鉆井功率限制系統設計方案

(1.中核海洋核動力發展有限公司， 上海 200233； 2.上海旦藍海洋工程有限公司， 上海 200120)

0 引 言

在帶有動力定位系統的鉆井平臺/船處于鉆井工作模式時，在不同海況(風、浪條件)、不同鉆井條件下，常常會遇到全船電力在維持定位的推進器與進行鉆井作業的各個鉆井大功率設備(鉆井絞車、頂驅、高壓泥漿泵)之間的分配問題。在以往設計中，每種工況下的每個單獨大負載的功率分配均由全船功率管理系統(Power Management System， PMS)主導。隨著鉆井控制系統功能的逐步完善，以鉆井控制系統逐步取代PMS部分功能、獨立承擔幾個鉆井大功率設備的電力分配成為可能，鉆井功率限制系統(Drilling Power Limiting System， DPLS)控制方案應運而生。

1 PMS 主導的鉆井大功率設備電力分配方案

由中控系統的子系統PMS主導全船的電力分配，是將推進器及鉆井大功率設備(單獨設備的獨立電機，如鉆井絞車的5個獨立大功率電機)的請求(如啟動、停止、加速、減速)信號全部發送至PMS，PMS根據海況、鉆井需求，依據在設計階段已經編制好的程序，按照優先分配原則，調節全船電力在各個獨立負載的分配。PMS主導的鉆井大功率設備電力分配基本框圖如圖1所示(圖中省略推進器部分)。

圖1 PMS主導的鉆井大功率設備電力分配

根據鉆井過程的實際情況，當鉆井系統的某個或某些大功率設備(頂驅、鉆井絞車、高壓泥漿泵)需要啟動、停止、加速、減速時，每個設備相關的單獨命令請求信號通過鉆井控制系統的網絡，由鉆井控制系統接口模塊向中控系統發出。中控系統的子系統PMS接收到命令請求信號后，通過檢測發電機實際輸出功率和推進器及其他負載使用功率，經計算判斷是否能夠按照鉆井設備需求進行功率調整。

當功率分配無法滿足所有鉆井設備的需求時，PMS將根據事先設計好的程序，優先滿足與船體及鉆井安全相關的推進器(保證定位需求)及鉆井絞車的電力分配(保證對井底維持壓力)，再對頂驅電機與高壓泥漿泵電機進行電力分配，當所有在線的電力負荷超過電站總功率設定值時(一般設為80%)，則會啟動備用發電機。在此過程中，PMS不斷檢測鉆井設備需求和實時電功率使用狀況，按照程序要求，限制鉆井大功率電機的使用功率，防止由于電機不斷加速或加載引起電網過載[1]。

鉆井變頻驅動(Variable Frequency Drive， VFD)的配電板接收PMS的電機啟動、停止、加速、減速命令，調節相應的電機，再將電機運行狀態信號反饋至鉆井控制系統和PMS系統，完成閉環控制的整個流程。

在這種控制方式下，由PMS進行功率分配，保證各重要設備不產生“搶資源”現象。

PMS按照事先編寫好的程序進行功率分配，對于鉆井大功率負載的功率調節是將每個負載作為獨立負載，在分配中處于不同優先級別考慮的。但是，由于鉆井工況復雜，需要考慮的因素很多，如設備的功耗、總線連接配置、發電機排列、大設備的加速、加速度、井下壓力維持、主動升壓補償要求等，事先編寫的程序無法對現場實際情況進行完全預判，因此無法真正按照實際情況對鉆井大功率設備的功率進行合理分配。

2 DPLS主導的鉆井大功率設備電力分配方案

2.1 DPLS控制系統方案

隨著鉆井控制系統的不斷完善，由鉆井控制系統主導鉆井大功率設備的電力分配逐步成為更合理的設想。如何在最大程度保證船舶安全(即保證推進器的正常工作)的情況下，合理分配鉆井大功率設備的電力供應，成為新設計方案的思路，由此引入了DPLS[2]方案。DPLS作為鉆井控制系統的一個子系統，其功能是在電力系統提供的可用功率范圍內，由DPLS在大功率設備間進行功率分配[3]。基本框圖如圖2所示(圖中省略推進器部分)。

