半潜式钻井平台主机用作应急发电机解析

徐刚 陈奎英

（1. 烟台中集来福士海洋工程有限公司；2. 烟台中集莱佛士船业有限公司，山东烟台 264000）

0 引言

随着人类对油气资源开发利用的深化，油气勘探开发从陆地转入海洋，国际上海洋油气资源的开发已从近海向深海发展[1]。而半潜式海洋钻井平台是用来从事海上石油和天然气的勘探和生产的海上结构物，主要工作于深海区域(500~1500 m为深水，超过1500 m为超深水)[2]。电力系统设计是总体设计的最重要内容之一，电力系统的设计优劣直接关系到电站供电的连续性、可靠性、经济性、电能质量，保证船舶电气设备的安全可靠地工作，进而确保船舶和人员安全。

1 应用

1.1 半潜式钻井平台动力系统分析

常规的钻井平台电力系统是由主电力系统和应急电力系统组成，包括柴油发电机组、高压配电板、变压器、低压配电板及大型电力负载。主电力系统承担正常工况下所有同时运行的负载的供电，大型电力负载主要是推进器、甲板机械、钻井设备等。常规的电力系统如图1所示。

为了提高定位精度和电力系统可靠性，目前建造的半潜式钻井平台都配备了DP系统，主要以DP2和DP3为主。DP2附加标志要求有设计上的冗余，在单个设备或非活动零部件故障的情况下钻井平台要有能力保持位置和首向；DP3附加标志要求除了设计冗余之外，还要求有A60物理分割，即要考虑单个舱室失效，这就要求不同DP分组的设备要放置在不同的舱室，并且舱室之间有A60防火防水舱壁分开[3]。

虽然每个系统或设备有冗余设计，全船电网失电或部分电网失电的可能性大大减少，但电力系统失电对钻井平台及人身安全非常危险。因此，作为主电网失电恢复的应急电力系统具有非常重要的意义。应急电力系统也是主电力系统彻底失效后等待救援或逃生的唯一动力源。常规应急电力系统的设计是独立于主电力系统，和主电力并行存在且相互关联的一套电力系统。应急电力系统是由一套独立应急发电机组及其辅助系统和配电设备构成，包括所在的舱室、启动能源、燃油、电气系统等等都是独立于主电力设备。应急电力系统作为死船恢复的初始动力来源，任何主电力系统设备或零部件的失效都不会影响应急电力系统的运行。

图1 电气系统方框图

1.2 规范对应急电源要求及布置要求分析

船级社对应急电源的可靠性要求比较高，对于应急电源的设计要求，相关规范定义主要有三种，分别如下[4~6]：

独立的应急发电机及配套配电设备；

（2）蓄电池组作为应急电源；

（3）主机组中的两台主机作为应急发电机，但这两台主机要位于A60舱壁分隔的独立舱室。

目前大多数船舶和海洋工程项目主要采用独立的应急发电机作为应急电源这种设计。独立的应急发电机作为应急电源的电力系统组成有专用油柜、应急发电机、应急配电板、应急变压器等，容量相对于主电力系统比较小，仅供应急负载和主电力系统失电后恢复重新启动所需的必要辅助系统使用。常规的应急电力系统虽然可靠，从设备布置方面，要配备单独的舱室、单独的柴油发电机组、单独的启动能源、单独的油舱、辅助系统；从应急电力系统方面，需要单独的应急变压器、应急配电盘等。

对于蓄电池组作为应急电源，从技术角度看，由于目前技术水平所制造出来的蓄电池不适宜对功率较大的动力设备进行连续驱动，凡需要应急电源满足动力源要求时它就要装设发电机，不需要其满足动力源要求时仅设蓄电池组即可[7]。因此，蓄电池组用作应急电源主要适用于小型小功率的船舶，如小型渔船、拖轮等。否则因其应急负载的功率太大，而使应急电源的容量太大，配置设计施工等比较繁杂，不经济适用。

