海洋钻修机“柴改电”技术方案研究与实施

丁 辉，余俊雄，彭湘桂，黄永锋，崔朋朋

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津300459；2.中海油能源发展采油公司 天津300459)

目前，中海油渤海油田拥有上百台海洋钻修机，其中有近20 台的海洋钻修机采用柴油发电机组供电，有近30 台的海洋钻修机采用柴油发动机直接驱动。海洋钻修机所配置的部分柴油发电机组、柴油发动机不符合排气污染物排放要求[1]，另外海洋钻修机的应急电源、电源脱扣、防提断及绞车失电刹车等问题也给钻修井作业带来一定的安全风险，而且柴油发电机组、柴油发动机生产厂家、型号各异，给设备运维管理带来了一定的挑战。

随着渤海油田电力组网、岸电应用及海洋钻修机电控系统等技术的发展与成熟，为海洋钻修机“柴改电”技术研究提供了技术保证。2020 年12 月，渤海油田某平台HXJ180DB 海洋钻修机成功实现了平台供电的升级改造。

1 原HXJ180DB海洋钻修机系统

1.1 主要技术参数

最大钩载1 800 kN；井架净空高42 m；整机移动方式为液压机械移动；发电机组800 kW×3 台(柴油机 KTA38，发电机 HCM734E1)；钻井绞 JC24(846 kW)；泥浆泵F-800×2 台(580 kW×2)；顶部驱动Canrig 4017AC-1226(300 kW)；储能器FKQ640-7；整机传动方式AC-VVVF-AC(绞车、顶驱)/ACSCR-DC(泥浆泵)。

1.2 电力传动控制系统

HXJ180DB 海洋钻修机由3 台康明斯发电机组提供690 V 电源至海洋钻修机电控系统。690 V 电源一路经整流单元为绞车、顶驱及制动电阻供电，一路经直流调速单元给2 台泥浆泵供电。通过降压变压器，将690 V 电源变为400 V 电源给海洋钻修机400 V 用电设备供电。再通过降压变压器，将400 V电源变为230 V 电源用于照明设备。HXJ180DB 海洋钻修机电控系统单线图如图1 所示。

图1 HXJ180DB海洋钻修机电控系统单线图Fig.1 Single line diagram of electrical control system of HXJ180DB offshore drilling and workover rig

1.3 海洋钻修机的主要问题

①HXJ180DB 海洋钻修机发电机组无法满足排气污染物排放要求，且柴油机组故障率高、运行不稳定，给钻修机作业带来了一定的安全风险。

②HXJ180DB 海洋钻修机无应急电源，配套的储能器、绞车盘刹液压站等关键设备未按标准要求接应急电源[2]。

③HXJ180DB 海洋钻修机火气系统不具备主电源脱扣功能，且未按要求接入平台中控火气盘。

④HXJ180DB 海洋钻修机电控系统失电与盘刹系统无互锁功能，绞车系统未安装钻机防提断装置[3]。

2 升级改造技术研究

2.1 改造思路分析

HXJ180DB 海洋钻修机由原发电机组供电改为平台直接供电，同时对钻修机电控系统和火气系统进行升级改造，以满足标准规范的要求。

平台可提供 10.5 kV(1 300 kW)电源、400 V(400 kW)动力电源、400 V(50 kW)应急电源及230 V(30 kW)应急电源各一路。为满足钻修机绞车、顶驱、泥浆泵主电机(690 V)和钻修机照明系统(230 V)供电需求，需增加10.5 kV/690 V、1 600 kVA、50 Hz 和400 V/230 V、50 kVA、50 Hz 降压变压器各一台。HXJ180DB 海洋钻修机“柴改电”后电控系统单线图如图2 所示。

2.2 钻修机用电负荷校核

根据海上石油固定平台模块钻机设计标准[4]，对海洋钻修机的用电负荷进行校核。HXJ180DB 海洋钻修机在钻井工况时最大用电负荷为1 656.39 kW，在大修工况时最大用电负荷为 1 314.86 kW。HXJ180DB 海洋钻修机用电负荷计算表参见表1。