圖2 DPLS主導的鉆井大功率設備電力分配

由PMS檢測在線發電機、推進器和其他負載運行情況后，計算整個電力系統可以供給鉆井系統使用的功率，將此功率數值轉化為模擬量信號，發送給DPLS。

DPLS與鉆井設備控制系統通過冗余網絡連接，組成完整的鉆井控制系統。為了保證鉆井系統正常工作，防止過大的電流對整個電網造成沖擊，根據實際工況，PMS提供功率實時情況，電站可以提供給鉆井系統的功率范圍即鉆井系統可用功率，當DPLS接收到這個信號后，將鉆井系統可用功率在高壓泥漿泵、頂驅和鉆井絞車的大功率電機之間，進行電力分配和限制，避免直接對其中的任何一個設備單獨考量。

在這種情況下，由鉆井控制系統直接向鉆井VFD配電板發出電機的啟動、停止、加速、減速命令，電機的運行情況也直接反饋到鉆井控制系統。同時，PMS通過測量鉆井變壓器的輸入電流并經過計算，獲得鉆井系統的電力使用情況，再傳輸給DPLS，供鉆井控制系統計算及控制使用，形成閉環控制。

首先，通過DPLS，保證了用于定位的推進器滿足符合當時海況下定位的最低功率要求；其次，鉆井系統在總功率范圍內，根據實際鉆井情況，綜合平衡鉆井絞車、頂驅、高壓泥漿泵的負載，最大程度保證鉆井過程安全高效。DPLS的引入，保證了全船功率分配安全合理，達到設備安全、作業安全、船舶安全的目的，也更有利于鉆井控制系統根據鉆井的實際工況，實現對于鉆井設備的完全控制。

2.2 DPLS控制系統參數獲取

針對每一臺鉆井變壓器的實時運行狀態，PMS 將鉆井變壓器可使用功率及鉆井變壓器已消耗功率轉化為兩個模擬信號，并將這兩個信號傳輸到DPLS。這兩個信號通過以下方式獲得(見圖3)。

圖3 DPLS控制信號參數獲取示例

以3組共6臺發電機為例，G1～G6表示6臺發電機(G1和G2一組、G3和G4一組、G5和G6一組)；MV1～MV3表示3組中壓配電板，與3組發電機相對應；DT1A ～ DT2B表示鉆井變壓器；DVFD1 ～ DVFD2 表示鉆井VFD配電板；CB表示開關。

鉆井變壓器可用功率用Pf表示。該數值需通過以下計算得到：

(1) 通過PMS系統監控中壓電力系統的實施工作狀態，判斷每臺發電機是否處于在線運行狀態，根據整個中壓系統開關斷開或閉合的狀態，確定整個中壓系統運行狀態(環形運行、解列為3組運行，等等)。根據上述條件，通過PMS標準軟件，計算出連接每一組發電機的熱備用功率Pf，即每組發電機輸出功率P1(在3組中壓配電板解列運行情況下，以發電機G1和G2為例)減去連接到該組發電機的中壓系統的消耗功率P2(如相應的MV1消耗的功率，此消耗功率包含了推進器及其他消耗功率)，即Pf=P1-P2。

(2) PMS通過中壓配電板與鉆井變壓器之間開關(圖3的CB1～CB4)的斷開或閉合狀態，監控鉆井VFD配電板(圖3的DVFD1～DVFD2)是否處于在線狀態，一旦開關閉合，PMS系統即認為該鉆井VFD配電板已在線。

(3) 如果鉆井VFD配電板已經在線，PMS將每一組發電機的熱備用功率Pf設定10%的安全裕量，計算出鉆井變壓器可用功率Pb，即Pb=Pf× 90%。

(4) 鉆井變壓器可用功率包含鉆井變壓器自身損耗的功率Ps和鉆井系統可使用的功率Pd，即Pb=Pd+Ps。由于鉆井變壓器在實際運行過程中的損耗功率不便測量和計算，故通常把鉆井變壓器可用功率Pb作為計算參考依據。

