某半潜式钻井平台动力系统瘫船恢复方案分析

陈奎英 刘凌顺 徐刚

(1. 海军航空工程学院， 烟台 264001；2. 烟台中集莱佛士船业有限公司， 山东 264000)

随着人类对油气资源开发利用的深化，海洋资源的勘探和开发成为各国经济发展的重点[1]。由于大量的油气资源在更深水域中发现，国际上海洋油气资源的开发已从近海向深海发展。半潜式海洋钻井平台主要工作于深海区（500~1500 m为深水）[2]。

由于半潜式海洋钻井平台的工作条件更加恶劣，海上潮湿空气、油雾盐雾等影响，易滋生霉菌；波浪、风速影响易使海洋平台发生倾斜、摇摆、震动等[3]；这些会影响机械和电气设备并发生故障或导致火灾；由于意外的事件可能会导致船舶电力系统崩溃，从而造成全船失电，这对于电力推进的船舶来说是极其危险的。如何保证海洋平台的电网故障后快速恢复尤其重要，从而能保障人员和设备安全，避免事故发生，减少财产损失。瘫船恢复是根据船级社以及相关规范要求，在规定时间（30 min）内恢复电力供应，保证钻井平台的正常工作和安全保障。瘫船状态系指由于缺少动力，致使主推进装置、锅炉和辅机不能运转的状态[4，5]。

1 某半潜式钻井平台瘫船起动分析

某半潜式钻井平台拥有 DP2 三冗余动力定位系统，是为某建造的两座深水半潜式钻井平台，船籍国为巴拿马，按照船舶规范，海洋工程规范和美国船级社规范等来设计和建造的半潜式钻井平台，主要的作业海域在某海域和墨西哥湾，平台入级美国船级社。

1.1 电力系统配置

某半潜式钻井平台的电力系统组成主要为7台主机（输出功率为 4400 kW，输出电压 11 kV，3相交流，60 Hz），1台应急发电机（输出功率为1070 kW，输出电压460 V，3相交流，60赫兹）；主要用电负载为8台推进器、钻井设备等；配电系统为2套11 kV高压配电盘，2套460 V低压配电盘以及 2套 220 V配电盘系统等。动力系统单线图如图1所示：

图1 动力系统单线图

该半潜式钻井平台的最大工作水深为 2400 m，最大垂直钻井深度 7500 m，因其深海作业的工作环境，采用了动力定位技术，此钻井平台拥有 DP2 三冗余动力定位系统，自动化程度比较高。在动力定位能力分析报告，平台选用了 8台全回转推进器，功率为2425 kW。在深海，潮流、风力和浪涌等变化无常，一旦推进器失去动力无法工作，平台的定位以及安全是一个非常大的问题。因此当电力系统发生故障，如何在规定的时间内恢复推进器动力系统供电非常重要。

对于动力系统的控制管理，采用了Kongsberg的 PMS（电源管理系统），它是全船自动化的一部分，集控制、监测、保护和管理于一体的综合性系统，主要包含能量的优化分配和管理、发电分系统的自动化、系统的监测报警、输配电分系统的监控保护和主要用电设备的监控管理。PMS系统对于电网运行的稳定安全性是其首要任务，当电网发生失电、故障（严重、一般），发电分系统的自动化主要功能是对于主机和主机控制屏（包括主开关）等自动控制，包括主机起动控制的设定、分析、自动起动/停机等程序的编制，输配电系统的监控保护，配电开关的集中控制，和主要用电设备的监控管理[6]。

1.2 瘫船起动分析

根据瘫船的定义，说明船舶应设有措置，保证在没有外来帮助的情况下能使机器从瘫船状态运转起来。船舶机械设备的布置，应能在没有外来帮助的情况下，只通过船上可用的设备使其从瘫船状态达到运转的目的。瘫船状态恰恰是已没有储存能源，用于起动和运行主推进装置、主发电机和其他重要辅助设备的储存能源已丧失，船舶完全失去动力，在没有外来帮助下，利用船上可用的设备来完成。如果要起动主机，首先要有起动主机的能源，目前大型船舶的主机基本上采用配置两套压缩空气机（一用一备的冗余设计原则）起动，因而恢复压缩空气后才能起动主机，压缩空气机通常是电源供应，要想恢复压缩空气机，则需恢复电源。因此如何恢复起动主机的压缩空气，则需要额外的辅助配置，先恢复平台电源，此额外的辅助配置为原始动力源。

原始动力源，在现在船舶的动力装置中，一般为应急电源/或应急空气压缩机。船舶应急电源又分为应急发电机和应急蓄电池组[7]。恢复平台电源的原始动力源，一般为应急发电机，

