钻井功率限制系统设计方案

(1.中核海洋核动力发展有限公司， 上海 200233； 2.上海旦蓝海洋工程有限公司， 上海 200120)

0 引 言

在带有动力定位系统的钻井平台/船处于钻井工作模式时，在不同海况(风、浪条件)、不同钻井条件下，常常会遇到全船电力在维持定位的推进器与进行钻井作业的各个钻井大功率设备(钻井绞车、顶驱、高压泥浆泵)之间的分配问题。在以往设计中，每种工况下的每个单独大负载的功率分配均由全船功率管理系统(Power Management System， PMS)主导。随着钻井控制系统功能的逐步完善，以钻井控制系统逐步取代PMS部分功能、独立承担几个钻井大功率设备的电力分配成为可能，钻井功率限制系统(Drilling Power Limiting System， DPLS)控制方案应运而生。

1 PMS 主导的钻井大功率设备电力分配方案

由中控系统的子系统PMS主导全船的电力分配，是将推进器及钻井大功率设备(单独设备的独立电机，如钻井绞车的5个独立大功率电机)的请求(如启动、停止、加速、减速)信号全部发送至PMS，PMS根据海况、钻井需求，依据在设计阶段已经编制好的程序，按照优先分配原则，调节全船电力在各个独立负载的分配。PMS主导的钻井大功率设备电力分配基本框图如图1所示(图中省略推进器部分)。

图1 PMS主导的钻井大功率设备电力分配

根据钻井过程的实际情况，当钻井系统的某个或某些大功率设备(顶驱、钻井绞车、高压泥浆泵)需要启动、停止、加速、减速时，每个设备相关的单独命令请求信号通过钻井控制系统的网络，由钻井控制系统接口模块向中控系统发出。中控系统的子系统PMS接收到命令请求信号后，通过检测发电机实际输出功率和推进器及其他负载使用功率，经计算判断是否能够按照钻井设备需求进行功率调整。

当功率分配无法满足所有钻井设备的需求时，PMS将根据事先设计好的程序，优先满足与船体及钻井安全相关的推进器(保证定位需求)及钻井绞车的电力分配(保证对井底维持压力)，再对顶驱电机与高压泥浆泵电机进行电力分配，当所有在线的电力负荷超过电站总功率设定值时(一般设为80%)，则会启动备用发电机。在此过程中，PMS不断检测钻井设备需求和实时电功率使用状况，按照程序要求，限制钻井大功率电机的使用功率，防止由于电机不断加速或加载引起电网过载[1]。

钻井变频驱动(Variable Frequency Drive， VFD)的配电板接收PMS的电机启动、停止、加速、减速命令，调节相应的电机，再将电机运行状态信号反馈至钻井控制系统和PMS系统，完成闭环控制的整个流程。

在这种控制方式下，由PMS进行功率分配，保证各重要设备不产生“抢资源”现象。

PMS按照事先编写好的程序进行功率分配，对于钻井大功率负载的功率调节是将每个负载作为独立负载，在分配中处于不同优先级别考虑的。但是，由于钻井工况复杂，需要考虑的因素很多，如设备的功耗、总线连接配置、发电机排列、大设备的加速、加速度、井下压力维持、主动升压补偿要求等，事先编写的程序无法对现场实际情况进行完全预判，因此无法真正按照实际情况对钻井大功率设备的功率进行合理分配。

2 DPLS主导的钻井大功率设备电力分配方案

2.1 DPLS控制系统方案

随着钻井控制系统的不断完善，由钻井控制系统主导钻井大功率设备的电力分配逐步成为更合理的设想。如何在最大程度保证船舶安全(即保证推进器的正常工作)的情况下，合理分配钻井大功率设备的电力供应，成为新设计方案的思路，由此引入了DPLS[2]方案。DPLS作为钻井控制系统的一个子系统，其功能是在电力系统提供的可用功率范围内，由DPLS在大功率设备间进行功率分配[3]。基本框图如图2所示(图中省略推进器部分)。

图2 DPLS主导的钻井大功率设备电力分配

由PMS检测在线发电机、推进器和其他负载运行情况后，计算整个电力系统可以供给钻井系统使用的功率，将此功率数值转化为模拟量信号，发送给DPLS。

DPLS与钻井设备控制系统通过冗余网络连接，组成完整的钻井控制系统。为了保证钻井系统正常工作，防止过大的电流对整个电网造成冲击，根据实际工况，PMS提供功率实时情况，电站可以提供给钻井系统的功率范围即钻井系统可用功率，当DPLS接收到这个信号后，将钻井系统可用功率在高压泥浆泵、顶驱和钻井绞车的大功率电机之间，进行电力分配和限制，避免直接对其中的任何一个设备单独考量。

在这种情况下，由钻井控制系统直接向钻井VFD配电板发出电机的启动、停止、加速、减速命令，电机的运行情况也直接反馈到钻井控制系统。同时，PMS通过测量钻井变压器的输入电流并经过计算，获得钻井系统的电力使用情况，再传输给DPLS，供钻井控制系统计算及控制使用，形成闭环控制。

首先，通过DPLS，保证了用于定位的推进器满足符合当时海况下定位的最低功率要求；其次，钻井系统在总功率范围内，根据实际钻井情况，综合平衡钻井绞车、顶驱、高压泥浆泵的负载，最大程度保证钻井过程安全高效。DPLS的引入，保证了全船功率分配安全合理，达到设备安全、作业安全、船舶安全的目的，也更有利于钻井控制系统根据钻井的实际工况，实现对于钻井设备的完全控制。

