自升式钻井平台升降系统交流传动配置与控制

袁飞晖，张纪昱，张明铭，杨雪莲

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)



自升式钻井平台升降系统交流传动配置与控制

袁飞晖，张纪昱，张明铭，杨雪莲

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

为研究钻井平台升降传动控制系统的共性问题，结合现代电气传动控制理论，提出应用于升降系统的多种交流传动方案，在理论层面对高性能矢量控制和直接转矩控制的适用性进行分析，建立基于磁链控制的模型。基于JU 2000E型自升式钻井平台的基本设计，得到升降系统常规变频传动的主要驱动配置及应用设计，包括操作功能模式设计和电气传动保护功能设计。经项目升降试验验证，该传动配置及功能设计能满足各种工况的操作，符合规范要求。为自升式钻井平台升降系统的后化、升级和应用提供参考。

自升式平台；升降传动系统；电磁转矩；转子磁链；矢量控制；保护

0 引言

升降系统是自升式钻井平台的关键系统之一，它通过对桩腿的提升、下放实现整个平台主船体与海平面的相对位置调整，主要用于修钻井、完井和测井等作业工况。研究比较新建和在建自升式钻井平台的升降系统配置，提出其中的共性问题，对于选配、使用和制造升降驱动控制系统具有重要的参考意义。本文基于目前市场上主要应用的电气驱动式平台升降控制系统，结合现代电气传动控制理论，对自升式钻井平台升降系统交流传动系统的配置与控制进行研究，为升降控制系统的优化、升级和应用迁移提供参考。

1 升降系统基本构成及应用概述

1.1 升降系统的海上应用

应用于现代海上平台的升降系统有：液压油缸顶升插销式和齿轮齿条爬升式两大类。前者利用液压油缸中活塞杆的伸缩运动带动环梁运动，用锁销将环梁和桩腿锁紧实现桩腿的往复升降。由于受水深限制，液压油缸顶升插销式系统一般应用于作业水深不超过60 m的平台中，一般与圆柱、方形桩腿配合使用。后者采用电机或液压马达作为驱动源，经齿轮减速机构带动爬升小齿轮，沿桩腿弦梁上布置的齿条运动，实现桩腿升降驱动，整个桩腿总成高度由应用冰域的水深决定，通常为120～190 m，广泛应用于自升式钻井平台及风电安装船上。

1.2 升降系统基本构成

由于电气传动技术的高速发展，齿轮齿条爬升式升降系统的驱动源若采用电机，将使整个升降驱动控制系统的安全性、节能性和环保性得到提升，因此，基于电气传动方案尤其是变频驱动的自升式钻井平台升降系统获得了广泛的应用。该系统一般由电气驱动、控制部分及机械传动部分组成，电气及控制部分主要包括中央控制台、变频驱动装置、电机控制中心，机械部分主要包括升降单元总成(驱动电机、齿轮减速箱、驱动轴刹车单元)、刚结构安装件、升降单元安装架总成及桩腿弦管齿条等。

一般地，自升式钻井平台有3个桁架式桩腿，呈三角形布置，每个桩腿有3根主弦梁，每根弦梁包含1根双侧齿条，其中每根主弦梁齿条每侧与3个小齿轮啮合，即每根主弦梁上啮合6套升降单元，每个桩腿共有18套升降单元，整个平台共54套升降单元。这种类型最为常见，被广泛应用于Friede & Goldman JU 2000E型、Super M2型及Gusto MSC CJ46和CJ50型系列平台中。此外，还有一种单个升降单元驱动主、从2个小齿轮的方案，其中每根主弦梁齿条每侧与4个小齿轮啮合，即每根主弦梁上啮合4套升降单元，每个桩腿共有12套升降单元，整个平台共36套升降单元[1]，这种升降单元能提供更大的提升载荷。

1.3 升降系统的交流传动方案分析

升降驱动控制系统根据不同的电气传动方案有不同备选方式，对于海上自升式平台、船舶的设计、选择需要根据实际需求进行。传统驱动方案有：感应电机直接启动和感应电机自耦变压器启动；新型驱动方案有：异步电机变压变频调速、永磁同步电机自控变频调速、异步电机矢量控制和直接转矩控制等。

(1) 感应电机直接启动运行方式。该方式也称为全电压启动，单台电机启动电流为额定电流的5.5～7.0倍[2]，考虑到升降系统的运行特点，即使单个桩腿进行操作，也至少需要18台升降单元电机同时启动，平台电站该电压等级下的母排会形成较大的电压降。

