张力腿平台电力系统应用研究

卢雪松

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

张力腿平台电力系统应用研究

卢雪松

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

张力腿平台(Tension Leg Platform,TLP)是一种通过张力腿系统固定在海底的浮式海洋平台。张力腿能够保证平台在风、浪、流的作用下保持位置并限制平台的运动。电力系统设计是海洋工程众多领域中的一个专业，而电力系统研究对于张力腿平台在位安全作业起着至关重要的作用。该文提出了张力腿平台电力系统设计的基本原则和设计要求，其理论分析对同型平台的设计具有一定指导和借鉴意义。

张力腿平台(TLP)；电力系统；安全作业

0 引言

张力腿平台(Tension Leg Platform,TLP)系指通过张力腿系统固定在海底的浮式海洋平台。张力腿系统能够保证平台在风、浪、流作用下保持位置并限制平台的运动，其结构形式[1]如图1所示。

图1 张力腿平台结构示意图[1]

TLP主体具有多种型式，最常见的有：(1) 传统张力腿平台。遵循四立柱柱稳式平台的设计原则，张力筋腱的上端设在4个立柱内部或者与立柱连为一体形成筋腱接头。(2) 延伸式TLP。立柱更靠近平台中心，但是下壳体径向往外延伸，同时张力筋腱的上端接头设置在延伸下壳体远离平台中心的末端，可以产生更大的力矩并减少甲板跨距。(3) 海星TLP。通常具有1个位于平台中心的立柱和至少3个沿径向往外延伸的下壳体，同时张力筋腱的上端接头设置在延伸下壳体远离平台中心的末端。

1 海上石油平台电力系统

海上石油平台供电系统是一个独立的电力系统，主要有以下特点[2]：

(1) 系统容量小。海上石油平台电力系统通常是几台同类型的发电机并联运行的，由于发电机容量一般较小，而某些负荷，如电动机的容量和发电机的容量相似，当电动机起动时会对海上平台供电系统造成比较大的冲击。

(2) 辐射状的配电网络。海上油田负荷集中在平台上，配电线路较短，呈辐射状，一般采用单侧电单回电源供电，不采用环网。

(3) 电压等级低。海上石油平台电力系统的电源等级比较低，发电机出口母线电源一般为10.5 kV或6.3 kV，海缆的电压等级一般为35 kV。

(4) 发电机不许满载或过载运行。在正常工况下，发电机是海上平台的唯一电源，而海上平台电力系统的负荷变化频繁且幅度很大，因此发电机不允许满载或过载运行，一般当发电机负荷达到85%时，就应报警，当达到90%时，发电机则应卸载相应负荷。

2 TLP电力系统

2.1 主电源

南中国海某TLP上不设主发电机，其主电源由FPSO上的主电站经复合海底动态电缆为TLP供电。TLP上设有2台35/0.4 kV，3 150 kVA降压变压器，为平台上部模块及船体部分低压设备提供电源。另设有2台35/6.3 kV，3150 kVA降压变压器为电潜泵专用变频设备、原油外输泵等中压用电设备提供电源。模块钻机由35kV系统提供电源。

TLP船体部分的正常用电设备均为400 V低压用电设备，由上部组块统一供电。在设计、设备采购、安装阶段由上部组块承包商统一设计、采购和安装。TLP上部组块与船体对接完成后进行电缆连接及调试。

在中低压每段母排分别设置一套集中补偿电容器，以保证TLP负荷较高时各段母排及用电设备的供电电压。电容器投入/切除应自动逐步投/切，直至母线电压满足要求。

为了便于监控和管理，将TLP配电系统主要电气设备(如高压配电盘、主变压器等)的运行参数和状态经复合海底动态电缆传输到FPSO的PMS系统。

2.2 应急电源

在TLP上部组块设1台1 200 kW，400 V的柴油发电机作为应急发电机, 以满足在主电源失电时，平台上部组块及船体应急负荷的用电要求，模块钻机自备应急电源。

TLP船体部分的应急用电设备均为400 V低压用电设备，由上部组块应急配电系统统一供电。在设计、设备采购、安装阶段由上部组块承包商统一设计、采购和安装。TLP上部组块与船体对接完成后进行相应电缆的连接及调试。另外，在TLP上设1台80 kW的台风发电机，以满足台风来临人员撤离后，平台上某些设备的用电需求。

2.3 用电负荷

在负荷高峰年(第4年)，TLP正常生产时的负荷约为8 300 kW，其中：船体部分负荷为392 kW，电潜泵用电负荷为3 323 kW，原油加热器及外输泵为2 300 kW，其他工艺公用负荷为2 285 kW；钻井工况负荷为11 900 kW，其中模块钻机3 600 kW；应急负荷为700 kW，其中含船体应急负荷177 kW。TLP主要电气设备典型配置见表1。

表1 TLP主要电气设备典型配置

3 TLP电力系统设计的特殊要求

3.1 TLP平台的稳态和动态倾斜角度

根据ABS MODU 规范和CCS海上浮式装置入级规范的相关描述，要求所有与浮式装置安全相关的机械设备、元器件和系统应能在规定的静倾和动倾的条件下进行安全操作。表2是CCS海上浮式装置入级规范中提供的倾斜角数据。考虑到浮式装置的尺寸和作业条件等实际情况，可采用较小的倾斜角。

表2 倾斜角数据[1]

