動力定位深水浮式鉆井裝置電力與推進系統應用

(中海油田服務股份有限公司，北京 100149)

動力定位系統主要由控制系統、測量系統、電力系統和推進系統四大系統組成。不同級別的動力定位系統對于設備的配備和布置區別較大，DP3相對于DP2而言，除了考慮設備的冗余外，冗余的設備在布置上須有獨立的空間，并需進行防火隔離。

深水浮式鉆井裝置動力定位系統配置見圖1(以半潛式平臺為例)[1]。

圖1 半潛式鉆井平臺動力定位系統組成示意

電力系統就是為定位設備、鉆井設備和輔助設備提供動力的共用電站。電站按定位系統級別不同，一般分割為兩段或以上，見圖2[2]。

1)輻射狀主匯流排，含2段或2段以上主匯流排，由常開或常閉的匯流排開關控制，成串列結構，見圖2a)。

2)環狀主匯流排，含3段或3段以上主匯流排，可與匯流排開關或饋線相連，一般有至少一個開路的匯流排開關/饋線成輻射狀結構，也可以所有匯流排開關/饋線斷路器閉合，呈閉合環狀主匯流排結構，見圖2b)。

圖2 電力系統結構示例

定位推進器方面，大部分深水鉆井裝置采用固定螺距變頻調速全回轉推進器，具有高效率、低油耗的特點。應用吊艙式推進器作為推進裝置，在該系統中，電動機在一個全回轉水下吊艙裝置內與螺旋槳軸直接相連，無齒輪傳動結構。

總體而言，目前的深水鉆井裝置動力定位系統被證明具有一定的可靠性、耐用性和在故障時表現的完整性，電力和推進系統有足夠的余量承受系統在正常環境條件下發生的故障。但系統運行過程中一些重復出現的問題需要引起關注。

1 負荷減小和失電預防

動力管理系統通過控制電站中運行的發電機數量，使柴油機盡量工作在高負荷區，這樣柴油發電機組的性能更佳，燃料經濟性更高。考慮到柴油機的燃料消耗量、磨損和維護，通常最佳負荷約為柴油機最大持續功率(MCR)的85%。

但長期保持高負荷運行狀態的柴油機一旦出現內部故障，如發生突發性跳閘，其余正常工作的發電機組將增加一級負荷，且有可能在頻繁跳閘的最惡劣情況下發生過載、損壞，甚至導致全船失電，這就需要電力系統具有可根據發電量減小負荷功率的功能。

對于現代鉆井裝置而言，負荷減小和失電預防功能由若干子系統分配處理。

1)動力管理的負荷管理和失電預防功能。

2)動力定位系統的功率限制功能。

3)推進器變頻器的負荷減小和帶載相反饋功能。

4)鉆井變頻器的負荷減小和帶載相反饋功能。

為不影響動力系統的穩定性和不限制操作的靈活性，負荷減小和失電預防措施必須在不到500 ms內生效。具體措施歸納如下。

1)推進器和推進器變頻器。變頻調速定距槳推進器必須具備負荷減小方案，通過監控網絡頻率和/或從動力管理系統接受快速負荷減小信號，可以是功率相反饋信號、最大功率限制信號，或是轉速參考減小量信號。為避免系統頻率發生不穩定的情況，負荷減小量應盡可能精確，以達到抑制潛在震蕩的目的。對于定速可變螺距推進器來說，不具備足夠短的失電預防響應時間，必須在動力管理的分級卸載方案中予以考慮[3]。

2)鉆井變頻器。與推進器變頻器的要求類似，各鉆井變頻器的負載減小優先級也要設定。

3)動力管理系統。根據船級社要求，動力管理系統必須提供失電預防、負荷減小/分級卸載功能。

4)動力定位系統。動力定位系統通常基于來自動力管理系統的允許最大功率消耗信號，提供功率限制功能。從一般意義上說，這是一個避免運行設備過載的有效方法，但缺點是速度不夠快，無法處理柴油發電機組的故障。