对于主机用作应急发电机，此种设计方案采用的比较少，某些DP3设计要求的半潜式钻井平台采用此种设计方案。对于此设计方案，在本文第二部分详作分析。

对于独立的应急发电机和主机用作应急发电机的系统设计，都要满足下面的要求。

应急发电机等设备要求[4~6]：

（1）应急发电机组要能在规范要求的 22.5度倾斜角度下连续运行。

（2）应急发电机组要有独特的安全系统，如只允许超速停车，其他非正常状态如滑油压力低，冷却水温度高不允许停车。

（3）应急发电机组的容量应能满足规范要求的应急负载需求。

（4）要有两组独立的启动能源，并且要够应急发电机连续启动6次。

应急系统设计要求[4~6]：

（1）如主电源失效时，应急发电机应在 45秒内自动起动并承接应急负载；

（2）应急发电机及其启动能源如启动电池或冷启动空压机，应急配电板和燃油柜要放置在同一个空间内，启动能源不能用作其他用途。

（3）应急蓄电池组及其充放电板、应急发电机等安装在最高一层连续甲板以上易于从露天甲板到达之处，不应置于防撞舱壁的前方。

（4）应急发电机室要与主电力系统有 A60防火舱壁分割。

（5）应急发电机的燃油柜容量要够应急发电机运行18小时，且要有液位低报警。

2 主机用作应急电源的设计分析

半潜式钻井工作于深海区域，只能在设定的某一区域内移动，都配置 DP2或 DP3系统，以保证钻井工作。DP3明确要求主机舱A60物理分隔，设计成独立的三个机舱或者四个机舱，而DP2则无A60物理分离，有时候主机会设计成位于同一机舱。根据主机用作应急发电机的要求，主机布置设计最低要求是两个独立的 A60分隔的机舱，因此此种方案只适用于DP2（A60分隔成两个机舱）和 DP3的半潜式钻井平台、DP2（A60分隔成两个机舱）和DP3的船舶或其他DP2（A60分隔成两个机舱）和DP3的海工项目。

目前，采用主机兼做应急发电机的设计方案应用越来越多，其电力系统设计方案较优越。某半潜式钻井平台是半潜式钻井平台中的第六代，入 DNV船级社，电力系统设计也采用了这种方案。此半潜式钻井平台的电气系统设计方面，动力装置采用8台大容量中压发电机组，配电板分为11 000 V屏、690 V屏、440 V屏、230 V屏和钻井设备专用屏。本平台配备了最先进的DP3动力定位系统，它由三冗余计算机控制，可以使钻井平台在特定海况下始终保持位置和航向[8-9]。

图2为 DP3设计类型的电力系统典型方框图，主电力系统由8台柴油发电机组和4套中压配电板组成，每两台发电机组位于一个机舱内，每个中压配电板位于一个配电板室中间有防火舱壁物理分割，配电板间有母联开关连接，每个中压配电板下供给两个全回转推进器。低压配电板也有多个分组。这样就构成了典型的DP3系统配置，在DP工作模式下，配电板的母联开关断开，从发电机、配电板、到推进器及辅助系统组成了4组相互独立的纵向的供电系统，如任何单点故障甚至单个舱室失火都不会影响其他供电回路。

图2中间虚线部分为应急发电及分配电部分，4号和5号主柴油机组兼作应急发电机使用，此发电机所对应的中压配电板和低压配电板也作为应急配电的一部分。柴油发电机组启动所必需的辅助系统有预滑油系统、启动空气系统、冷却水预热器，下面就这几个方面来分析柴油机冷启动是如何实现的。

空压机和空气瓶，冷启动空压机是柴油机驱动的，不需要外部电源。启动冷启动空压机来给应急空气瓶充气并达到额定压力，应急空气瓶压缩空气来驱动气动预滑油泵使滑油压力正常，并驱动启动燃油泵是燃油系统工作。通过手动操作柴油机上的主气动阀瞬间释放压缩空气驱动柴油机上的气启动马达从而使各缸曲轴运转，气动燃油泵工作主机逐渐加速几秒钟后主机启动完成。以下图3是启动空气系统的方框图：右半部分是主压缩空气系统用于正常情况下的主机启动，位于同一机舱的两台主机连接到两个并联的空气瓶，形成4组独立的启动空气回路，这4组启动空气瓶由两台并联的空压机充气，根据空气瓶的压力空压机自动启停，始终保持空气瓶的压力在规定范围内。正常启动的预滑油及燃油供给分别由电马达驱动泵完成，这里不多介绍。

图2 某海洋钻井平台项目电力系统典型的方框图

左边虚线部分为冷启动空压机回路，冷启动空压机同时给两个专用空气瓶充气，并连接到 4号和5号柴油机，在主启动空气系统失效后通过冷启动空气系统来启动柴油机，从而恢复主电力系统供电。

图3 启动空气系统的方框图

表1 主机用作应急电源与应急发电机用作应急电源的设计对比

3 总结

应急电力系统能在应急情况下保证对船舶的重要用电设备供电，对保证船舶的安全有着重要意义[10]。根据上面的系统设计分析，主机兼做应急发电机使用作为一种应急配电方式，经济适用，满足电力系统的设计要求，且不需要额外配置应急发电机以及配套起动配电等设备，减少成本费用。同时，由于减少应急发电机的配置，而使半潜式钻井平台的设备布置更加紧凑合理又节省了空间。但由于两台主机必须安装于A60分隔的舱室的局限，只适合于某些大型船舶和海洋工程项目，不适用小型船舶。

[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]毕宇佳, 吴斐文.DP2/DP-3船舶电力系统设计要点[J].上海造船,34(4):2009: 59-63.

[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]Det Norske Veritas. Rules Fof Classification Ofships[S]. Norway. 2010.7.

[7]于正亮. 浅析船舶应设有何种应急电源才能满足要求 [J]. 航海技术, 2003(6).

[8]代丽华, 韩明良, 周金山, 邵斌豪. 钻井平台最高级定位设计和应用-DPS3. 造船技术. 2010(1). 40-42.

[9]韩明良, 尹仕傲, 李敬高, 王媛媛. 新型半潜钻井平台D90[J]. 船舶工程, 31(3), 2009(3). 59-61.

[10]叶伟平. 浅谈船舶的应急电力系统[J]. 科技创新导报, 2010(16).