3.2 TLP Essential负荷的定义及分类

3.2.1 Essential负荷的定义

参照ABS MODU规范的描述，对于浮式设施，Essential负荷包括[3]：

(1) 保障安全性的必要系统。自推进类型的浮式设施中，为保持推进和转向能力，而必须连续运行的设备和系统(主要Essential负载)，故障或失效，会立刻危害到浮式设施安全性的设备和系统(主要Essential负载)。自推进类型的浮式设施中，为保持推进和转向能力，非连续运行的设备、系统以及维持浮式设施最小限度的安全性所需要的助航系统(次要Essential负载)。

(2) 应急负荷。应急逃生设备和系统包括：应急照明系统，导航/助航灯和信号标识，浮式设施的标识，内部通信系统，火气检测和报警系统，应急信号，防喷器和关井设备，消防泵和灭火系统等(此部分负载划分为主要Essential负载或次要Essential负载，视负载本身特性而定)。

(3) 故障或失效。会对浮式设施的安全性产生潜在危害的其他特殊设备和系统。

3.2.2 典型主要和次要Essential 负荷

对于TLP，Essential负荷还应包括压排载水泵、相关控制系统以及船体监测系统IMMS(由UPS系统提供不间断供电保障)。

根据不同TLP项目的设计参数、设计要求、海况特点、设备和系统配置方案的不同，Essential负荷需要有针对性的具体分析，与相关专业进行讨论并最终确定，电气专业不能够独立完成决策和评判。

3.3 船体电力系统及其供电方案

3.3.1 TLP船体电气设备环境条件和设计要求

常规TLP的下浮体/立柱不设置空调系统，只设置进排风系统，通过风机进行机械通风，其环境条件相对较差，电气设备的选型应根据项目的具体环境参数，与相关专业进行充分讨论，并参考相关规范确定具体要求。

3.3.2 TLP船体配电布置

通常可以在下浮体的立柱内设置配电间，应合理选择配电间的设置数量和位置，用于布置低压系统配电盘、照明和小功率配电盘以及UPS分配电箱/柜等电气设备。在下浮体和立柱的楼梯、走道，泵仓和立柱顶部的公共区域应设置正常照明和应急照明。应急照明应须涵盖安全逃生通道、电气房间、泵仓、楼梯和走道等区域。

3.3.3 TLP船体监测系统

TLP通常设置有集成式船舶监测系统(IMMS)，设置的主要目的是为了对海上TLP的水文气象数据和运动状态等进行实时监测。实时监测数据配备存储单元，可以用来采集TLP全生命周期的完整性数据，便于后续海域海况和TLP状态的分析。

集成船舶监测系统能实时监测船舶的各项参数，如风、浪、流、tendon张力、压载舱液位、TTR张力和冲程等。通过对这些关键参数的收集、整理、分析，对整个TLP的重量、重心进行实时计算，同时给出一些压载控制的建议，为压载操作人员进行相应压载、排载操作提供参考。

3.3.4 IMMS系统供电解决方案

IMMS供电应采用双通道100%容量设计，通过TTMS专用的不间断电源(Uninterruptible Power System,UPS)为系统供电，UPS本身应有至少15 min的供电能力。冗余的单元供电采用各自独立的供电回路。TTMS应配备独立的2个24 V直流电源模块分别为独立的称重传感器和对应信号处理单元供电。按照API-RP-2T规范[2]推荐，为了收集极端气候条件的具体数据，在发生台风，TLP作业人员撤离平台期间，也要保障IMMS系统的连续运行，运行期限应按照5～7天进行设计。考虑到减少电池组和相关系统以节约成本的需求，近期较常使用的设计方案是设置独立的小型发电机组，结合24小时电池系统为IMMS系统供电。船体典型的UPS负荷包括：船体低压盘保护跳闸回路，船体照明小功率配电盘保护跳闸回路，液位遥测系统，阀门遥控系统和压载控制系统[4]。

3.3.5 TLP井口区的电缆设计

对于使用干式采油树设计方案的TLP，由于TLP浮式结构的特点，下浮体或立柱与立管、采油树等设备的运动非耦合，井口区为ESP供电的电缆，生产工艺系统的管线，电仪托架和其他设备存在发生干涉碰撞的风险。为了避免干涉碰撞，建议使用脐带缆，节省井口区空间，并结合干涉分析计算，完成相关设计。

4 结语

阐述了TLP的电力系统组成和典型配置，结合项目实践，总结提出了TLP电力系统设计应用的一些特殊要求。随着中国深海油气资源开发地推进和发展，TLP将得到越来越广泛的应用，并填补国内深海自主开发的空白。张力腿电力系统作为TLP的关键系统之一，应该给予足够的重视。

[1] 中国船级社.海上浮式装置入级规范[S].2014.

[2] American Petroleum Institute.Planning, Designing and Constructing Tension Leg Platforms:API-RP-2T[S]. 3rd ed. 2010.

[3] ZIMMER R. Design and Fabrication of the URSA TLP Deck Modules and TLP Hull Upper Column Frame [C].Offshore Technology Conference，USA，1999.

[4] 中国船级社. 海上移动平台入级规范[S]. 2014.

Research on Power System for Tension Leg Platform

LU Xuesong

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China)

Tension Leg Platform(TLP) can be fastened onto seabed through tension leg, which sustains the position of platform and restrains the motion of platform under various meteorological conditions, such as wind, wave, current. Power system design is a profession in many areas of offshore engineering. The research on power systems is essential for operational safety on a TLP. The design and configuration principles of power system are given. Theoretical analysis of power system in TLP is of certain guidance and reference to the similar offshore platform design.

Tension Leg Platform(TLP); power systems; safe operation

2016-09-08

卢雪松(1982-)，男，工程师

1001-4500(2017)01-0073-05

F416.22

A