DP-3 鉆井船應急關斷系統自主設計

曾國詠 郭 燁 張 威

（上海振華重工（集團）股份有限公司 上海200125）

引 言

由于全球對原油需求的持續增長，海洋石油深海探索日益加劇，海洋工程技術也得到飛速的發展與提高。海上人命、平臺安全問題已是海工行業穩定發展的重要課題。

應急關斷系統是當發生意外事故時，通過限制它的持續時間、擴散區域和嚴重程度［2］，盡可能將危害控制在最小范圍內，從而保護海上人命、環境和設備的安全。該系統主要通過船舶/平臺上的設備關斷和報警通告來實現。

激活應急關斷系統能確保船舶和設備的安全要求，以便盡可能減小應急情況造成的影響。

目前大型海工項目應急關斷系統的設計，真正由船廠自行完成整個系統的設計是相當少的，一般借助于成熟廠家的設計（如Kongsberg Emerson 等），這些廠家的設計方案多數基于他們已做過項目的經驗，對于船東個性化的需求考慮比較少，而且廠家的設計需要船廠設計人員提供最新的設計輸入，一旦設計輸入的變化引起廠家設計的變化，廠家都會提出高昂的設計變更費用，并且廠家修改的周期不可控，可能會造成很多額外的隱形成本。

本文著重于DP-3 超深水鉆井船應急關斷系統的自主設計，根據船東個性化需求，由船廠人員自行完成整個系統的設計，實現應急關斷系統的完全控制，減少因單個區域發生火災或探測到氣體對附近區域、DP 能力、鉆井操作乃至全船的影響，從而保障海上人命、平臺的安全。

本文基于某由GE 提供應急關斷設備的鉆井船，采用安全完整性等級SIL 控制器和雙重冗余網絡，由船廠完成自主設計，能滿足當前主流鉆井船或鉆井平臺，特別是DP-3 緊湊型深水鉆井船的使用要求。比較Kongsberg Maritime 的應急關斷系統控制集成在中控系統中，屬于全船中控系統的一個分系統，本項目的應急關斷系統設計為一套完全獨立于中控系統之外的系統，具有完全的獨立性和更高的可靠性，便于船廠的自主設計在后續項目及類似項目的推廣應用。

1 應急關斷系統設計方法

通過研究DP-3 緊湊型深水鉆井船的應急關斷系統的設計，結合結構、管系、通風、電氣相關系統的合成，從系統的配置、系統的網絡、關斷等級的劃分、系統的接口、技術文件的輸出等，總結出一套完整的應急關斷系統設計方法，對于此系列的鉆井船或鉆井平臺有著積極的指導作用。本文將從以下幾個方面簡單闡述。

1.1 基本技術狀態

本船由6 臺柴油發電機組分別位于3 個機艙中，并通過3 塊11 kV 高壓配電板、3 塊440 V 低壓輔助配電板、2 塊440 V 鉆井輔助配電板、2 塊600 V 鉆井VFD 配電板、6 塊推進器VFD、6 塊推進器MCC、5 塊泵艙MCC、以及若干220 V 配電板和UPS 進行配電。

本船由6 臺全回轉推進器組成，根據DP-3 要求分為3 組［5］。應急關斷系統設計緊密依靠此3組電力系統分隔進行分散式設計，如圖1 所示［1］。

圖1 DP-3分組

1.2 設計思路

1.2.1 應急關斷系統的配置

該船采用GE 的應急關斷系統，系統組成如下：

（1）兩套應急關斷控制站，每套控制站由1 個主控制柜和1 個信號采集柜組成，每套控制站都包含輸入/輸出模塊、冗余控制器以及和其他系統之間的硬點/軟點的通訊接口，控制器本身滿足安全完整性等級SIL 2 的要求；

（2）3 個安全操作工作站（和火氣系統共用）；（3）雙冗余網絡；

（4）4 塊帶應急關斷按鈕和指示以及火氣系統指示的矩陣板；

（5）若干安裝在船上重要位置的能激活應急關斷系統相應等級的就地應急關斷按鈕。

因該船總長約210 m，所以2 個主控制柜和2個信號采集柜各分為前后兩組，一組位于船首生活樓里面，一組位于船尾集控室中，以便于相應電纜的敷設和節省電纜。

1.2.2 應急關斷系統的網絡

應急關斷系統由兩個網絡組成，一個是SIS 信息網絡，一個是SIS 安全網絡，兩個網絡都是冗余的，并且相互獨立互不影響；同時SIS 信息網絡和全船集中控制系統IAS 網絡進行通信［4］，實現數據共享。

SIS 信息網絡（SIS Information Network）：應急關斷系統通過專屬的信息網絡連接到連接在中控網絡上的3 個安全工作站，以便操作員監視和控制應急關斷系統。同時，因為信息網絡連接到中控網絡，所以應急關斷系統也可以實現從中控系統控制站上監視和控制。

SIS 安全網絡（SIS Safety Network）：該網絡用于連接所有的應急關斷和火氣安全系統，這是一個具有雙重冗余的安全完整性等級SIL 3 專有協議，基于以太網的網絡，任何其他系統/設備都不能連接至該網絡中。

