海上自升式钻井平台的电气系统设计
  
作者：谢家纯，华先亮，刘 江，陈逢源   出处：中国船舶与海洋工程网信息中心   分类：海洋工程
   发布时间：2012/3/15 10:35:06

摘要：本文以海上自升式钻井平台的概况着笔，简要介绍其结构特点及主要功能模块划分，并从实现各模块功能上引入了对电气方面的设计，主要包括电站及电力系统、照明及声光信号、内部通信与报警、外部无线电通信、分布式控制系统DCS，和电气设计的几个特点等方面，其中以电站及电力等系统作为重点介绍。

关键词：自升式钻井平台；电气系统；设计

中图分类号：P751 文献标识码：A 文章编号：

Abstract: In this paper, beginning with the general situation of jack-up drilling platform at sea, briefly introduced the structure features and main function modules of the jack-up unit. In order to achieve the functions of the above modules, brought the electrical system design of jack-up unit, mainly including power station and electric power system, lighting and visual & audio signal system, interior communication and alarm system, exterior radio communication system, DCS system, and several features in electrical design etc. Hereinto, power station & electric power system etc. to be weightily introduced.

Key words: Jack-up drilling platform, Electrical system, Design

1 概述

   自升式钻井平台（下文或简称“平台”）作为一种移动式海上油气装备，是海上石油开采链的钻探环节中的重要一员。自上世纪五十年代世界上第一座自升式钻井平台问世并实现在墨西哥湾钻探第一口井以来，历经半个多世纪的发展至今，目前全球已有逾500座自升式钻井平台，约占各种可移动钻井平台（其他有半潜式、钻井船、坐底式等）总数的60%。

自升式钻井平台，常见有300英尺、350英尺、和400英尺等几种，覆盖了深度在110米左右及以内的海域，钻井深度一般约在9000米以上。

当前世界上主流的自升式钻井平台有：美国Le Tourneau公司设计(占34%)的Super系列及WORKHORSE和TARZAN级（其中以Super 116-C为代表具有很高的市场占有率）；新加坡Kfels公司（集团）设计（占25%）的KFELS系列级（其中以KFELS B级最为著名）；新加坡Baker Marine公司设计（占17%）的BMC系列级（其中以BMC 375 Pacific应用最广）； 荷兰GustoMSC公司设计（占10%）的CJ系列级（以CJ70为代表）；中国F&G公司设计（占9%）的JU系列等级（其中以JU2000为代表）及其他公司设计（占5%）的其他型号。

2结构特点及主要功能模块划分

自升式钻井平台总的来说是一种海上钢结构体，参见图1，大体可分为主船体（平台）、桩腿和钻井装置三部分。主船体有水平截面为三角形轮廓或圆形（即圆柱体）等形式，型长和型宽在60～80米范围水平、型深在7～10米范围水平；一般为3条桩腿带桩靴，常见桩腿为三角形桁架式或圆柱体式，桩腿长度一般在130～170米范围水平。钻井装置主要位于平台尾部的钻台上，依托井架实现在海上钻井作业。

图1自升式钻井平台 外视效果图

自升式钻井平台上的主要功能模块有三大块：主船体、作业和生活模块。

主船体模块，即平台主体，提供对所有其他功能模块的承载，并能被拖航于海上，所以有的文献还习惯称自升式钻井平台为自升式钻井船。主船体模块实现水上浮态或在升出水面后的压（配）载以保证平台必要的稳性，并为所有其他功能模块的各种运动机构提供动力。

作业模块，主要包括平台升降、悬臂梁及钻台滑移、钻井和第三方设备如固井等四部分。

生活模块，位于平台首部上建，提供船员日常生活食宿及实现平台各种作业办公或操作。上建生活区模块首部还包括一座直升机平台,用于人员正常往来或紧急疏散。

3电站及电力系统

为了实现上述各种模块的功能，以保障自升式钻井平台的钻井工程的顺利进行，首先要建立一座强有力的电站对各模块的运动机构提供动力。

自升式钻井平台的电站，一般由平台自带的4或5台主用柴油发电机和1台应急或兼停泊用柴油发电机组组成，具有自动电站功能。以某型常见的自升式钻井平台为例，根据电力负荷分析结果（见表1），每台主用柴油发电机组功率约在1530kW，应急兼停泊柴油发电机组功率约在1300kW。

表1 自升式钻井平台 电力负荷分析结果

由于海洋钻井设备一般常见为AC600或660V，自升式钻井平台的电力系统一般也直接设计为低压电制三相三线对地（船体）绝缘系统。同以某型自升式钻井平台为例，电力系统（单线图参见图2）主要由平台总用、平台升降及滑移、钻井电力系统三部分组成。

