海上自升式钻井平台应急配电系统的设计

冯 超，潘家松，董秀伦

0 引言

海上自升式钻井平台的电气系统是一个独立的系统，一般是由五台主柴油发电机组提供主电源的来源，一台应急柴油发电机组和应急配电盘相连，在应急工况下给应急负荷供电，整个钻井平台的配电系统是由690 V、480 V和230 V电压等级组成的。在正常运行工况下主发电机组给690 V主配电盘、电动式电机构成的钻井设备以及应急负荷供电。其典型的电气系统总单线图如图1所示。

如果690 V主配电盘失电，且所有的主发电组都处于非工作状态，电气系统就进入黑启动模式，应急发电机将被自动启动，进入到运行状态，ABS船级社规定应急配电盘在黑启动的过程中需要在45 s内通电并带载运行，基于此要求，应急发电机需选用柴油内燃式的主机系统，其启动速度快，效率高。当黑启动完成，主配电系统有电时，应急发电机将自动退出运行，应急配电盘由主配电系统供电，在电气系统恢复供电过程中，应急配电盘可以被设计成不间断供电的工作状态。因此，在正常操作时，主发电机组给整个电气系统供电，应急柴油机组随时待命去自动完成黑启动。为保证应急柴油机组能在黑启动时被顺利投入运行，平时的日常测试应成为应急柴油机组的常规工作。当钻井平台在非钻井工况运行时，电气系统中的少量重要负荷需要运行，这时可以利用应急发电机的反送电功能，通过应急发电机给整个平台所需的少量负荷供电。

1 应急发电机黑启动恢复功能

图1 典型的电气系统总单线图

应急发电机、应急配电盘以及应急变压器等设备都被安装在应急配电间内，应急发电机和应急配电盘通过发电机进线开关电气连接在一起，在正常钻井工况下，应急发电机是不会被自动启动投入运行的，所有的电气负荷是由主柴油发电机组供电的，但当主发电机无法运行时，系统中所有盘柜都失电时，系统将进入黑启动的状态，应急发电机控制系统在检测到应急配电盘失电一段时间后自行发出启动命令，将应急发电机启动，如果主发电机已经给480 V主配电盘供上了电，且此时整个系统失电未超过45 s，那么应急发电机的进线开关将不会自动合闸，而480 V主配电盘和480 V应急配电盘之间的母联开关将自动合闸，应急配电盘将由主配电系统供电，应急发电机将怠速运行一段时间后直接停机[1]。这个过程是电气系统黑启动的一种运行方式。

若在45 s后应急配电盘控制系统检测到主配电系统480 V主配电盘还是处于失电状态，应急发电机的进线开关将自动合闸，给应急配电盘供电，等到480 V主配电盘有电之后，480 V应急配电盘上的母联开关在自动同步之后自动合闸，应急发电机上的电气负荷将卸载转移到主发电机上，等到应急发电机完全卸载负荷完毕后，应急发电机的进线开关将自动分闸，应急发电机怠速运行一段时间后，将接收到停机命令后自动停止运行。这也是黑启动恢复系统供电的另外一种运行方式[3-4]。图2和图3的程序流程图描述了整个电气系统黑启动恢复供电的两种运行方式。图2给出了应急配电盘在黑启动的过程中是如何恢复供电的，图3则展示了主配电系统是如何恢复整个电气系统供电的。

图2 应急配电盘黑启恢复供电流程图

图3 应急盘恢复从主盘供电的流程图

2 应急发电机日常测试维护

在正常操作的钻井运行工况中，主柴油机发电机组提供整个平台的电力供应，应急发电机组是不在电气系统中运行的。为了保证应急柴油发电机组随时可以投入到黑启动的工况中，随时准备好到能启动的状态，必须在一定的时间间隔内，主动地去手动启动应急发电机组，并将应急发电机带入到电气系统中运行一段时间，检验一下应急发电机的运行状况，这是定期维护应急发电机的过程，应急发电机的定期维护可以保证应急发电机能随时地投入运行，能卸载电气负荷，这样的定期测试称作日常测试[2]。日常测试必须在系统中的主发电机能正常运行且供电给整个电气系统的情况下进行，所以在应急配电盘上必须选择手动运行模式，手动启动应急发电机，等到电压达到95%的额定电压，按下同步按钮，应急发电机的调速设备自动启动调速装置以使应急发电机和应急配电盘电压、频率同步，应急发电机的进线开关自动合闸，运行5 s后，应急发电机进入到卸载的状态，自动卸载完毕后，应急发电机的进线开关将自动分闸，这时应急发电机又会怠速运行一段时间，当接收到停机命令后将发电机停机运行。图4是整个应急发电机日常测试维护的流程图。