(2) 感应电机自耦变压器启动运行方式。选用抽头可选的自耦变压器，使电机的启动压降控制在一定范围内，这样就可以获得折中的启动转矩及启动电流，并满足

式中：Ts′为经自耦变压器抽头启动转矩；Ts表示全电压启动转矩；UN为原边侧全电压；U′为电机启动时定子侧由抽头的接入电压；Is′为自耦变原边侧线电流；Is′为副边侧线电流；N1为原边侧线圈匝数；N2为副边侧线圈匝数。

该降压启动方式为分步跳跃上升恒压式启动，启动过程中存在再次冲击电流、冲击转矩、不能软停车等缺陷[3]，这对于升降系统非必要紧急故障下的停车是不利的，会折损机械传动部件的使用寿命。

(3) 永磁同步电机自控变频运行方式。利用同步电机同步转速的跟随特性，使通定子电源频率可调，从而对电机同步转速进行调节，利用转子侧位置编码器检测磁极位置以调整定子电流频率和相位，从而获得输出转矩控制。在升降系统硬件配置上，该方案较传统方案要求高，但是能获得相对更好的功率密度[4]。

(4) 异步电机矢量控制、直接转矩控制方式。在变压变频成熟方案的基础上，对于升降电机转矩的高性能动态响应控制提出了要求，通过电机转速、电压、电流的采样，分别借助转子、定子磁链模型计算出磁链的幅值与相位，从而获得磁链、转矩的闭环控制。该方案增加了数据计算量，但鉴于数字信号处理器固件的运算能力及变频器开关管的工作频率，可增加转矩控制的静、动态性能。

1.4 升降控制系统的构成

升降控制系统基于冗余思想设计，允许故障失效的升降单元个数限定为：对于单个弦梁不超过1个升降单元，单个桩腿不超过2个升降单元，全平台不超过3个升降单元。故障失效是指基于基本设计正常升降的载荷工况，部分或完全失去1个或数个升降单元情况下，升降系统的剩余提升能力。因此，除了失去对应升降转矩外，控制系统还需提供隔离和越控功能，使剩余部分升降单元的驱动不受影响。

自升式钻井平台升降系统通常包括以下部分：升降系统中央控制台，主电源变压器，变频驱动柜，电力配电柜及电机控制中心，负荷转移就地控制台，小齿负荷监测及监控系统，升降单元转矩调整系统，桩腿高度及相位偏差控制系统。升降控制系统如图1所示。

图1 升降控制系统外部框图

中央控制台配有各桩腿升降操作主令按钮、气泡水平仪、电子水平仪和监控操作屏等。在升降控制台实施平台的升、降操作；监控屏可显示每个升降小齿轮所承受的动态负荷或静态载荷(如果配置了升降单元负荷传感器)，弦梁、桩腿的总动态负荷以及升降马达的工作电流、频率、功率和桩腿高度等；电子水平仪实时显视平台的水平姿态。

升降控制系统是基于变频驱动装置以集控为主、分布控制为辅的控制系统。通常，升降操作在中央控制台实施远程集中控制，在本地仅能实现功能有限的单桩腿基本操作，除了中央控制台以外，其余组件均被设计成为各桩腿独立运行服务，这样的设计可以最大限度降低各桩腿之间的运行关联度，有效提升单个桩腿的操纵性，提高整个升降系统的经济可靠性。

电机控制中心通常与变频驱动柜组合作为升降单元的电力驱动输出环节，其主要功能包括：升降单元电机驱动输出执行、升降单元刹车器输出执行、升降单元电机超速监测、电机负荷监测和安全回路监测等。上述的监控、检测信息通过现场总线Profibus-DP与本地设备(变频驱动器、就地控制站和中央控制站)连接互通。

2 升降系统电气传动特点分析

根据交流传动方案，对升降系统而言，不论是恒压频比控制系统，还是基于矢量、直接转矩控制技术的高动态性能系统，其最终的目标控制量都是升降电机的输出转矩。但是转矩的控制比较复杂，尤其是当采用矢量控制时，需对定子电流的励磁分量与转矩分量进行解耦，虽然这一算法由变频器集成实现，但对于控制系统的响应时间和实现成本都会提出要求。

2.1 升降电机电磁转矩分析

以升降系统应用最广泛的三相感应电机为例，根据机电能量转换原理，在多绕组电机、线性电感的条件下，得到电机电磁转矩的瞬时值方程[4](动态模型)为

Te=npLms[(iAia+iBib+iCic) sinθ+(iAib+iBic+iCia) sin(θ+120°)+

式中：iA，iB，iC为电机的定子相电流瞬时值；ia，ib，ic为电机的转子相电流瞬时值；Lms为与定子一相绕组所交链的最大磁通互感；θ为定转子间互感矩阵的相角差初始相位。