(5) 用以上方法計算出3組發電機熱備用功率的總和(包含中壓系統按照環形和解列方式運行)以及每一組鉆井變壓器可用功率，在線工作的所有鉆井變壓器可用功率之和限制在總電力系統可提供給鉆井變壓器可用功率的90%。

通過上述描述可知：

鉆井變壓器已消耗功率用Px表示，該數值通過實時測量中壓配電板連接至鉆井變壓器的開關(圖3的CB1～CB4)的電壓和電流計算獲得。該數值包含了鉆井變壓器自身損耗的功率及實際鉆井VFD配電板所消耗的功率。當Px>Pb時，也就是Px>90%Pf，鉆井控制系統即會進行功率分配的調整，以相應減小鉆井設備的功率。

需特別關注的是：如果一個獨立的中壓配電板(如圖3的MV2在解列情況下)給不止1臺鉆井變壓器(如圖3的DT1B和DT2A)供電，需要通過接入該組中壓配電板的變壓器數量進行平均，得到該組鉆井變壓器可用功率。例如DT1B的可用功率(在解列情況下)等于G3和G4的熱備用功率除去10%的安全裕量后，再平均分配到DT1B和DT2A上得到的功率，即：

(1)

一般來說，提供給DPLS的鉆井變壓器可用功率信號，最小功率為500 kW，最大功率為4 000 kW(鉆井變壓器的開關為閉合狀態)。一旦與鉆井變壓器相連的開關(如圖3的CB1～CB4)為打開狀態，則發送到DPLS的信號為0。

2.3 DPLS接口模塊

DPLS通過智能和自適應算法，對鉆井大功率設備(鉆井絞車、頂驅和高壓泥漿泵)進行綜合考量，在一定功率范圍內合理分配電力，防止發電機過載導致斷電。

為了保證鉆井設備的安全運行，鉆井控制系統(含DPLS)對鉆井設備進行完全控制。首先，鉆井包廠家除了提供完整的鉆井控制系統(控制柜及其相關軟硬件)外，還應提供完整的鉆井設備(包含相關儀表、閥件等)。其次，鉆井控制系統(含DPLS)對內(指整個鉆井系統)接收鉆井設備的狀態信息(如鉆井設備的狀態、鉆井儀表的信息)，對外(如中控及電氣包系統)接收功率限制信號，并對電力包系統發出相關指令，驅動鉆井設備工作。須強調的是：為保證鉆井設備的安全運行，中控、電力系統均不參與對鉆井設備的直接控制。

在這種情況下，鉆井控制系統(含DPLS)的接口模塊為主模塊，在鉆井VFD配電板上的接口模塊為從屬模塊，由主模塊發送命令信號，從屬模塊接收命令并執行。在鉆井控制系統、電力系統及中控系統的接口模塊有特定存儲區域存放命令指令，每個指令都有對應的存放地址，地址碼與指令信號一一對應且唯一。為了保證信號傳輸格式的一致性，需對主模塊和從屬模塊存放命令及相應地址進行統一的編寫，即通過雙方認可的標準文件進行編制。當一個信號發送后，系統在特定的時間段內檢測信號是否被接收，若未檢測到信號已被接收，則系統發出通信錯誤信號。通過以上的配置，保證鉆井控制系統(含DPLS)的軟硬件配置完全能夠滿足對于鉆井大功率設備的控制。

3 結 語

因鉆井工況復雜，PMS對鉆井系統大功率設備的實時電力分配不夠靈活，故而引入DPLS方案，一方面使鉆井平臺/船的電力分配更加合理，能夠更加靈活地應對各種鉆井工況，另一方面，隨著智能船舶的發展，DPLS的引入拓展了設計思路，即：將過往集成于一個中控系統的功能進行合理分配，用專屬的控制系統完成獨立系統的控制，使系統控制更加合理高效，該設計對其他類型的船舶也有很好的借鑒意義。