海洋鉆修機(jī)“柴改電”技術(shù)方案研究與實(shí)施

丁 輝，余俊雄，彭湘桂，黃永鋒，崔朋朋

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津300459；2.中海油能源發(fā)展采油公司 天津300459)

目前，中海油渤海油田擁有上百臺(tái)海洋鉆修機(jī)，其中有近20 臺(tái)的海洋鉆修機(jī)采用柴油發(fā)電機(jī)組供電，有近30 臺(tái)的海洋鉆修機(jī)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。海洋鉆修機(jī)所配置的部分柴油發(fā)電機(jī)組、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不符合排氣污染物排放要求[1]，另外海洋鉆修機(jī)的應(yīng)急電源、電源脫扣、防提斷及絞車(chē)失電剎車(chē)等問(wèn)題也給鉆修井作業(yè)帶來(lái)一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，而且柴油發(fā)電機(jī)組、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家、型號(hào)各異，給設(shè)備運(yùn)維管理帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。

隨著渤海油田電力組網(wǎng)、岸電應(yīng)用及海洋鉆修機(jī)電控系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展與成熟，為海洋鉆修機(jī)“柴改電”技術(shù)研究提供了技術(shù)保證。2020 年12 月，渤海油田某平臺(tái)HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)供電的升級(jí)改造。

1 原HXJ180DB海洋鉆修機(jī)系統(tǒng)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

最大鉤載1 800 kN；井架凈空高42 m；整機(jī)移動(dòng)方式為液壓機(jī)械移動(dòng)；發(fā)電機(jī)組800 kW×3 臺(tái)(柴油機(jī) KTA38，發(fā)電機(jī) HCM734E1)；鉆井絞 JC24(846 kW)；泥漿泵F-800×2 臺(tái)(580 kW×2)；頂部驅(qū)動(dòng)Canrig 4017AC-1226(300 kW)；儲(chǔ)能器FKQ640-7；整機(jī)傳動(dòng)方式AC-VVVF-AC(絞車(chē)、頂驅(qū))/ACSCR-DC(泥漿泵)。

1.2 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)

HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)由3 臺(tái)康明斯發(fā)電機(jī)組提供690 V 電源至海洋鉆修機(jī)電控系統(tǒng)。690 V 電源一路經(jīng)整流單元為絞車(chē)、頂驅(qū)及制動(dòng)電阻供電，一路經(jīng)直流調(diào)速單元給2 臺(tái)泥漿泵供電。通過(guò)降壓變壓器，將690 V 電源變?yōu)?00 V 電源給海洋鉆修機(jī)400 V 用電設(shè)備供電。再通過(guò)降壓變壓器，將400 V電源變?yōu)?30 V 電源用于照明設(shè)備。HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)電控系統(tǒng)單線圖如圖1 所示。

圖1 HXJ180DB海洋鉆修機(jī)電控系統(tǒng)單線圖Fig.1 Single line diagram of electrical control system of HXJ180DB offshore drilling and workover rig

1.3 海洋鉆修機(jī)的主要問(wèn)題

①HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)發(fā)電機(jī)組無(wú)法滿足排氣污染物排放要求，且柴油機(jī)組故障率高、運(yùn)行不穩(wěn)定，給鉆修機(jī)作業(yè)帶來(lái)了一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

②HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)無(wú)應(yīng)急電源，配套的儲(chǔ)能器、絞車(chē)盤(pán)剎液壓站等關(guān)鍵設(shè)備未按標(biāo)準(zhǔn)要求接應(yīng)急電源[2]。

③HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)火氣系統(tǒng)不具備主電源脫扣功能，且未按要求接入平臺(tái)中控火氣盤(pán)。

④HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)電控系統(tǒng)失電與盤(pán)剎系統(tǒng)無(wú)互鎖功能，絞車(chē)系統(tǒng)未安裝鉆機(jī)防提斷裝置[3]。

2 升級(jí)改造技術(shù)研究

2.1 改造思路分析

HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)由原發(fā)電機(jī)組供電改為平臺(tái)直接供電，同時(shí)對(duì)鉆修機(jī)電控系統(tǒng)和火氣系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，以滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

平臺(tái)可提供 10.5 kV(1 300 kW)電源、400 V(400 kW)動(dòng)力電源、400 V(50 kW)應(yīng)急電源及230 V(30 kW)應(yīng)急電源各一路。為滿足鉆修機(jī)絞車(chē)、頂驅(qū)、泥漿泵主電機(jī)(690 V)和鉆修機(jī)照明系統(tǒng)(230 V)供電需求，需增加10.5 kV/690 V、1 600 kVA、50 Hz 和400 V/230 V、50 kVA、50 Hz 降壓變壓器各一臺(tái)。HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)“柴改電”后電控系統(tǒng)單線圖如圖2 所示。

2.2 鉆修機(jī)用電負(fù)荷校核

根據(jù)海上石油固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[4]，對(duì)海洋鉆修機(jī)的用電負(fù)荷進(jìn)行校核。HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)在鉆井工況時(shí)最大用電負(fù)荷為1 656.39 kW，在大修工況時(shí)最大用電負(fù)荷為 1 314.86 kW。HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)用電負(fù)荷計(jì)算表參見(jiàn)表1。

圖2 HXJ180DB海洋鉆修機(jī)“柴改電”后的電控系統(tǒng)單線圖Fig.2 Single line diagram of electric control system of HXJ180DB offshore drilling and workover rig after “diesel to electricity”

