利用海上石油平台为钻井船供电方案设计及应用

张占斌 苏保中 连 晟 吴志飞 朱振民

（中海油能源发展装备技术有限公司）

0 引言

目前，许多海洋石油平台利用钻井船进行钻井作业，这些钻井船通常通过消耗柴油来提供电力。然而，这种方式的缺点是柴油消耗量大，导致钻井费用高昂，同时也对环境造成了一定的污染。因此，许多作业公司已经不同意在钻井作业时大量燃烧柴油。

鉴于这种情况，本文提出了一种利用海上石油平台的中压电力为钻井船提供电源的方案。该方案旨在通过合理的电力调度，实现平台对钻井船的供电，以达到降低成本、提高效率、节能减排的目的。

1 方案设计

针对渤海油田平台的电源为50Hz，而钻井船的电制分为50Hz 和60Hz 两种情况，本文提出了两种反供电方案。

1.1 方案一

利用平台的中压电经过变压器降压后直接接入50Hz 的钻井船。

在这种方案中，我们可以通过单台或两台反供电装置（包括降压变压器和其他必要的设备）为钻井船提供电力。这些装置可以通过平台的备用开关接入平台的电力系统。同时，我们还可以在钻井船的反供电系统中增加同期装置，用于与钻井船电站进行同期操作。这样可以在保证供电质量的同时，实现平台与钻井船之间的不间断切换。

1.1.1 单台反供电装置

利用依托平台中压系统（10.5和6.3kV）电源备用开关，通过1 台/两台/三台降压变压器成撬装置（10.5（6.3）/0.4kV、5000kVA），为钻井船（50Hz电制）供电。为实现钻井船与平台电源间的不间断切换，需要在钻井船反供电系统增加同期装置用于与钻井船电站同期操作。钻井船柴油机作为应急电源使用。

电力单线图如下：

图1 单台反供电装置电力单线图

1.1.2 两台反供电装置

利用依托平台中压系统（10.5和6.3kV）电源备用开关，通过两台降压变压器成撬装置（10.5（6.3）/0.4kV、5000kVA），为钻井船（50Hz 电制）供电。为实现钻井船与平台电源间的不间断切换，需要在钻井船反供电系统增加同期装置用于与钻井船电站同期操作。钻井船柴油机作为应急电源使用。

电力单线图如下：

图2 两台反供电装置电力单线图

此外，考虑到钻井船的应急情况，我们还需要在系统中设置应急电源，如钻井船的柴油机。

1.2 方案二

利用平台的中压电经过变压器和变频器降压后接入60Hz的钻井船。

这种方案与方案一类似，不同的是我们需要使用变频器来将电源频率从50Hz 转换为60Hz。这需要研发一种通用供电成撬装置，实现不同电制之间的转换。

具体来说，我们可以使用移相变压器和变频器来将平台的中压电转换为适合钻井船的低压电。然后，通过单台或两台反供电装置（包括移相变压器、变频器和降压变压器等设备）为钻井船提供电力。同样地，我们也需要设置同期装置和应急电源以保证供电质量和应急情况的处理。

2.1 单台反供电装置

利用依托平台中压系统（10.5和6.3kV）电源备用开关，通过1台反供电装置（移相变压器、变频器、降压变压器），单台容量为5000kVA（10.5（6.3）/0.4kV），为钻井船（60Hz 电制）供电。为实现钻井船与平台电源间的不间断切换，需要在钻井船反供电系统增加同期装置用于与钻井船电站同期操作。钻井船柴油机作为应急电源使用。

变频电源柜技术规格如下：

变频电源柜采用集装箱式式设计。变频电源系统输入为前述10kV或6kV工频额定电压，用于对平台负载提供50/60Hz变频电源。在20-100%的带载范围内，变频系统的不加任何功率因数补偿的情况下输入端功率因数能达到0.95。变频电源的功率单元为模块化设计，方便从机架上抽出、移动和变换，同型号单元可以互换。变频电源输出符合IEEE 519 1992及中国供电部门对电压失真最严格的要求，高于国标GB14549-93对谐波失真的要求。变频电源对电网反馈的谐波符合IEEE 519 1992 及国标GB14549-93 对谐波失真最严格的要求，进线电流THD 小于4%。变频电源整流逆变部分效率≥96%，变频电源整个系统的效率（包括输入隔离变压器等）达到≥95%以上。变频电源对电网电压的波动有较强的适应能力，在-10%～+10%电网电压波动时能满载输出。变频电源具有远程/本地控制切换的功能，能实现对变频电源的远距离操作。

在整个频率调节范围内，被控电动机均能保持正常运行。在最低输出频率时，能持续地输出额定电流。在最高输出频率时，能输出额定电流或额定功率。

变频电源过载能力为电流130%时不少于1min（10min间隔），180%立即保护。额定输出功率时频率的稳定度符合国际标准≤0.1Hz的要求。

变频电源设以下保护：过电压、过电流、欠电压、缺相保护、短路保护、超频保护、单相接地保护、变频电源过载、变压器过温保护、半导体器件的过热保护、瞬时停电保护等，并能联跳输入侧电源开关。保护的性能符合国家有关标准的规定［1］。

变频电源设有输入、输出的电压、电流、有功、功率因数以及输出频率、各单元直流电压等参数的数据显示。

变频电源系统具备远程监控系统，并预留通讯接口，可满足用户通讯及控制的扩展需求。

变频电源具有本地面板控制功能和远方控制功能，两种控制功能具有转换开关。本柜操作盘能就地进行各种控制操作和参数设置。显示面板具有显示电流、电压、频率，调节频率，变频电源开、停机，系统故障显示及故障追忆等功能。