由于电感阵的规模为6阶，数学模型计算复杂，必须采用磁动势等效原则的坐标变换，将三相交流坐标系等效为两相旋转直流坐标系，从而简化计算。

2.2 异步电机变压变频控制

以三相感应电机为例，电机最大电磁转矩方程[4]为

式中：Us为定子相电压；ω1为电源角频率；Rs为电机每相定子电阻；Lls为电机每相定子漏感；Llr′为电机每相定子折合后的转子漏感；np为电机极对数。

式(3)为多变量耦合、非线性时变系统，其中Us和ω1与转矩呈正比关系，当升降系统在驱动器预励磁启动或降速停车时，特别在基频以下低速段时，最大转矩较电机额定频率时明显降低。由于定子阻抗压降存在，对于动态性能要求不高的变压、变频升降控制方案，在驱动设计时应对定子压降采取补偿，根据不同的升降负载模式选用不同的参数组及补偿曲线，以获得较好的带载启动能力。

3 升降系统电气传动应用设计

鉴于升降系统机电传动的特点，结合固桩架的结构特性，基于Friede & Goldman JU 2000E型自升式平台基本设计，升级单元的安装布置宜选用转差较大的电机作为升降单元电机。某项目每个桩腿配备一套独立的变频驱动柜，以实现单个桩腿的独立操控；每个变频驱动柜配备4个进线断路器(2组并联)，主回路电抗器和整流、逆变单元。

该项目选用同步转速为1 800 r/min(定子极对数为2)的鼠笼式三相异步电机，在额定工况下，电机输出端至升降单元爬升小齿端的速比为8 175∶1，由最大超速停车限速开关值2 000 r/min[5]，得出驱动允许输出频率区间为[0,66.7]。

变频驱动应用宏根据升降功能模式定义预置于各桩腿变频驱动控制器中，简化参数组的设定，便于模式切换时快速、准确地调用。对于驱动映射，也可采用分层驱动方案，这涉及到最小抬升系统升降电机的配置位置及数量。

3.1 升降操作功能模式要求设计

(1) 中央控制模式是在中央控制台进行平台升降操作的模式，在该模式下，3个桩腿将依次启动，每个桩腿的18台升降单元电机将被驱动。根据JU 2000E平台的基本设计，各桩腿的驱动提升采用互为独立的驱动方案，即对于1个桩腿采用共直流母线方式一对多传动，从而满足单桩腿的独立操作及各升降单元的同步运行。

(2) 负荷转换模式用于实现升降单元小齿轮与锁紧装置齿板间的平台载荷转移，当船体负荷作用在锁紧齿板上时，在升降桩腿前应当先将该负荷转移到升降小齿上，然后再脱出锁紧齿板；反之在桩腿升降操作完成、钻井、湿拖、风暴承载几种工况时，可将锁紧齿板啮合，然后将负荷从升降单元小齿转移到锁紧装置上。在该模式下，被选中桩腿的单弦管6台升降单元将被同时驱动。

(3) 相位偏差调整模式用于调整桩腿弦管高度差，尤其在平台升降、插桩操作时调整由于桩靴接触海床应力导致的桩腿弦管高度差。在该模式下，被选中桩腿的各弦管6台升降单元能按组驱动。

(4)单机转矩分配调整模式的设立可满足对单一升降单元的转矩调整，系统设计时必须考虑对传动系统增加1种单一电机模式，尤其是对升降单元进行检修、更换操作，或当转矩负荷分配差异过大时，需根据升降单元的电机输出转矩范围选择合适转差率区间，即实时各机械特性曲线的最大转矩保持在可调压调频范围内。

3.2 升降传动电气保护功能

图2 电机启动器(ABB)保护特性曲线

(1) 过载保护。根据升降系统的运行特点，各升降单元承受的负载始终为动态分配工况，在不配置负荷传感器的升降系统中，升降单元电机电流经模型转换计算获得小齿轮的提升负荷，在采用高转差功率电机的同时，需采用反时限原理对电机的进行过载保护，对于上级的功率组件VFD同样需采取保护措施，需要满足电动机保护、选择性保护。保护原则是当任一升降电机出现电流过载时按照过载保护逻辑整定值进行反时限脱扣，同时沿电动机断路器至变频器既定脱扣曲线的整定作为后备保护；保护逻辑触发从而切断输出，将闭锁运行直至故障恢复。根据选用的ABB电机启动器开关的保护特性曲线，经实践修正得到速动保护整定区间，如图2所示。

图3 电机转速与执行时间的关系

(2) 超速保护。升降控制系统在电气参数保护的基础上，配置有传感器监控电机的输出轴转速。根据项目实践，同时采用离心式超速开关及增量式编码器进行保护，并在每个桩腿上选择任意2个弦管进行冗余配置，即单个桩腿的任意1个超速保护装置发生动作都会使控制系统采取停车保护措施，从而对任何工况、意外情况下的传动轴超速采取可靠的响应措施。