1.3 瘫船起动应急电源要求及配置分析

根据规范等要求，能够自动起动的应急发电机组，应设有起动装置，并配备至少能供3次连续起动的能源，储存的能源应受到保护，以免被自动起动系统耗尽，除非设有第2套独立的起动装置。此外，还应配备能在 30 min内起动 3次的第 2能源，但被证明有效的人工起动除外[7]。某半潜式钻井平台的应急电源为应急发电机，应急发电机组的起动装置有两种方式，一种为电起动，配置两套独立的蓄电池组；一种为自带泵压缩空气起动装置，这两套起动装置各有优劣，互相补充，见表 1。电起动的要求则满足至少能够供3次连续起动的能源，压缩空气起动还应配置能在30 min内起动3次的第2能源。从成本和可靠性等方面考虑，应急发电机起动配置一般为一套电起动和一套压缩空气起动。应急发电机的起动原理如图2所示。鉴于系统运行的连续性与可靠性，在此优选压缩空气起动应急发电机。

1.4 瘫船起动主机起动要求及配置分析

对于主机的起动要求，和应急发电机的起动要求又不一样。用压缩空气起动的主柴油机，应设有2台或2台以上空气压缩机，至少其中1台由主柴油机以外的动力驱动，且该台压缩机的排量应不小于所要求总排量的 50%。这些空气压缩机的总排量，应在1 h内由大气压力升至规定的连续起动所需的压力。除应急压缩机之外，总排量一般应平均分配给每一台压缩机。供主机起动用的空气瓶至少应有2个，其总容量应在不补充供气的情况下，对每台可换向的主机能从冷机连续起动不少于 12次，试验时应正倒车交替进行；对每台不能换向的主机能从冷机连续起动不少于6次。如主机多于2台，空气瓶的总容量应足够每台主机起动 3次，总起动次数应不小于12次，但不必超过 18次[5,7]。对于电驱动推进器，起动空气储存的空气连续起动的最小次数应根据下列方程[5]计算：

表1 应急发电机起动配置比较

图2 应急发电机起动原理图

式中：S=连续起动的总次数；G=能维持足够电气负载的主机数量，允许船舶从全速航行动力状态过渡到机动状态，G的值不能超过3。

某半潜式钻井平台主机起动的数量为 1，因此起动次数S=6。

某半潜式钻井平台的主机配置为输出功率4400 kW，输出电压11 kV，3相交流，60 Hz。属于大型主机，蓄电池起动只适合于小型机，因此主机起动配置为2套起动空气压缩机（一用一备的冗余设计），两台起动空气压缩机由一台由460 V应急配电盘供电，一台由460 V主配电盘供电，保证了空压机电源的可靠性。此外，配置两个空气罐，两台空压机都可以提供压缩空气到空气罐，参考图3主机压缩空气起动原理图。主机起动空压机运行时间T3的计算如下:

空压机容量（V1）为66 m3/h

起动主机的总空气容量为Q =18.89 m3

主机起动时的空压机运行时间为：

当空气瓶压力达到上述值，开始起动主机，主机每次平均起动时间为T4=7 s。

图3 主机压缩空气起动原理图

起动#7主机前还要做一些准备工作，确保主机具备起动条件，如手动起动主机预滑油泵、发电机轴承预滑油泵和主机预热和与循环系统，确保主机的预热和预滑油系统运行正常；检查燃油柜里有足够的燃油用于主机使用；检查所有主机控制系统处于供电状态，且处于“本地”控制模式；清除所有报警点报警等。

2 瘫船起动恢复方案分析

2.1 瘫船起动方案分析

起动主机的方案主要有五种，优选方案为起动#7号主机可用，其次为起动#3号或#4号主机，以及#5号或 6号主机。在后四种方案中，起动#3号或#4号主机（460 V艏部主配电盘），以及#5号或6号主机（460 V艉部主配电盘）的起动方式与过程类似。

某半潜式钻井平台的瘫船起动方案优选#7主机，#7号主机的辅助机电设备的供电直接来自460 V应急配电盘，所需时间短、快速、简单。优选#7号主机与其他起动方案的比较如表2所示：#7号为备用主机，无故障问题，而且辅助机电设备供电直接来自460 V应急配电盘，起动前无需判断并操作与460 V主配电盘的互锁，在起动过程中，操作更简单易行。

表2 #7号主机起动方案与#3/#4、#5/#6主机方案比较

2.2 瘫船起动恢复方案分析

手动起动应急配电系统：起动应急发电机和应急配电盘发电机断路器合闸时间为T1=45 s。

恢复460 V应急配电盘以及应急负载供电：手动闭合460 V应急配电盘下的相应460 V应急负载断路器，如：用于主机起动系统的空气起动压缩机的断路器；#7号主机的马达控制中心的断路器；220 V应急配电盘的断路器；220 V UPS的断路器。