变频电源输出频率分辩率为0.01Hz。

电力单线图如下：

图3 变频单台反供电装置电力单线图

2.2 两台反供电装置

利用依托平台中压系统（10.5和6.3kV）电源备用开关，通过2 台反供电装置（移相变压器、变频器、降压变压器），单台容量为5000kVA （10.5（6.3）/0.4kV），为钻井船（60Hz 电制）供电。为实现钻井船与平台电源间的不间断切换，需要在钻井船反供电系统增加同期装置用于与钻井船电站同期操作。钻井船柴油机作为应急电源使用。

电力单线图如下：

图4 变频两台反供电装置电力单线图

2.3 三台反供电装置

利用依托平台中压系统（10.5和6.3kV）电源备用开关，通过3 台反供电装置（移相变压器、变频器、降压变压器），单台容量为5000kVA （10.5（6.3）/0.4kV），为钻井船（60Hz 电制）供电。为实现钻井船与平台电源间的不间断切换，需要在钻井船反供电系统增加同期装置用于与钻井船电站同期操作。钻井船柴油机作为应急电源使用。

电力单线图如下：

图5 变频三台反供电装置电力单线图

3 实例验证

为了验证上述方案的可行性，我们可以参考已有的成功案例。例如，某海上石油平台曾经成功地为钻井船提供了反供电服务，通过合理的电力调度和设备配置，实现了对钻井船的高效供电。这为其他平台提供了可借鉴的经验和参考。

渤海某平台投产后进入钻完井阶段，南海1 号为其执行钻井工程服务，支持船自备4 台机组消耗柴油发电为支持船和钻完井作业提供用电，峰值负荷达到2900kW，高峰柴油消耗量达10m³/天，根据实际钻井进展，南海1 号支持船在平台计划工期不断调整延续。鉴于当下移动式组合变电站新技术的发展，根据海洋平台环境，开发适应性移动式组合变电站引用至南海1 号支持船，使用平台10.5kV 备用开关做供电开关，通过10.5kV 中压电缆经栈桥敷设至移动变电站，移动变电站低压600V 出线连接到922 支持船600V 母线为南海1 号支持船和钻井钻修机提供用电，节省南海1 号支持船钻井阶段的柴油消耗，节约成本并实现节能减排。根据现场反馈，目前绥中片区电网可以满足钻井平台电力峰值，项目实施顺利。

图6

通过应用本套反供电设备，可将采油平台主机透平发电的多余电量通过辅助设备反输至钻井船，提高电网整体利用率。大幅度节约常规作业模式下钻井平台使用柴油发电机自主发电的支持钻完井作业的燃料消耗。以南海1 号为例，在进行平台钻井作业期间，8-1/2”井段日均消耗柴油量为6～8m³、完井作业期间日均柴油消耗量为4m³。该平台某井实际钻完井工期为10.96天，实际消耗柴油量73m³。以天津地区2023年12月18日0#柴油8000元/m³市场价格计算，本次作业中若使用返供电方式，可节约工程成本58.39万元。

图7

以柴油燃料为例进行计算，单位质量柴油完全燃烧排放的CO2质量：74.1 × 43/1000 = 3.1863，即1kg 柴油排放CO2：3.1863kg。按照200 英尺钻井船钻井工况下柴油日均消耗量计算，若采用返供电模式提供钻机驱动力，每日可减少16～21t 的CO2气体，向环境中减少排放4.36～5.72t 碳元素，在保质保量完成生产指标的前提下，为国家从源头上减少了能源消耗、降低了工业环境污染。

常规模式下，钻井船或支持船在作业中依靠自身配备的柴油发电机进行生产运营日常供电。高强度的钻完井作业使得相关设备长时间运转，对柴油机气缸、轴承等不断进行着磨损。同时在柴油机设备长期运转过程中，需定期对机油、柴油滤芯等耗材进行更换，增加了运营成本。即便如此，柴油机设备仍需进行年检、大修、维保以使机件保持正常状态，维持工作额定输出能力来应对钻完井期间对设备负荷的瞬变要求。使用返供电设备可让长期持续运转的柴油机设备得到有效“休息”在减轻其使用损耗的同时，间接降低了其保养成本［2］。

基于2023 年钻机运行计划，2023 年钻井船计划钻完井888 船天，利用本项目反供电方案，可节省柴油消耗约1.8 万方，折合费用1.44 亿，经济效益显著。

利用本项目技术，充分利用清洁能源天然气发电，减少环境污染，符合渤海湾综合治理要求。另外，利用柴油发电每年二氧化碳排放约49000 t，利用天然气发电每年二氧化碳排放约46000 t，每年减少二氧化碳排放量3000 t，社会效益明显。

本项目中：柴油按860KG/方，二氧化碳系数取上表3.0959；天然气发电按1 度电0.35 方核算，天然气重量按0.7KG/方，二氧化碳系数取2.1622。

4 结束语

综上所述，利用海上石油平台的中压电力为钻井船提供电源是一种可行的方案。通过合理的方案设计和设备配置，可以实现降低成本、提高效率、节能减排的目标。同时，这种供电方式还可以提高平台的可靠性和灵活性，对海上石油平台低碳环保战略的实施具有重大意义。