艏部和艉部的應急關斷控制柜直接通過專屬的安全網絡相連接以確保艏艉組成一個完整的應急關斷系統，實現控制邏輯的完整性和統一性。

1.2.3 應急關斷系統等級的劃分

該船的應急關斷系統分為4 個等級。

（1）4 級：棄船關斷

此系最高等級的關斷，僅僅在棄船前激活，用于隔離不間斷電源及其電池、應急發電機開關、應急配電板。

（2）3 級：火氣關斷

● 3-3 級：主要區域火氣關斷

該級關斷包含DP 左舷部分電源、DP 中間部分電源、DP 右舷部分電源、鉆井區域和生活樓區域。

3 個DP 部分電源關斷嚴格根據DP3 要求劃分，用于隔離對應的高壓配電板、低壓配電板及關斷該區域的水密滑門、風機、防火風閘［3］；鉆井區域根據鉆井作業劃分，用于隔離600 V 鉆井變頻配電板和鉆井440 V 輔助配電板；生活樓里面因為人員眾多，從安全性和重要性考慮也劃分了一個較高的等級，用于關斷生活樓防火門、風機、防火風閘。

● 3-2 級：次要區域火氣關斷

該級關斷包含3 個機艙、6 個推進器艙、5 個泵艙、應急發電機室和5 個蓄電池間。這些艙室主要根據DP 和鉆井作業劃分，用于關斷相應區域的油泵、風機、防火風閘、水密滑門，應急發電機室關斷還包括關斷應急發電機，蓄電池間關斷還包括關斷蓄電池充電器。

● 3-1 級：其他區域火氣關斷

該級關斷包含廚房和洗衣間，因這兩房間屬于比較容易著火的區域，用于關斷相應區域的風機、防火風閘、廚房設備、洗衣設備。

（3）2 級：進程關斷

鉆井相關進程的關斷，如泥漿處理系統、固井系統、液壓系統、頂驅系統、絞車系統等屬于鉆井包的關斷范圍。

（4）1 級：設備關斷

單個設備的關斷，屬于每個設備自身的關斷范圍，如鍋爐、焚燒爐的應急停止。

1.2.4 應急關斷系統的接口

應急關斷系統將會從火氣探測系統接收信號，并將信號發送至需要關斷的設備。主要與其他系統的接口如下：

（1）火氣探測系統

（2）中控系統

（3）主發電機組

（4）應急發電機組

（5）不間斷電源

（6）風機和油泵相關的配電系統

（7）防火風閘系統

（8）水密滑門系統

應急關斷系統主要接收從火氣探測系統探測到的火災、可燃氣體和有毒氣體的確認信號，從而關斷相應區域的相關設備，如風機、油泵等，以降低可能會造成的影響。應急關斷系統還會從火氣探測系統接收防火風閘的關斷信號，從而關斷相應的風機，以實現風閘與風機的連鎖。

就地設備（如風機和油泵），原則上是從上一級的配電板、馬達控制中心或分電箱上實現關斷，從根源上關斷其電源，更加安全可靠。

1.2.5 技術方案的輸出

完整的技術方案輸出圖紙清單如下：

（1）應急關斷系統規格書

（2）火氣系統規格書

（3）火區的劃分

（4）火氣探測系統的布置圖

（5）火氣探測系統的回路圖

（6）應急關斷系統的輸入輸出清單

（7）火氣系統的輸入輸出清單

（8）應急關斷系統的因果邏輯圖

（9）火氣系統的因果邏輯圖

（10）安全系統設備清單

（11）應急關斷系統圖

1.3 系統特點

（1）安全性高。單個區域發生火災或探測到氣體不會對相鄰區域造成影響，特別是對DP 和鉆井操作的影響減小到最小。

（2）可靠性高。本系統配有滿足SIL2 要求的三重冗余控制器和雙重冗余網絡，增加了系統的可持續性。

（3）自動化程度高，本系統設有手動、自動和越控抑制模式，能滿足各種條件下的使用要求。

（4）操作方便，本系統在控制站設有3 個工作站和4 個Matrix 板，方便操作、報警和指示。

1.4 IO點

對于本項目，應急關斷系統約有520 個硬點，其中不包括風閘關斷的硬點。原則上對于一般的IO 硬點采用正常通電NE（Normally Energized）信號，不具備線路監測功能，對于影響DP 和鉆井作業相關的IO 點采用正常不通電NDE（Normally De-energized）信號，并具備斷線監測功能。

2 結 語

隨著深水鉆井作業的日益增加，DP-3 應用會越來越多，適用于DP-3 的應急關斷系統也將得到廣泛應用，特別是在作為主流船型的DP-3 緊湊型深水鉆井船上。

本文通過對DP-3 鉆井船應急關斷系統的研究分析，結合DP-3 的相關技術要求，對DP-3 類型鉆井船的應急關斷系統的設計進行匯總整理，內容涵蓋應急關斷系統的配置、網絡、關斷等級的劃分、系統的接口和技術文件的輸出。全面性地對DP-3鉆井船的應急關斷系統設計進行剖析和設計說明，可為同類型海洋工程項目應急關斷系統設計提供參考依據。