上述負荷減小和失電預防功能在系統安裝、調試和試航期間要進行充分的測試，以保證系統正常運行。同樣，在可能影響系統協作的調整或修理后，要進行相同的測試。

典型的協作原理見圖3。

圖3 自動起動/停機和失電預防協作原理示意

圖3中自動起動和自動停機的限制范圍顯示出取決于負載的柴油機自動起停的功率水平和時間設置。在正常工作時，可用功率將處在這個范圍內。如遇柴油機故障或跳閘，可用功率將下降。動力定位的功率減小功能在緊急情況下或非緊急情況下是有區別的，系統使動力定位系統在非基本用電設備或低優先級用電設備正確實施負荷減小和分級卸載后，獲得全部可用功率。

2 柴油機調速器和AVR容錯

系統運行中發現，柴油機調速器、電壓自動調節器AVR發生的某些故障在一些負荷和作業條件下難以通過常規型保護方案進行識別。在最惡劣情況下，故障會干擾正常工作的設備，導致非正常停機，甚至會造成全船失電。

帶多功能可編程保護邏輯的數字式發電機保護繼電器的開發，提供了若干種整合保護功能的新方法，包括將邏輯和代數函數應用于保護方案。這一進步顯著提升了保護繼電器檢測調速器和AVR故障的能力，以及系統對于該類故障的容錯能力。

圖4顯示了一種AVR監控方案，涵蓋了多發電機組多重可變表決功能的相關函數。這些函數可應用于可編程多功能發電機保護繼電器中，也可應用于獨立邏輯控制器中，用于系統改進和升級。

圖4 AVR故障檢測的監控方案

3 鉆井裝置大功率設備的特性

鉆井裝置大功率用電設備的起停，瞬態故障和電網穩定性引起的電壓變化是值得關注的問題。雖然這些設備已具有高度的可靠性，但是因為設備集中安裝和相對較大的電纜容量，系統電容也相對較大，形成了亞毫秒級瞬變的無彈性系統。電力設備標準化脈沖電壓測試的上升時間最長可能達到1.2 μs，但測量顯示，裝置電網的開關瞬變明顯更快。即使開關瞬變振幅一般比標準化測試振幅小的多，電壓的急劇上升也可能改變設備繞組的內部電壓分配，并造成局部過電壓和絕緣擊穿，見圖5a)。此類瞬變被懷疑是某些設備故障的根本原因。

圖5 鉆井大功率設備特性

降低絕緣擊穿風險的方式：①整個系統的絕緣水平協調；②選用較低電壓瞬變量的斷路器；③選用能抵御快速電壓瞬變的絕緣材料；④選用針對更快瞬變時限，更佳內部電壓分配的繞組設計，見圖5b)；⑤過電壓保護，如配備電涌放電器。

4 諧波失真

諧波失真有一個通用測量標準，即涉及基頻分量的各諧波分量的均方根值，縮寫為THD(總諧波失真)。對配置直流鉆井設備SCR的鉆井裝置來說，諧波失真水平很高，THD可達到15%。在如此高的諧波失真下，有些設備可能會發生故障。因此，ABS等船級社在各自最新的海上移動鉆井裝置建造和入級規范中均已明確規定THD不應大于8%。

隨著技術發展，應用于船舶和海工領域的電動機變頻驅動技術取得了很大進步。一種電壓源型逆變器(VSI)已成功應用于鉆井設備和推進器驅動。12脈沖逆變器與直流系統相比，諧波失真水平顯著降低。近年來，這種設計應用于大部分鉆井裝置，其解決方案在處理諧波失真問題上表現良好，能夠滿足規范對THD的要求。

12脈沖VSI逆變器的使用原理見圖6。

圖6a)顯示了帶兩個全橋二極管整流器、由三繞組變壓器供電的單變頻器，普遍用于中壓變頻器。使用IGCT的逆變器開關元件，在中等開關頻率下能夠減少負載電流和扭矩的波動。

低壓變頻器見圖6b)。圖中顯示若干逆變器連接到共用直流母排。直流母排可通過絕緣件進行分割，每一側連接至12脈沖二極管整流器。該變頻器結構含多個由共用直流母排供電的逆變器，故稱之為多變頻器，用于鉆井變頻器、貨物裝卸變頻器、推進器變頻器和/或主推進系統。當負載產生再生功率時(比如在高速逆轉或其他制動條件下)，制動電阻會發揮作用，阻止功率峰值返回電網。

圖6 12脈沖電壓電源逆變器原理