錦州25-1海洋鉆機電控系統的方案設計

郭海峰 中海油能源發展裝備技術有限公司

一、前言

錦州25-1WHPB模塊鉆機位于中國渤海海域錦州25-1WHPB平臺上，是標準化設計的模塊化鉆機，也是渤海油田標準化設計的首次應用。為了響應國家國產化的口號，很多國產化的鉆采裝備在該項目中得到了應用，使我國的石油工業得到了進一步的發展。

錦州25-1油田6/11井區共鉆井29口，其中包括7口水平井和22口定向井，其總進尺為123659m（其中含領眼段長度1062m），平均井深為4264m（不含領眼井段平均井深4227m），最大井深為5358m，最大水平位移為4435m，最大水垂比2.3。

二、鉆機電控系統的總體設計方案

該模塊鉆機電控系統的設計依據相關行業標準規范，結合渤海海域實際情況及水力學計算分析，能夠滿足錦州25-1WHPB平臺7000米鉆井[1]深度的工作參數和性能要求。

新的設計亮點，新的國產裝備應用，新的思維轉變，錦州25-1WHPB平臺模塊鉆機必將打造成標桿化的精品工程。

JZ25-1WHPB平臺模塊鉆機電驅動控制系統的設計、制造要依據“安全、可靠、先進和經濟、實用”的原則，滿足平臺鉆井工藝需求，所有電氣設備防爆技術要求嚴格按照安全專業危險區域劃分執行[2]。

執行GB、API、IEC，IEEE或NEMA等標準要求；適用于海洋環境且有較高的抗腐蝕性。

電控系統設備在海洋環境下的設計壽命為25年。

供電電制

系統電源采用國家標準，電源等級為：

690V AC 3Ph 3W 50Hz：負載為絞車電機、轉盤電機和泥漿泵電機；

400V AC 3Ph 3W 50Hz：負載為灌注泵、混合泵、攪拌器和空調風機等等；

230V AC 3Ph 3W 50Hz：負載為照明、電伴熱和插座等等；

115V AC 1Ph 2W 50Hz：負載為火氣、通訊和控制電源等等。

三、供配電系統

JZ25-1WHPB平臺的6.3kV母線為鉆機提供兩路主動力電源，通過兩臺6.3kV/ 0.69kV/5000kVA的降壓變壓器為690V母線提供動力。整個690V母排被分成LA6和LB6兩段，為模塊鉆機的主要負載（絞車、高壓泥漿泵、轉盤和頂驅）供電，同時為了確保鉆井期間的供電穩定性，模塊鉆機配置了1臺690V、1500kW備用柴油發電機。

為減少模塊鉆機電力系統的諧波電流畸變，電控變頻系統采用IGBT有源整流裝置，使電流畸變率符合相關規范的要求。

系統總單線原理圖如圖1所示：

圖1 系統總單線原理圖

1.正常電源供電

6.3kV 4300kW 2路：平臺提供主電源；

690V 4300kW 2路：模塊鉆機通過兩臺6.3kV/690V干式變壓器自變；

400V 1000kW 2路：模塊鉆機通過兩臺0.69kV/0.4kV干式變壓器自變；

230V 130kW 2路：模塊鉆機通過兩臺0.4kV/0.23kV干式變壓器自變；

中性點接地方式采用中性點絕緣。

2.應急電源供電

在主電源因故障突然失電的情況下，模塊鉆機需要應急電源，確保井下安全、應急情況下基本的鉆井作業和極端情況下的人員逃生。

690V 1500kW 1路：模塊鉆機自備柴油發電機滿足臨時應急主動力電源；

400V 100kW 1路：平臺提供應急輔助動力電源；

230V 30kW 1路：平臺提供應急照明及小功率電源；

230V 30kW 1路：平臺提供應急電伴熱電源。

3. UPS電源供電

UPS交流不間斷電源為單相115V 50Hz電源，以便在主電源和應急電源發生故障時，給通迅設備、火災探測、儀表控制以及電氣脫扣等系統供電；

115V 8kW 1路：平臺提供UPS電源。

4.干式變壓器

變壓器間內安裝有兩臺5000kVA-6.3kV/ 0.69kV主動力變壓器，兩臺1250kVA-690V/ 400V動力變壓器，一臺160kVA-400V/230V照明及小功率設備變壓器和一臺160kVA- 400V/230V電伴熱變壓器。變壓器的防護等級為 IP23，絕緣等級為F級，溫升等級為B級。變壓器帶帶風冷裝置（含溫度控制器）