保证以下UPS蓄电池的断路器是闭合状态，并且从应急配电盘充电并可用；如用于IAS（全船控制系统）的UPS系统；推进器UPS系统；主配电盘UPS系统；通讯和导航系统的UPS系统；24 VDC蓄电池充电器。用于应急负载合闸和提供负载供电的时间约为T2=180 s。

起动主机起动空压机时间：T3= 1030.47 s

（1）#7主机可用的方案

起动#7主机：

从MIMIC控制台手动起动#7主机，主机怠速状态运行5分钟，然后转到额定转速。

主机每次平均起动时间为T4=7 s，如果连续起动6次，时间为T40=6×7=42 s。

手动合闸#7发电机断路器：

从MIMIC控制台上手动关闭11 kV高压配电盘上发电机断路器，以及460 V主配电板上的460 V负载，如海水冷却泵、右舷/艉部风机马达控制中心，以及连接马达控制中心#1主机室和#2主机室的风机、其他主机起动的预滑油泵、主发电机轴承滑油泵和主机预热和与循环系统。按照PMS设置，起动其他主机。

用于起动辅助设备的时间约为T5=180 s。

应急发电机停止，恢复主动力：

短时同步应急配电盘到主460 V配电盘，460 V应急负载转换到主配电系统。

应急发电机停止，推进器系统和其他辅助系统可以重新起动，平台恢复到正常操作状态。

用于起动推进器系统以及相关辅助设备的时间约为T6＝180 s。

（2）#7主机不可用的方案

当#7号主机不可用时，需考虑起动#3、#4主机、#5或#6主机，分别为起动#3或#4，或者起动#5或#6。这四种起动方案，#3号和#4号主机起动方案相同，#5号和#6号主机起动方案相同。在操作时，要注意区分它们的不同之处，并操作正确，在此以#3号主机的起动顺序与流程为例进行详细阐述，其他的以此类推。

如果决定起动#3或#4主机，使用安全键关闭到460 V艉部主配电盘的断路器；

如果决定起动#5或#6主机，使用安全键关闭到460 V艏部主配电盘的断路器。

起动#3主机：

从MIMIC控制台起动#3主机，主机怠速状态运行5分钟，然后转到额定转速。

主机每次平均起动时间为T4=7 s，如果连续起动6次，时间为T40=6×7=42 s。

手动合闸#3主机断路器：

从MIMIC控制台上手动关闭11 kV高压配电盘上发电机断路器，以及460 V主配电板上的460 V负载，如海水冷却泵、右舷/艉部风机马达控制中心，以及连接马达控制中心#1主机室和#2主机室的风机、其他主机起动的预滑油泵、主发电机轴承滑油泵和主机预热和与循环系统。按照PMS设置，起动其他主机。

用于起动辅助设备的时间约为T5=180 s。

后面的操作与上节起动#7号主机的顺序与操作相同，参考上节。

根据以上方案的起动顺序与时间，汇总瘫船恢复起动的总时间为：

此瘫船恢复起动的总时间为 27.04 min，满足30 min起动的规范相关要求。

3 结束语

瘫船状态的恢复是确保海洋平台安全的一项重要措施，本文分析了某半潜式钻井平台的电力系统瘫船恢复起动流程与方案，分析了起动恢复时应急发电机的起动以及主机起动的设计及配置的优越性。此项目瘫船起动恢复方案共有5种方案，充分了考虑可行性，对于某半潜式钻井平台瘫船恢复，起到了举足轻重的作用，对于某半潜式钻井平台电力故障后恢复电力系统非常重要。

[1]窦培林, 袁洪涛, 宋金杨, 孔维文. 深水半潜式钻井平台 DP3动力定位系统设计和应用[J]. 海洋工程,28(4):2010：117-121.

[2]刘海霞. 深水半潜式钻井平台的发展[J]. 船舶,18(3):2007：6-10.

[3]中国船舶工业总公司. 船舶设计使用手册[M]. 船舶.北京：国防工业出版社,1997.

[4]国际海事组织. 国际海上人命安全公约（2004综合文本）[M]. 北京：人民交通出版社,2005.

[5]American Bureau of shipping. MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS 2006[M].ABS船级社：2006

[6]徐永发, 韩旗, 杜军, 晏顺兆. 船舶能量管理系统[J].中国航海,64(3):2005：78-80.

[7]陈宝忠, 张善杰, 曾向明. 船舶瘫船状态与原始动力源[J]. 上海海事大学学报,27(4):2006：32-35.