产品生产能力严重不足，电站配套设备长期依赖进口；

3)科研条件落后，基础研究薄弱，电站配套核心技术没有话语权；

4)经验、物力、人力等方面储备不足。

2 海洋工程电站技术特征

随着海洋工程大型化、深水化以及功能多样化趋势的发展，作为配套的海洋工程电站呈现出其独特的技术特征，这些技术特征在某种程度上决定了海洋工程电站集成设计与关键设备研制的要求和思路。图1为典型的第6代深水海洋平台电站供电网络结构，其复杂程度远远超过了一般的船舶电站。总体而言，海洋工程电站的主要技术特征如下：

1)负载的大型化、非线性化。海洋工程电站采用电力推进技术是必然的发展趋势，因此，其负载将会是大量的大容量工程电机，电力电子器件和这些工程电机的协调应用一方面使得电机具备优越的使用性能，但另一方面却由于电力电子器件的非线性特征给供电系统带来了严重的电能质量问题。

以某型第6代深水海洋平台电站为例，平台动力定位系统为最高级的 DP3动力定位，当平台在3000m水深作业时，采用方位推进器进行动力定位。在发生一个主要事故时，仅有2台方位推进器失效，其他方位推进器仍能够保持平台的位置固定。平台共配备8台方位推进器，2个为1组，分别安装在平台浮体的4个角，功率近37MW。为了提高海上钻井作业的效率，平台采用双井口作业方式，井架、绞车、顶驱等由原来的1套变成了双套，通过主、辅井口钻井设备的协调分工从而提高钻井时效。钻井设备的电功率非常高，每台电机的功率都高达1000kW。

2)供电容量大、电压等级高。第6代的深水海洋平台供电系统容量达到了 30MW ～40MW 的级别，应对大容量的供电要求，海洋工程电站的设计配置向以下3方面发展：

(1)发电单元高功率密度化，应用单机 5MW的发电容量将是一个主流；

(2)电压等级的中高压化，现有的开关无法满足短路分断能力的需要，提高供电电压是唯一的解决办法；

(3)配电单元的多样化，由于发电电压与负载的用电电压的不一致性，采用变压器的低压配电和采用整流器的直流配电为特征的配电网络。

3)供配电网络结构复杂、系统运行工况多样。海洋工程电站供电系统容量大、负载非线性化及多样化的特点决定了供配电网络的结构比常规的船舶电站复杂和系统运行工况多样的特征。就供电网络结构而言，常规的干馈式供电网络结构已无法满足系统的需要，环形供电网络结构已成为一种新的供电网络结构形式，如应用在采用DP3（动力定位3）的深水海洋平台电站。就配电网络而言，除了常规的低压交流配电以外，直流区域配电因为其独特的技术优势不断得到国际上的认同和采用。因此，直流区域配电技术以及交直流混合配电技术将在将来的一段时间内成为国内外研究的热点。系统的运行工况受到负载运行特性和实际作业工况需要限制，多样化的运行工况给电站系统的综合管理平台带来了变革和挑战。

3 海洋工程电站关键技术发展

国内在海洋工程电站技术领域与国外的差距主要体现在系统的集成技术以及关键设备的研制。国内要实现海洋工程电站的国产化，首先，在系统的集成方面，需要解决针对负载的功能特性进行详尽的供电系统网络规划与功能设计，大型中高压供电系统的稳定性、电网在不同运行工况下的谐波分析与抑制、系统的综合保护策略的制定与实现以及直流区域配电分析等一系列关键技术，其次，包括大功率中压发电机、中压配电板、以及能量管理系统等海洋工程电站关键设备的研制要摆脱对国外主流厂商的倚赖，力求突破传统技术与工艺的限制，以当前国际上在该领域内模块化、高功率密度化、智能化的发展趋势为依据，实现关键设备的国产化研制。海洋工程电站关键技术发展趋势如下：

1)系统集成方面

(1)供电系统网络结构分析与设计技术；

(2)供电系统保护技术；

(3)供电系统谐波分析及抑制技术；

(4)供电系统稳定性分析与设计技术；

(5)供电系统仿真试验及验证技术；

(6)中压大功率发电机组成套技术。

2)关键设备研制方面

(1)大功率中压发电机及其控制系统研制；

(2)中压配电板研制；

(3)能量管理系统（PMS）研制。

4 建 议

1)加强国际交流，及时掌握国际在该领域的发展动态，通过引进、消化、吸收的方式解决重大瓶颈技术；

2)加强各研究机构、高校以及设备生产厂商之间的协作，明确分工，以系统集成为指导，重点突破关键设备；

3)确定海洋工程电站设备的产业地位，加大财政金融支持力度；

4)建立健全的技术、管理和人才支撑体系。