电机转速与执行时间的关系如图3所示，图3中工况case 1为紧急停止工况，该工况存在故障检测周期、硬件执行时的加速过程，着重考虑平台降落正常操作时重力因素所致最大电机转速作为保护整定基准。工况case 2为超速发生时，在超速保护开关动作前，电机的转速特性及最大降速时间，其中超速保护开关需考虑设备固有的动作误差，本系统依据制造商数据将误差设为20%。工况case 3为故障模式，该工况下升降电机未提供转矩，由于刹车释放失去反作用转矩，在重力势能作用下，通过机械传动使电机呈线性超速，直至触发安保系统动作。工况case 4为编码器超速监测失效模式，当电机转速超过设定值时(该系列项目设定为1 950 r/min)，安全保护系统执行既定保护。

(3) 刹车保护。根据故障安全原则，升降单元的刹车单元采用弹簧自作用、电磁释放型碟刹，具有磨损自调整功能，机械部分配有延伸至刹车外部的连杆，用于手动释放功能，电气部分配备啮合状态开关、刹车磨损检测限位开关、过热开关和空间加热器等。

刹车释放控制根据变频传动输出的刹车释放参考频率值作为逻辑判断依据，在系统设计时首先依据变频器内部的控制状态判断是否满足释放初始状态，即通过驱动频率达到下限值、电机运行信号反馈、转子磁场建立来给定参考频率。在该项目中，根据实践取刹车释放参考频率下限值为0.9 Hz，相对地在升降系统停止时取刹车啮合参考频率上限值为2.4 Hz。升降单元刹车扭矩与动作时间和拟合曲线如图4所示，图中可以看出刹车静态扭矩随指令状态的变化趋势，其中(t2-t1)表示刹车动作后达到80%额定静态扭矩时间，t3表示刹车释放得电时刻，t4表示刹车电磁阀动作完成时刻。

图4 升降单元刹车扭矩与动作时间拟合曲线

4 结语

经过国内外多个项目不同驱动器的实践验证，基于传统电压、频率协调控制的驱动方案成熟稳定，能满足一般正常的升降操作工况。基于现代电气传动控制理论的磁链定向控制技术可应用于高性能响应平台升降操作的各种工况中，包括故障失效模式，可对每组升降单元电机的输出转矩、磁链(转子或定子)进行独立的调节器闭环控制和监测，极大地增加了整个升降平台的操作安全性。当检测到机械传动端引入过载时，可采取措施封闭逆变器功率驱动管，从而使外围断路器的脱扣成为可靠的后备保护，有效防止过载导致的升降单元机械损伤。

从目前的市场实践应用看，多传动矢量控制技术及直接转矩控制技术在大功率钻井交流传动及船舶、平台电力推进方面获得了广泛应用，而在平台升降系统方面的应用却较少，未来可将此作为一个研究方向。

[1] NOV.Technical Specification-Electric Rack & Pinion Jacking System for F&G JU2000E Jack Up Rig [R].National Oilwell Varco,2008

[2] 中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船工程学会.船舶设计实用手册：电气分册[M].3版.北京：国防工业出版社，2013.

[3] 海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程设计指南：第三册[M].北京：石油工业出版社，2008.

[4] 陈伯时，阮毅，陈维鈞，等.电力拖动自动控制系统：运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.

[5] F&G VFD-750 Jacking System Operations Manual[Z].Friede & Goldman Ltd.，2015.

System Configuration and Control of AC Drive Jacking System
for Jack-Up Drilling Rig

YUAN Feihui,ZHANG Jiyu,ZHANG Mingming，YANG Xuelian

(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.,Ltd.,Shanghai 200137,China)

In view of the modern electrical drive control theory,the analysis of common principle on drilling rig electrical drive jacking system is presented.Several AC drive solution for jacking system is proposed with the theoretical analysis on applicability of high performance drive control by vector control,direct torque control technique.The main electrical drive configuration and application design of modern conventional variable frequency drive jacking system are obtained based on the basic design of jacking system for JU 2000E jack-up drilling rig,which covers the control mode scheme and elctrical drive protection function design.System configuration and functionality are in compliance with design and regulation requirements by demonstration of jacking trial in several projects.It provides reference for optimization,upgrade and application for electromagnetic torque of jack-up drilling rig.

jack-up drilling rig; jacking drive system; electromagnetic torque; rotor flux; vector control; protection

2017-04-21

袁飞晖(1978-)，男，高级工程师

1001-4500(2017)03-0006-06

TM921.2

A