动力定位深水浮式钻井装置电力与推进系统应用

(中海油田服务股份有限公司，北京 100149)

动力定位系统主要由控制系统、测量系统、电力系统和推进系统四大系统组成。不同级别的动力定位系统对于设备的配备和布置区别较大，DP3相对于DP2而言，除了考虑设备的冗余外，冗余的设备在布置上须有独立的空间，并需进行防火隔离。

深水浮式钻井装置动力定位系统配置见图1(以半潜式平台为例)[1]。

图1 半潜式钻井平台动力定位系统组成示意

电力系统就是为定位设备、钻井设备和辅助设备提供动力的共用电站。电站按定位系统级别不同，一般分割为两段或以上，见图2[2]。

1)辐射状主汇流排，含2段或2段以上主汇流排，由常开或常闭的汇流排开关控制，成串列结构，见图2a)。

2)环状主汇流排，含3段或3段以上主汇流排，可与汇流排开关或馈线相连，一般有至少一个开路的汇流排开关/馈线成辐射状结构，也可以所有汇流排开关/馈线断路器闭合，呈闭合环状主汇流排结构，见图2b)。

图2 电力系统结构示例

定位推进器方面，大部分深水钻井装置采用固定螺距变频调速全回转推进器，具有高效率、低油耗的特点。应用吊舱式推进器作为推进装置，在该系统中，电动机在一个全回转水下吊舱装置内与螺旋桨轴直接相连，无齿轮传动结构。

总体而言，目前的深水钻井装置动力定位系统被证明具有一定的可靠性、耐用性和在故障时表现的完整性，电力和推进系统有足够的余量承受系统在正常环境条件下发生的故障。但系统运行过程中一些重复出现的问题需要引起关注。

1 负荷减小和失电预防

动力管理系统通过控制电站中运行的发电机数量，使柴油机尽量工作在高负荷区，这样柴油发电机组的性能更佳，燃料经济性更高。考虑到柴油机的燃料消耗量、磨损和维护，通常最佳负荷约为柴油机最大持续功率(MCR)的85%。

但长期保持高负荷运行状态的柴油机一旦出现内部故障，如发生突发性跳闸，其余正常工作的发电机组将增加一级负荷，且有可能在频繁跳闸的最恶劣情况下发生过载、损坏，甚至导致全船失电，这就需要电力系统具有可根据发电量减小负荷功率的功能。

对于现代钻井装置而言，负荷减小和失电预防功能由若干子系统分配处理。

1)动力管理的负荷管理和失电预防功能。

2)动力定位系统的功率限制功能。

3)推进器变频器的负荷减小和带载相反馈功能。

4)钻井变频器的负荷减小和带载相反馈功能。

为不影响动力系统的稳定性和不限制操作的灵活性，负荷减小和失电预防措施必须在不到500 ms内生效。具体措施归纳如下。

1)推进器和推进器变频器。变频调速定距桨推进器必须具备负荷减小方案，通过监控网络频率和/或从动力管理系统接受快速负荷减小信号，可以是功率相反馈信号、最大功率限制信号，或是转速参考减小量信号。为避免系统频率发生不稳定的情况，负荷减小量应尽可能精确，以达到抑制潜在震荡的目的。对于定速可变螺距推进器来说，不具备足够短的失电预防响应时间，必须在动力管理的分级卸载方案中予以考虑[3]。

2)钻井变频器。与推进器变频器的要求类似，各钻井变频器的负载减小优先级也要设定。

3)动力管理系统。根据船级社要求，动力管理系统必须提供失电预防、负荷减小/分级卸载功能。

4)动力定位系统。动力定位系统通常基于来自动力管理系统的允许最大功率消耗信号，提供功率限制功能。从一般意义上说，这是一个避免运行设备过载的有效方法，但缺点是速度不够快，无法处理柴油发电机组的故障。

