超深水DP-3钻井船失电后快速恢复及漂移控制

丁 海，郭 金

(上海中远船务技术研发中心，上海 200231)



超深水DP-3钻井船失电后快速恢复及漂移控制

丁 海，郭 金

(上海中远船务技术研发中心，上海 200231)

为实现超深水DP-3钻井船在3 min之内从失电到恢复定位并停止漂移的能力，对钻井船设备配置、失电后供电及推进系统启动流程进行介绍，并详细分析其实时模拟图像，从理论和实例中证实该型钻井船的供电可靠性和故障恢复能力。有利于开拓国际市场和提升企业竞争力。

DP-3钻井船; 失电恢复; DP定位能力; 漂移

0 引言

超深水动力定位钻井船电力的完全丧失会引发重大的灾难，保证电力系统在失电后快速恢复，使钻井船在最短时间内重新获得定位能力，是保证钻井船自身及井下作业安全的重要环节。

本文以上海中远船务设计建造的某型DP-3钻井船为研究对象，该船主电力系统由6台发电机组、6台推进器、1台可用作停泊发电机的应急发电机及相关联的低压配电板、电机控制中心和不间断电源系统(Uninterruptible Power Supply,UPS)等组成。为保证该型钻井船在失电后快速恢复定位功能，在设计初期阶段即充分考虑全船设备的供电分布情况，并结合自动化功率管理系统(Power Management System,PMS) 对全船的主要和重要负载进行起停控制，并对运行状态及相关仪表进行监测。

失电故障发生后：第一步立即启动主发电机及应急发电机，同时对主发电机运行的必要辅助设备进行再启动控制，包括相关的燃油、冷却水、通风；第二步对于影响推进器恢复定位能力的必需辅助设备在电站恢复后立即启动，包括控制转角的液压单元，滑油单元，推进器的变频器预充磁、冷却水、通风，启动推进器并恢复其定位能力。

1 技术方案制定

1.1 主电力系统分布概况

该项目的主电力系统由3组完全独立的供电系统(Split 1,Split 2和Split 3)和应急电源构成，这3组系统在物理分割上完全满足A60级防火分隔的要求[1-2]。主电力系统配置及布置见表1。

全船失电故障发生时，3组Split通过安装在中压配电板内保护装置的设定全部解列为3组独立系统;当启动恢复供电程序后，首先启动1#，3#和5#主发电机，指令发出10 s后同时启动2#，4#和6#主发电机。

应急发电机在同一时间自动启动，当应急配电板接入电网后，可对主机进行供电(如电动燃油供给泵等)并保证主机的长时间稳定运行。

1.2 主发电机重新启动过程

主机控制系统通过1路AC 220 V主电源和1路DC 24 V UPS 电源供电，当全船失电时，DC 24 V UPS电源继续为主机控制回路供电，在接收到PMS启动主机指令后，保证主发电机可以迅速启动。

该项目为主机提供两种类型的燃油供给泵：电动和气动。考虑缩短主机启动时间(主发电机和应急发电机同时启动，主发电机启动所需的燃油泵在应急发电机启动的同时，即应急配电板恢复前即可开始工作)，设计时优先使用气动泵的方法，该气动泵的控制由PMS控制气动阀的开/闭状态实现。当电站恢复正常后，PMS将自动切换到电动泵进行长期稳定的燃油供给工作。主机的启动时间由长期项目经验得出，一般为15～20 s。

1.3 推进器重新启动过程

推进器控制相关的转速和转角可以通过推进器手动控制系统(Manual Thruster Control,MTC)、动力定位(Dynamic Positioning,DP)系统和独立操纵杆系统(Independent Joystick System,IJS)3个独立操作系统完成。当主电站恢复后，与推进器关联的辅助设备运行：(1) 变压器的冷却风机启动，变压器供电准备工作完成；(2) 变频器预充磁、冷却水泵启动，二者同时完成变频器的准备工作；(3) 与转角相关的液压单元和滑油单元也在同一时间内恢复工作，时间不超过5 s；(4) 与推进器电机相关海水/淡水冷却水泵和风机的分级启动时间不超过10 s。因此，推进器从主电站恢复供电后到准备接收DP系统控制时间不超过15 s。