提供的變壓器一次側設計并配置2X±2.5%的抽頭。

變壓器進出線方式為下進下出。

1） 5000kVA 6.3kV/0.69kV變壓器

基本參數

類型：干式變壓器；

數量：2臺；

阻抗：8%；

組別：Dy11；

長寬高：3400*2000*2500mm。

690V母排A段與400V母排A段聯接一個變壓器，690V母排B段與400V母排B段聯接另一個變壓器，兩臺變壓器都使用在正常的供電系統中，向DSM和DES的MCC系統及平臺輔助設備提供動力電源。

2） 1250kVA 690V/400V變壓器

基本參數

類型：干式變壓器；

數量：2臺；

阻抗：5%；

組別：Dy11；

長寬高：2200*1350*2100mm。

690V母排A段與400V母排A段聯接一個變壓器，690V母排B段與400V母排B段聯接另一個變壓器，兩臺變壓器都使用在正常的供電系統中，向DSM和DES的MCC系統及平臺輔助設備提供電源。

3） 200kVA 400V/230V變壓器

基本參數

類型：干式變壓器；

數量：2臺；

阻抗：4%；

組別：Dy11；

長寬高：1500*1000*1400mm。

在400V母排A段和DSM中的230V母排之間，主要給正常照明及小功率設備和管線的電伴熱等負載提供電源。

5. MCC及低壓配電系統

電控柜內部連接線使用絕緣等級為690V/1000V的船用銅絞線，截面積不小于1.5mm2、所有電纜為船用鎧裝電纜，正常供電回路為HOFR（耐熱、耐油、阻燃型），應急供電回路為FS（防火型）電纜、柜體內的連接線采用線管或者線槽整齊布線，線管或線槽預留20%空間，以滿足后期增加電纜的使用要求。

配置足夠數量和容量的交流電機啟動供電回路，并按20%供控制和供電回路備用[3]。所有交流電機均需可集中控制，兩地操作。MCC系統采用抽出式柜體，啟動裝置放在MCC房間內，在電機旁設置就地控制按鈕。

6.電力系統潮流分析

本項目多傳動變頻方案采用IGBT整流[3]，在計算中考慮部分整流單元故障情況，對母線貢獻部分短路電流，在模型中進行等效。發電機的參數如表1所示：

表1

計算基礎以及公式基于牛頓-拉夫迅算法 ETAP11.1.1電力系統分析計算軟件。以下操作工況被考慮：

（a）鉆機 690V 斷路器 ACB4 處于閉合狀態

（b）鉆井工況：高泵載工況

（c）鉆機 400V母聯斷路器ACB16處于閉合狀態

（d）鉆機變壓器AB一次側分接頭調節至-0.5%

（e）鉆機變壓器CD一次側分接頭調節至-2.5%

結果：根據圖2潮流計算分析，本計算中最高電壓降來自于高泵載鉆井工況，電壓降為2.79%，該值滿足設計要求。

圖2 潮流分析結果

四、PLC網絡控制系統

PLC控制器選用西門子公司的SIMATIC S7-400H產品，組態軟件WinCC7.3。

PLC采用模塊化程序指令集進行組態，具有自診斷功能，能夠對系統狀態與報警信號進行顯示及故障分析；采用光纖通訊和通訊電纜通訊；鉆井電機具有手動控制和PLC自動控制功能，并可互相切換；PLC具有故障記錄、重要參數修改記錄功能，并可以從PLC上進行讀取；

鉆機控制系統以觸摸屏作為信息顯示及操作載體，對整個模塊鉆機電控系統進行實時監控絞車、泥漿泵和轉盤等設備，通過畫面顯示鉆機中各設備運行狀況，并提供各種設備的故障診斷和報警信息。創建了一個智能化、信息化和數字化的管理平臺，最終實現對鉆機系統的遠程數據傳輸和故障診斷及監控，優化控制和檢測整個鉆井工作。

PLC綜合控制柜網絡如圖3。

圖3 綜合控制柜網絡

五、結束語

錦州25-1WHPB平臺7000米模塊鉆機的詳細設計，順利通過了中國船級社的檢驗。如今已建造完成，到了鉆井使用階段，得到了作業公司的好評！該項目是我國在海洋石油工業獨立自主的進一步實踐。在走向深水勘探的路途中，我們海油人應該更加努力，不斷超越自我，爭做世界能源公司的排頭兵！