上述负荷减小和失电预防功能在系统安装、调试和试航期间要进行充分的测试，以保证系统正常运行。同样，在可能影响系统协作的调整或修理后，要进行相同的测试。

典型的协作原理见图3。

图3 自动起动/停机和失电预防协作原理示意

图3中自动起动和自动停机的限制范围显示出取决于负载的柴油机自动起停的功率水平和时间设置。在正常工作时，可用功率将处在这个范围内。如遇柴油机故障或跳闸，可用功率将下降。动力定位的功率减小功能在紧急情况下或非紧急情况下是有区别的，系统使动力定位系统在非基本用电设备或低优先级用电设备正确实施负荷减小和分级卸载后，获得全部可用功率。

2 柴油机调速器和AVR容错

系统运行中发现，柴油机调速器、电压自动调节器AVR发生的某些故障在一些负荷和作业条件下难以通过常规型保护方案进行识别。在最恶劣情况下，故障会干扰正常工作的设备，导致非正常停机，甚至会造成全船失电。

带多功能可编程保护逻辑的数字式发电机保护继电器的开发，提供了若干种整合保护功能的新方法，包括将逻辑和代数函数应用于保护方案。这一进步显著提升了保护继电器检测调速器和AVR故障的能力，以及系统对于该类故障的容错能力。

图4显示了一种AVR监控方案，涵盖了多发电机组多重可变表决功能的相关函数。这些函数可应用于可编程多功能发电机保护继电器中，也可应用于独立逻辑控制器中，用于系统改进和升级。

图4 AVR故障检测的监控方案

3 钻井装置大功率设备的特性

钻井装置大功率用电设备的起停，瞬态故障和电网稳定性引起的电压变化是值得关注的问题。虽然这些设备已具有高度的可靠性，但是因为设备集中安装和相对较大的电缆容量，系统电容也相对较大，形成了亚毫秒级瞬变的无弹性系统。电力设备标准化脉冲电压测试的上升时间最长可能达到1.2 μs，但测量显示，装置电网的开关瞬变明显更快。即使开关瞬变振幅一般比标准化测试振幅小的多，电压的急剧上升也可能改变设备绕组的内部电压分配，并造成局部过电压和绝缘击穿，见图5a)。此类瞬变被怀疑是某些设备故障的根本原因。

图5 钻井大功率设备特性

降低绝缘击穿风险的方式：①整个系统的绝缘水平协调；②选用较低电压瞬变量的断路器；③选用能抵御快速电压瞬变的绝缘材料；④选用针对更快瞬变时限，更佳内部电压分配的绕组设计，见图5b)；⑤过电压保护，如配备电涌放电器。

4 谐波失真

谐波失真有一个通用测量标准，即涉及基频分量的各谐波分量的均方根值，缩写为THD(总谐波失真)。对配置直流钻井设备SCR的钻井装置来说，谐波失真水平很高，THD可达到15%。在如此高的谐波失真下，有些设备可能会发生故障。因此，ABS等船级社在各自最新的海上移动钻井装置建造和入级规范中均已明确规定THD不应大于8%。

随着技术发展，应用于船舶和海工领域的电动机变频驱动技术取得了很大进步。一种电压源型逆变器(VSI)已成功应用于钻井设备和推进器驱动。12脉冲逆变器与直流系统相比，谐波失真水平显著降低。近年来，这种设计应用于大部分钻井装置，其解决方案在处理谐波失真问题上表现良好，能够满足规范对THD的要求。

12脉冲VSI逆变器的使用原理见图6。

图6a)显示了带两个全桥二极管整流器、由三绕组变压器供电的单变频器，普遍用于中压变频器。使用IGCT的逆变器开关元件，在中等开关频率下能够减少负载电流和扭矩的波动。

低压变频器见图6b)。图中显示若干逆变器连接到共用直流母排。直流母排可通过绝缘件进行分割，每一侧连接至12脉冲二极管整流器。该变频器结构含多个由共用直流母排供电的逆变器，故称之为多变频器，用于钻井变频器、货物装卸变频器、推进器变频器和/或主推进系统。当负载产生再生功率时(比如在高速逆转或其他制动条件下)，制动电阻会发挥作用，阻止功率峰值返回电网。

图6 12脉冲电压电源逆变器原理