图2 自升式钻井平台 电力系统单线图

该平台的总用电力系统由5台主发电机和1台应急兼停泊发电机、AC690V主配电板、AC480V主配电板、AC230V主配电板、AC480V应急配电板和AC230V应急配电板各一座等电力设备组成，实现对平台上包括平台升降和钻井电力系统在内的所有电力系统设备的馈电。

该平台钻井电力系统中的主重要钻井设备，如泥浆泵、顶驱、绞车、转盘等，由AC690V主配电板馈电：通过移相变压器构成虚拟24脉变频系统，采用公共直流母排方式来变频驱动。辅助钻井系统设备，如泥浆泵风机及喷淋泵等辅助泵、盐水输送泵、基油输送泵、泥浆搅拌器，及灌注泵等等，则由AC480V主配电板馈电：通过对称的两个“480V钻井马达控制中心”加以驱动。钻井系统设备中的BOP（防喷器）蓄能器等涉及安全的重要设备，则由AC480V应急配电板来馈电，其系统控制电源来自UPS（不间断电源）。

该平台的升降、悬臂梁及钻台滑移机构皆采用齿轮齿条方式，其齿轮由变频驱动电机通过减速齿轮箱带动。平台升降及滑移电力系统同样采取了虚拟24脉的公共直流母排变频驱动方式。由于平台的升降及滑移工况与钻井工况的错开，该型平台升降及滑移电力系统的移相整流模块就直接借助于钻井电力系统，通过直流母排直接对接形式实现。

根据电力负荷分析结果，自升式钻井平台电力系统的最大短路电流是在重压钻井工况下，其中一台主发电机发生故障需要脱离电网前，将原承担负载转移到备用主发电机过程中发生。根据电力系统短路电流计算结果，发生最大短路电流的AC690V主配电板汇流排一级，其值约在55kA左右的水平。

由于平台钻井电力系统和平台升降及滑移电力系统皆采取了变频驱动方式，不可避免会给全船电力系统带来谐波的不利影响。虽然电力系统谐波分析结果满足规范要求，但考虑实际效果可能与理论计算的偏差，在AC690V主配电板上备用了一些开关，准备接有源滤波器，以降低实际谐波可能带来的影响程度。

应规范要求和部分系统设备实际工作需求考虑，平台电力系统还配备了不间断电源（UPS）和纯净电源（供电无线电等设备）。

4照明及声光信号

自升式钻井平台的照明系统，为保障平台上各功能模块的日常工作和人员生活，发挥着重要作用，并贯穿整个平台的使用周期，分为正常照明、应急照明和临时应急照明三部分。其中的应急照明在正常情况下作为正常照明的一部分，临时应急照明一般由部分应急照明设备（灯具）自带半小时以上放电容量的蓄电池，在正常或应急主电源失去时逆变实现供电。

自升式钻井平台的航行、信号灯，根据IMO海上避碰规则有关要求：一般在顶层甲板的灯桅上设有锚灯和失控灯；在悬臂梁的尾部设有锚灯和艉灯；在主甲板两舷侧最宽处，各设有舷灯。航行、信号灯系统的设计要求，自主配电板和应急配电板直接或通过变压器供电到航行、信号灯专用分配电箱。分配电箱内实现电源自动转换，并具有主电源失电发出声光报警功能。一般在一块MIMIC（模拟）指示板上实现航行、信号灯的点对点的控制，该指示板同时具有灯熄灭自动发出声光报警功能。其中声音报警用电来自单独一路电源，光电报警用电若串自航行、信号灯的主线路，则应采取措施以避免光电报警故障导致航行、信号灯熄灭。

自升式钻井平台上直升机平台的助降照明系统设计，主要参照ICAO的CAP437指南要求，配有边界灯、投光灯和放光风向袋等。

雾笛及障碍灯系统的设计，主要考虑到过往船只或飞机对正常作业自升式钻井平台的影响。障碍灯一般在平台的立体的外轮廓线上配置，包括水平面上的直升机平台艏部、悬臂梁艉部、主甲板两侧（桩腿围栏外侧）；竖立面上的桩腿顶端、甲板克令吊固定机座顶部及吊臂最前端、井架顶部及二层平台四面等。雾笛一般就置于生活模块顶部甲板。当然平台上的雾笛及障碍灯系统的设计，也要兼顾到在平台被离弃后，在一定时间内继续发挥作用，也即考虑离弃平台对过往船只或飞机的影响，所以入级规范对雾笛及障碍灯系统的工作电源要求配有UPS，并且容量要达到离弃平台后96小时的用电要求。