图2 HXJ180DB海洋钻修机“柴改电”后的电控系统单线图Fig.2 Single line diagram of electric control system of HXJ180DB offshore drilling and workover rig after “diesel to electricity”

表1 HXJ180DB海洋钻修机用电负荷计算表Tab.1 Electrical load calculation table for HXJ180DB offshore drilling and workover rig

2.3 钻修机火气系统改造

HXJ180DB 海洋钻修机火气系统由现场火气探头、手动报警站、平台状态灯、FM200 释放抑制按钮、报警灯铃、火气盘、盘面报警显示等组成。能够实时监测输入、输出信号，并做出逻辑判断，启动相应的报警灯铃，并将系统内火气报警信号传送到平台中控室；还应在接收到火灾报警信号后，触发主电源脱扣和FM200 消防系统。HXJ180DB 海洋钻修机火气系统的控制系统框图如图3 所示。

图3 HXJ180DB海洋钻修机火气系统的控制系统框图Fig.3 Block diagram of fire gas control system for HXJ180DB offshore drilling and workover rig

钻修机火气系统的信号逻辑运算、输出动作响应时间要求在50 ms 之内，且不受多个输入输出信号及操作员对系统操作的影响，系统控制器负载不能超过额定负载的50%，均有自动检测和诊断功能。

2.4 钻修机电控系统失电保护

HXJ180DB 海洋钻修机绞车电机失电或电控系统变频器故障导致失电时，其电控系统PLC(UPS 电源供电)给出失电信号，通过PROFIBUS-DP 通信协议将失电信号传输至绞车盘刹系统，触发紧急刹车电磁阀，从而实现绞车盘刹的工作制动和驻车制动同时动作，防止在绞车主电机失电的情况下，由于主电机悬停功能失效或误操作等，造成游动系统下砸的风险。

2.5 钻修机防提断改造技术

HXJ180DB 海洋钻修机通过电控系统PLC 逻辑控制来实现防提断功能，本次防提断改造技术与传统海洋钻修机防提断装置改造技术[4]在逻辑控制方面有一定差异，但最终均是通过控制绞车盘刹系统来实现。HXJ180DB 海洋钻修机防提断改造技术原理主要是从储能器司钻控制盘PLC 中取一路防喷器组关闭信号，将此信号传输至钻修机电控系统PLC 控制程序中，由电控系统PLC 给出两路逻辑指令信号，一路控制绞车主电机悬停(电机转速为0)，另一路控制绞车盘刹系统，从而实现在防喷器组关闭时，绞车主电机悬停和绞车盘刹紧急刹车同时动作的防提断功能。

3 “柴改电”实施效果及意义

渤海油田某平台启动了HXJ180DB 海洋钻修机“柴改电”技术改造工作，将海洋钻修机配套的3 台柴油发电机组进行了拆除，接入了平台电源，并加装了变压器、FM200 及有源滤波器等设备，实现了海洋钻修机电控系统由平台供电，同时将HXJ180DB 海洋钻修机储能器、绞车盘刹液压站等接入应急电源，并对海洋钻修机电源脱扣、火气系统、防提断系统及顶驱互锁等进行了技术升级。2020 年 12 月，HXJ180DB 海洋钻修机完成“柴改电”技术改造，并开展了系统测试和设备联调，顺利通过设备验收。海洋钻修机功能完善、操作可靠、性能良好，满足安全、好用的条件。

海洋钻修机“柴改电”技术的成功实践，使得该平台的HXJ180DB 海洋钻修机在真正意义上实现“零”排放，走上绿色发展之路，为其他平台海洋钻修机的“柴改电”技术提供了经验。

海洋钻修机“柴改电”技术也为海洋钻修机由“柴油机直接驱动”改为“交流变频电机驱动”的创新技术改造提供了可供借鉴经验。

海洋钻修机“柴改电”技术解决了海洋钻修机关键设备应急电源、主电源脱扣、绞车失电刹车及防提断等问题，进一步提高了海洋钻修机的本质安全。■