锦州25-1海洋钻机电控系统的方案设计

郭海峰 中海油能源发展装备技术有限公司

一、前言

锦州25-1WHPB模块钻机位于中国渤海海域锦州25-1WHPB平台上，是标准化设计的模块化钻机，也是渤海油田标准化设计的首次应用。为了响应国家国产化的口号，很多国产化的钻采装备在该项目中得到了应用，使我国的石油工业得到了进一步的发展。

锦州25-1油田6/11井区共钻井29口，其中包括7口水平井和22口定向井，其总进尺为123659m（其中含领眼段长度1062m），平均井深为4264m（不含领眼井段平均井深4227m），最大井深为5358m，最大水平位移为4435m，最大水垂比2.3。

二、钻机电控系统的总体设计方案

该模块钻机电控系统的设计依据相关行业标准规范，结合渤海海域实际情况及水力学计算分析，能够满足锦州25-1WHPB平台7000米钻井[1]深度的工作参数和性能要求。

新的设计亮点，新的国产装备应用，新的思维转变，锦州25-1WHPB平台模块钻机必将打造成标杆化的精品工程。

JZ25-1WHPB平台模块钻机电驱动控制系统的设计、制造要依据“安全、可靠、先进和经济、实用”的原则，满足平台钻井工艺需求，所有电气设备防爆技术要求严格按照安全专业危险区域划分执行[2]。

执行GB、API、IEC，IEEE或NEMA等标准要求；适用于海洋环境且有较高的抗腐蚀性。

电控系统设备在海洋环境下的设计寿命为25年。

供电电制

系统电源采用国家标准，电源等级为：

690V AC 3Ph 3W 50Hz：负载为绞车电机、转盘电机和泥浆泵电机；

400V AC 3Ph 3W 50Hz：负载为灌注泵、混合泵、搅拌器和空调风机等等；

230V AC 3Ph 3W 50Hz：负载为照明、电伴热和插座等等；

115V AC 1Ph 2W 50Hz：负载为火气、通讯和控制电源等等。

三、供配电系统

JZ25-1WHPB平台的6.3kV母线为钻机提供两路主动力电源，通过两台6.3kV/ 0.69kV/5000kVA的降压变压器为690V母线提供动力。整个690V母排被分成LA6和LB6两段，为模块钻机的主要负载（绞车、高压泥浆泵、转盘和顶驱）供电，同时为了确保钻井期间的供电稳定性，模块钻机配置了1台690V、1500kW备用柴油发电机。

为减少模块钻机电力系统的谐波电流畸变，电控变频系统采用IGBT有源整流装置，使电流畸变率符合相关规范的要求。

系统总单线原理图如图1所示：

图1 系统总单线原理图

1.正常电源供电

6.3kV 4300kW 2路：平台提供主电源；

690V 4300kW 2路：模块钻机通过两台6.3kV/690V干式变压器自变；

400V 1000kW 2路：模块钻机通过两台0.69kV/0.4kV干式变压器自变；

230V 130kW 2路：模块钻机通过两台0.4kV/0.23kV干式变压器自变；

中性点接地方式采用中性点绝缘。

2.应急电源供电

在主电源因故障突然失电的情况下，模块钻机需要应急电源，确保井下安全、应急情况下基本的钻井作业和极端情况下的人员逃生。

690V 1500kW 1路：模块钻机自备柴油发电机满足临时应急主动力电源；

400V 100kW 1路：平台提供应急辅助动力电源；

230V 30kW 1路：平台提供应急照明及小功率电源；

230V 30kW 1路：平台提供应急电伴热电源。

3. UPS电源供电

UPS交流不间断电源为单相115V 50Hz电源，以便在主电源和应急电源发生故障时，给通迅设备、火灾探测、仪表控制以及电气脱扣等系统供电；

115V 8kW 1路：平台提供UPS电源。

4.干式变压器

变压器间内安装有两台5000kVA-6.3kV/ 0.69kV主动力变压器，两台1250kVA-690V/ 400V动力变压器，一台160kVA-400V/230V照明及小功率设备变压器和一台160kVA- 400V/230V电伴热变压器。变压器的防护等级为 IP23，绝缘等级为F级，温升等级为B级。变压器带带风冷装置（含温度控制器）