2.2 DPLS控制系统参数获取

针对每一台钻井变压器的实时运行状态，PMS 将钻井变压器可使用功率及钻井变压器已消耗功率转化为两个模拟信号，并将这两个信号传输到DPLS。这两个信号通过以下方式获得(见图3)。

图3 DPLS控制信号参数获取示例

以3组共6台发电机为例，G1～G6表示6台发电机(G1和G2一组、G3和G4一组、G5和G6一组)；MV1～MV3表示3组中压配电板，与3组发电机相对应；DT1A ～ DT2B表示钻井变压器；DVFD1 ～ DVFD2 表示钻井VFD配电板；CB表示开关。

钻井变压器可用功率用Pf表示。该数值需通过以下计算得到：

(1) 通过PMS系统监控中压电力系统的实施工作状态，判断每台发电机是否处于在线运行状态，根据整个中压系统开关断开或闭合的状态，确定整个中压系统运行状态(环形运行、解列为3组运行，等等)。根据上述条件，通过PMS标准软件，计算出连接每一组发电机的热备用功率Pf，即每组发电机输出功率P1(在3组中压配电板解列运行情况下，以发电机G1和G2为例)减去连接到该组发电机的中压系统的消耗功率P2(如相应的MV1消耗的功率，此消耗功率包含了推进器及其他消耗功率)，即Pf=P1-P2。

(2) PMS通过中压配电板与钻井变压器之间开关(图3的CB1～CB4)的断开或闭合状态，监控钻井VFD配电板(图3的DVFD1～DVFD2)是否处于在线状态，一旦开关闭合，PMS系统即认为该钻井VFD配电板已在线。

(3) 如果钻井VFD配电板已经在线，PMS将每一组发电机的热备用功率Pf设定10%的安全裕量，计算出钻井变压器可用功率Pb，即Pb=Pf× 90%。

(4) 钻井变压器可用功率包含钻井变压器自身损耗的功率Ps和钻井系统可使用的功率Pd，即Pb=Pd+Ps。由于钻井变压器在实际运行过程中的损耗功率不便测量和计算，故通常把钻井变压器可用功率Pb作为计算参考依据。

(5) 用以上方法计算出3组发电机热备用功率的总和(包含中压系统按照环形和解列方式运行)以及每一组钻井变压器可用功率，在线工作的所有钻井变压器可用功率之和限制在总电力系统可提供给钻井变压器可用功率的90%。

通过上述描述可知：

钻井变压器已消耗功率用Px表示，该数值通过实时测量中压配电板连接至钻井变压器的开关(图3的CB1～CB4)的电压和电流计算获得。该数值包含了钻井变压器自身损耗的功率及实际钻井VFD配电板所消耗的功率。当Px>Pb时，也就是Px>90%Pf，钻井控制系统即会进行功率分配的调整，以相应减小钻井设备的功率。

需特别关注的是：如果一个独立的中压配电板(如图3的MV2在解列情况下)给不止1台钻井变压器(如图3的DT1B和DT2A)供电，需要通过接入该组中压配电板的变压器数量进行平均，得到该组钻井变压器可用功率。例如DT1B的可用功率(在解列情况下)等于G3和G4的热备用功率除去10%的安全裕量后，再平均分配到DT1B和DT2A上得到的功率，即：

(1)

一般来说，提供给DPLS的钻井变压器可用功率信号，最小功率为500 kW，最大功率为4 000 kW(钻井变压器的开关为闭合状态)。一旦与钻井变压器相连的开关(如图3的CB1～CB4)为打开状态，则发送到DPLS的信号为0。

2.3 DPLS接口模块

DPLS通过智能和自适应算法，对钻井大功率设备(钻井绞车、顶驱和高压泥浆泵)进行综合考量，在一定功率范围内合理分配电力，防止发电机过载导致断电。

为了保证钻井设备的安全运行，钻井控制系统(含DPLS)对钻井设备进行完全控制。首先，钻井包厂家除了提供完整的钻井控制系统(控制柜及其相关软硬件)外，还应提供完整的钻井设备(包含相关仪表、阀件等)。其次，钻井控制系统(含DPLS)对内(指整个钻井系统)接收钻井设备的状态信息(如钻井设备的状态、钻井仪表的信息)，对外(如中控及电气包系统)接收功率限制信号，并对电力包系统发出相关指令，驱动钻井设备工作。须强调的是：为保证钻井设备的安全运行，中控、电力系统均不参与对钻井设备的直接控制。

在这种情况下，钻井控制系统(含DPLS)的接口模块为主模块，在钻井VFD配电板上的接口模块为从属模块，由主模块发送命令信号，从属模块接收命令并执行。在钻井控制系统、电力系统及中控系统的接口模块有特定存储区域存放命令指令，每个指令都有对应的存放地址，地址码与指令信号一一对应且唯一。为了保证信号传输格式的一致性，需对主模块和从属模块存放命令及相应地址进行统一的编写，即通过双方认可的标准文件进行编制。当一个信号发送后，系统在特定的时间段内检测信号是否被接收，若未检测到信号已被接收，则系统发出通信错误信号。通过以上的配置，保证钻井控制系统(含DPLS)的软硬件配置完全能够满足对于钻井大功率设备的控制。

3 结 语

因钻井工况复杂，PMS对钻井系统大功率设备的实时电力分配不够灵活，故而引入DPLS方案，一方面使钻井平台/船的电力分配更加合理，能够更加灵活地应对各种钻井工况，另一方面，随着智能船舶的发展，DPLS的引入拓展了设计思路，即：将过往集成于一个中控系统的功能进行合理分配，用专属的控制系统完成独立系统的控制，使系统控制更加合理高效，该设计对其他类型的船舶也有很好的借鉴意义。