表1 HXJ180DB海洋鉆修機(jī)用電負(fù)荷計(jì)算表Tab.1 Electrical load calculation table for HXJ180DB offshore drilling and workover rig

2.3 鉆修機(jī)火氣系統(tǒng)改造

HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)火氣系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)火氣探頭、手動(dòng)報(bào)警站、平臺(tái)狀態(tài)燈、FM200 釋放抑制按鈕、報(bào)警燈鈴、火氣盤(pán)、盤(pán)面報(bào)警顯示等組成。能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)輸入、輸出信號(hào)，并做出邏輯判斷，啟動(dòng)相應(yīng)的報(bào)警燈鈴，并將系統(tǒng)內(nèi)火氣報(bào)警信號(hào)傳送到平臺(tái)中控室；還應(yīng)在接收到火災(zāi)報(bào)警信號(hào)后，觸發(fā)主電源脫扣和FM200 消防系統(tǒng)。HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)火氣系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 HXJ180DB海洋鉆修機(jī)火氣系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of fire gas control system for HXJ180DB offshore drilling and workover rig

鉆修機(jī)火氣系統(tǒng)的信號(hào)邏輯運(yùn)算、輸出動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間要求在50 ms 之內(nèi)，且不受多個(gè)輸入輸出信號(hào)及操作員對(duì)系統(tǒng)操作的影響，系統(tǒng)控制器負(fù)載不能超過(guò)額定負(fù)載的50%，均有自動(dòng)檢測(cè)和診斷功能。

2.4 鉆修機(jī)電控系統(tǒng)失電保護(hù)

HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)絞車(chē)電機(jī)失電或電控系統(tǒng)變頻器故障導(dǎo)致失電時(shí)，其電控系統(tǒng)PLC(UPS 電源供電)給出失電信號(hào)，通過(guò)PROFIBUS-DP 通信協(xié)議將失電信號(hào)傳輸至絞車(chē)盤(pán)剎系統(tǒng)，觸發(fā)緊急剎車(chē)電磁閥，從而實(shí)現(xiàn)絞車(chē)盤(pán)剎的工作制動(dòng)和駐車(chē)制動(dòng)同時(shí)動(dòng)作，防止在絞車(chē)主電機(jī)失電的情況下，由于主電機(jī)懸停功能失效或誤操作等，造成游動(dòng)系統(tǒng)下砸的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 鉆修機(jī)防提斷改造技術(shù)

HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)通過(guò)電控系統(tǒng)PLC 邏輯控制來(lái)實(shí)現(xiàn)防提斷功能，本次防提斷改造技術(shù)與傳統(tǒng)海洋鉆修機(jī)防提斷裝置改造技術(shù)[4]在邏輯控制方面有一定差異，但最終均是通過(guò)控制絞車(chē)盤(pán)剎系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)防提斷改造技術(shù)原理主要是從儲(chǔ)能器司鉆控制盤(pán)PLC 中取一路防噴器組關(guān)閉信號(hào)，將此信號(hào)傳輸至鉆修機(jī)電控系統(tǒng)PLC 控制程序中，由電控系統(tǒng)PLC 給出兩路邏輯指令信號(hào)，一路控制絞車(chē)主電機(jī)懸停(電機(jī)轉(zhuǎn)速為0)，另一路控制絞車(chē)盤(pán)剎系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)在防噴器組關(guān)閉時(shí)，絞車(chē)主電機(jī)懸停和絞車(chē)盤(pán)剎緊急剎車(chē)同時(shí)動(dòng)作的防提斷功能。

3 “柴改電”實(shí)施效果及意義

渤海油田某平臺(tái)啟動(dòng)了HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)“柴改電”技術(shù)改造工作，將海洋鉆修機(jī)配套的3 臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了拆除，接入了平臺(tái)電源，并加裝了變壓器、FM200 及有源濾波器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了海洋鉆修機(jī)電控系統(tǒng)由平臺(tái)供電，同時(shí)將HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)儲(chǔ)能器、絞車(chē)盤(pán)剎液壓站等接入應(yīng)急電源，并對(duì)海洋鉆修機(jī)電源脫扣、火氣系統(tǒng)、防提斷系統(tǒng)及頂驅(qū)互鎖等進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)。2020 年 12 月，HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)完成“柴改電”技術(shù)改造，并開(kāi)展了系統(tǒng)測(cè)試和設(shè)備聯(lián)調(diào)，順利通過(guò)設(shè)備驗(yàn)收。海洋鉆修機(jī)功能完善、操作可靠、性能良好，滿足安全、好用的條件。

海洋鉆修機(jī)“柴改電”技術(shù)的成功實(shí)踐，使得該平臺(tái)的HXJ180DB 海洋鉆修機(jī)在真正意義上實(shí)現(xiàn)“零”排放，走上綠色發(fā)展之路，為其他平臺(tái)海洋鉆修機(jī)的“柴改電”技術(shù)提供了經(jīng)驗(yàn)。

海洋鉆修機(jī)“柴改電”技術(shù)也為海洋鉆修機(jī)由“柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)”改為“交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)”的創(chuàng)新技術(shù)改造提供了可供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

海洋鉆修機(jī)“柴改電”技術(shù)解決了海洋鉆修機(jī)關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)急電源、主電源脫扣、絞車(chē)失電剎車(chē)及防提斷等問(wèn)題，進(jìn)一步提高了海洋鉆修機(jī)的本質(zhì)安全。■