提供的变压器一次侧设计并配置2X±2.5%的抽头。

变压器进出线方式为下进下出。

1） 5000kVA 6.3kV/0.69kV变压器

基本参数

类型：干式变压器；

数量：2台；

阻抗：8%；

组别：Dy11；

长宽高：3400*2000*2500mm。

690V母排A段与400V母排A段联接一个变压器，690V母排B段与400V母排B段联接另一个变压器，两台变压器都使用在正常的供电系统中，向DSM和DES的MCC系统及平台辅助设备提供动力电源。

2） 1250kVA 690V/400V变压器

基本参数

类型：干式变压器；

数量：2台；

阻抗：5%；

组别：Dy11；

长宽高：2200*1350*2100mm。

690V母排A段与400V母排A段联接一个变压器，690V母排B段与400V母排B段联接另一个变压器，两台变压器都使用在正常的供电系统中，向DSM和DES的MCC系统及平台辅助设备提供电源。

3） 200kVA 400V/230V变压器

基本参数

类型：干式变压器；

数量：2台；

阻抗：4%；

组别：Dy11；

长宽高：1500*1000*1400mm。

在400V母排A段和DSM中的230V母排之间，主要给正常照明及小功率设备和管线的电伴热等负载提供电源。

5. MCC及低压配电系统

电控柜内部连接线使用绝缘等级为690V/1000V的船用铜绞线，截面积不小于1.5mm2、所有电缆为船用铠装电缆，正常供电回路为HOFR（耐热、耐油、阻燃型），应急供电回路为FS（防火型）电缆、柜体内的连接线采用线管或者线槽整齐布线，线管或线槽预留20%空间，以满足后期增加电缆的使用要求。

配置足够数量和容量的交流电机启动供电回路，并按20%供控制和供电回路备用[3]。所有交流电机均需可集中控制，两地操作。MCC系统采用抽出式柜体，启动装置放在MCC房间内，在电机旁设置就地控制按钮。

6.电力系统潮流分析

本项目多传动变频方案采用IGBT整流[3]，在计算中考虑部分整流单元故障情况，对母线贡献部分短路电流，在模型中进行等效。发电机的参数如表1所示：

表1

计算基础以及公式基于牛顿-拉夫迅算法 ETAP11.1.1电力系统分析计算软件。以下操作工况被考虑：

（a）钻机 690V 断路器 ACB4 处于闭合状态

（b）钻井工况：高泵载工况

（c）钻机 400V母联断路器ACB16处于闭合状态

（d）钻机变压器AB一次侧分接头调节至-0.5%

（e）钻机变压器CD一次侧分接头调节至-2.5%

结果：根据图2潮流计算分析，本计算中最高电压降来自于高泵载钻井工况，电压降为2.79%，该值满足设计要求。

图2 潮流分析结果

四、PLC网络控制系统

PLC控制器选用西门子公司的SIMATIC S7-400H产品，组态软件WinCC7.3。

PLC采用模块化程序指令集进行组态，具有自诊断功能，能够对系统状态与报警信号进行显示及故障分析；采用光纤通讯和通讯电缆通讯；钻井电机具有手动控制和PLC自动控制功能，并可互相切换；PLC具有故障记录、重要参数修改记录功能，并可以从PLC上进行读取；

钻机控制系统以触摸屏作为信息显示及操作载体，对整个模块钻机电控系统进行实时监控绞车、泥浆泵和转盘等设备，通过画面显示钻机中各设备运行状况，并提供各种设备的故障诊断和报警信息。创建了一个智能化、信息化和数字化的管理平台，最终实现对钻机系统的远程数据传输和故障诊断及监控，优化控制和检测整个钻井工作。

PLC综合控制柜网络如图3。

图3 综合控制柜网络

五、结束语

锦州25-1WHPB平台7000米模块钻机的详细设计，顺利通过了中国船级社的检验。如今已建造完成，到了钻井使用阶段，得到了作业公司的好评！该项目是我国在海洋石油工业独立自主的进一步实践。在走向深水勘探的路途中，我们海油人应该更加努力，不断超越自我，争做世界能源公司的排头兵！