图4 应急发电机日常测试维护的流程图

3 应急发电机反送电运行

当钻井平台在非钻井工况，或是在平台初期调试阶段时，应急柴油发电机组能作为一个反送电的功能被加以应用到电气系统中，反送电运行模式的定义是整个电气系统的电源是来自于应急配电盘，即是由应急配电盘给主配电盘供电。

在反送电运行模式下所有的主发电机处于关闭不运行状态，并且不能被启动运行，应急配电盘上的运行模式也应该处在手动运行的模式选择中，应急发电机组被手动启动起来，反送电选择按钮必须旋到on的激活位置，一旦激活，显示反送电功能状态的指示灯会被点亮，并会持续亮下去，反送电的状态信号需要送到480 V主配电盘进线开关的欠压分闸回路中，锁住其进线开关的合闸操作一直到反送电选择按钮旋到off位置，当应急发电机组在反送电模式下运行时，等到应急发电机的转速、电压稳定到额定状态后，再手动合上应急发电机的进线开关，480 V应急盘就由应急发电机供电，480 V主配电盘上面也有一部分负荷需要从480 V应急盘供电，因此，480 V主配电盘和应急盘之间的母联开关应该手动合闸。至此，整个反送电的操作过程完成了，当反送电模式被解除时，母联开关应被自动分闸掉，应急发电机的进线开关也被自动分闸，但此时发电机不会接收到停机命令，它还会一直运行下去，直到另一种模式和运行状态的到来，特别需要注意的是：在操作人员去切换模式的时候，需要正确地去判断目前电气系统所处的状态以及需要即将运行的状态，否则可能会使应急发电机组运行在一个无法监控到或者无法控制的状态[5]。图5描述了应急发电机反送电的流程图。

图5 应急发电机反送电的流程图

4 应急发电机的调速模式

应急柴油发电机在黑启恢复和日常测试维护运行模式下需要进入到电气系统中运行，势必要带上一定的负载，这样就需要对应急发电机的转速、功率进行控制、平衡或转移，应急发电机装备的控制单元能提供下垂和固定频率的两种频率调节模式，应急发电机在和主发电机并网运行过程中有同步和负载卸载的操作，在卸载的过程中，应急发电机是在下垂的速度调节模式下运行的，卸载完成后，应急发电机进线开关被自动断开，发电机怠速运行一段时间直至停机命令发出，发电机最终停机。

5 应急配电负荷的回路设计要求

应急配电负荷中有一些对钻井平台来说属于第一重要性的必需负荷，例如：消防系统、应急照明系统、通讯系统单元等，这些负荷在任何工况下都是要求保证一直处于运行状态的，若整个电气系统处于失电黑启的过程，它们必须被设计成和应急配电盘同步得电即投入运行的状态。

有一些非必需负荷也被安排由应急配电盘供电，当应急发电机被投入运行时，若其带载的负荷过大，将导致发电机过载断电，这时可以启动应急配电盘的优先脱扣功能，将这些非必需负荷回路切断，以保证应急发电机的可靠运行。

6 结论

本文分析了海上自升式钻井平台上应急柴油发电机的各种运行工况和状态，给出了如何去控制应急发电机和应急盘电盘运行的控制逻辑关系，为海上自升式钻井平台应急配电系统的设计提供了借鉴参考价值和意义。

参考文献：

［1］刘冬冬，李汪洋.海洋石油平台应急发电机组控制系统优化设计 ［J］.石化技术，2016（1）：21-24.

［2］范江涛，雷聚涛.海上石油平台发电机组的应急卸荷控制系统 ［J］.自动化仪表，2009，30（12）：52-54.

［3］董伟.PLC在海上钻井平台应急发电机组中的应用［J］.中国石油大学胜利学院学报，2004，18（4）：90-92.

［4］刘冬冬，陈翠和，陈斌，等.基于PLC的海洋石油平台应急发电机组控制系统［J］.中国造船，2012（s2）：475-482.

［5］刘菊娥，周凯，韩笑.海上平台应急柴油机发电机组成橇设计浅析 ［J］.中国造船，2010（S02）：358-364.