5内部通信与报警系统

自升式钻井平台上的内部通信与报警系统，为保障平台上各功能模块的日常工作和人员生活，同样发挥重要作用，主要包括PA&GA、自动电话、共用天线娱乐系统、局域网、病房呼叫、冷库误关报警、CO2施放报警、及机泵舱声光报警等系统。

自升式钻井平台上的火气探测与报警系统，同属内部报警系统大类，但由于其特殊重要性，一般习惯上又显得相对独立，单独设一分系统。火气探测包含火情探测和可燃气体探测两部分，并且在重要区域设有多个探头，以做探测结果上的因果逻辑判断，进而决定是否发出相关报警信号。

6外部无线电通信系统

自升式钻井平台的外部无线电通信系统，为实现平台与作业海域外的船基或岸基之间进行海上遇险与安全通信，保障平台上人员的生命安全而设。应IMO MODU CODE的最低要求，主要配有：一套主用GMDSS系统，包括MF/HF电台、卫通C站、VHF/DSC装置、NAVTEX接收机、EPIRB、雷达应答器、双向VHF电话及专用蓄电池和分电箱等；一套备用GMDSS系统，以A3海区为例，包括MF/HF电台+VHF/DSC装置等，或卫通C站+VHF/DSC装置；一套航空VHF无线电收发机；一套航空无线信标收发机。其他无线电通信设施有卫通F站等。

7分布式控制系统DCS

分布式控制系统是伴随着计算机及网络技术和现场总线技术的发展而产生，是一种综合性管理系统，方便管理人员集中监控各个分项功能系统。自升式钻井平台上的分布式控制系统，一般采用双冗余的总线式的网络结构，参见图3，主要包括三个PC工作站，和过程控制、平台安全、火警及闭路电视监控三大分系统，涉及到预压载、液位测量、机舱设备监测报警、环境监测、输灰、火气探测、水密门及舱盖监测、防火风闸、消防泵控制、CO2施放、PA&GA、泥浆仪表、应急切断等功能系统。其中应急切断系统直接关乎并保障平台的安全，分为四等七级，从程度由低向高上看，有三等A级（切断生活区域风机和风闸）、三等B级（切断厨房风机、风闸和用电设备）、三等C级（切断机械处所风机及风闸）、三等D级（切断机械处所的油泵及燃油设备）、二等（切断主发电机和主机舱风闸）、一等（切断应急发电机和应急发电机室风闸，并作二等切断）、零等（弃船并作一等切断）。应急切断系统同火气探测系统一样，具有因果逻辑分析判断功能，防止偶然发生的故障触发误动作。

图3 自升式钻井平台 分布式控制系统网络结构图

8电气设计的几个特点

自升式钻井平台的电制，自有史以来基本都是采用低压电制。从实际平台上的调研和制造厂的反馈意见来看，低压电制带来电缆的庞大的数量，并确实给实际建造过程中的敷设带来很多困难。从技术上讲，中压电制是适用的。有待在将来的平台设计建造中，结合整套方案造价等综合因素的条件发展，看看是不是能够形成一个突破。

自升式钻井平台用的电气设备，包括电缆在内的重量及外形尺寸的控制，关系到电气系统设备的安装，及整个平台的重量控制及重心的分布。所以一开始在进行电气有关系统设计选型时，就尽量做到优选重量较轻的，尺寸较小的同类型设备。

与钻井作业相关的固井、测井和完井等都是很专业的过程，一般由第三方后期提供设备并完成作业。在进行平台电气系统设计时，要做到充分了解并提供供电及信号接口。

其他诸如电缆拖链、耐泥浆电缆的应用等，也是自升式钻井平台电气设计的一些特点。

9 结语

限于篇幅和作者水平，有关海上自升式钻井平台的电气系统设计，暂就简要介绍到此。

可以预见，随着现代社会发展对石油需求的快速增长、石油本身储量的减少和地缘政治及投机等因素推动石油价格的上涨，导致勘探生产成本的上升，外加陆上石油产量的约束，以及海上钻井平台的老化，特别是上世纪七八十年代建造的占居现存总量百分之七十多^【1】的自升式钻井平台将近达到设计使用年限而被淘汰，海上自升式钻井平台必将迎来新一轮的发展高峰。

［参考文献］

[1] 陈宏. 自升式钻井平台的最新进展[J]. 中国海洋平台，2008，23(5):1-7.