DP系统正式介入推进器控制后，可使推进器转速从0达到DP预定转速，并结合海况环境调整转角。同时考虑推力情况，确定第2组发电机是否需要并网供电提供足够的电站容量。根据文献[3-4]，此阶段时间不超过45 s。

钻井船从全船失电到恢复定位能力的流程如图1所示：在推进器恢复过程中，PMS会控制主要负载的起停；当全船失电发生后，首先无延时同时启动1#，3#，5#发电机，10 s延时后，再同时启动2#，4#，6#发电机。钻井船配电板恢复供电到推进器恢复启动的详细流程如图2所示，图中只列出了第1组电力及推进器恢复的详细信息，第2组和第3组的恢复启动流程同第1组。

图2 钻井船配电板恢复供电到推进器恢复启动的详细流程图

由图1和图2可以看出：主发电机组和推进器的启动时间基本为固定时间，主机启动时间设定为20 s，推进器准备时间为15 s。主机并网成功后，为了减小电机启动时对电网的冲击，采取了分级启动原理，将与主机和推进器相关的辅助设备进行分步启动，分别在第0 s,5 s，10 s启动相关设备。

2 钻井船失电后漂移轨迹的模拟分析

采用DP 系统的模拟软件，模拟最恶劣工况下恢复不同组别推进器时钻井船失电后的漂移轨迹路线。

2.1 恢复推进器T2，T3，T5和T6的模拟结果

恢复推进器T2，T3，T5和T6后钻井船漂移轨迹模拟过程如图3所示。图3中，十字坐标原点为钻井船原始工作位置，黑色轨迹的端点为钻井船失电、快速恢复供电后DP系统控制钻井船停止漂移的位置。模拟风速为9.40 m/s，海流对钻井船的作用力为1178.9 kN，图中艏向角度显示了钻井船在恢复定位后钻井船艏向与在失电前钻井船艏向的偏移角度，这个值反映了钻井船在DP系统作用下钻井船恢复到新的定位位置的能力。在此过程中，推进器输出作用力用以对抗风速及海流的影响，图中分别显示了每个推进器的输出作用力及合成力(1 566.2 kN)，外部因素及推进器对钻井船艏部所做的功为12 648 kN·m，钻井船艏部处箭头方向表示推进器作用及外部环境作用下钻井船的运动方向。参与失电后恢复动力定位的推进器的输出功率与额定功率百分比反映了推进器的定位能力在一定范围内还有余量。

图3 钻井船漂移轨迹(恢复推进器T2,T3,T5,T6)

图4为恢复推进器T2，T3，T5和T6后钻井船漂移的时间轴，可以看出：当钻井船失电(t=120 s)后，由于惯性等作用，在t=120 s之前仍处于一个相对稳定的位置。随着推进器动作的停止，在风力和洋流的共同作用下，钻井船在横向(左右)及艏艉方向开始漂移(t=120～210 s)，在t=210 s时到达漂移的最远位置，此时，2组推进器已经恢复定位功能，对钻井船开始重新定位，使其恢复到新设定的位置。

图4 钻井船漂移时间轴(恢复推进器T2,T3,T5,T6)

2.2 恢复推进器T1,T2,T4和T5的模拟结果

恢复推进器T1，T2，T4和T5后钻井船漂移轨迹模拟过程如图5所示，漂移时间轴如图6所示。

图5 钻井船漂移轨迹(恢复推进器T1,T2,T4,T5)

图6 钻井船漂移时间轴(恢复推进器T1,T2,T4,T5)

由图6可以看出：在该工况下，模拟结果仍满足要求。

2.3 恢复推进器T1,T2,T3,T4,T5和T6的模拟结果

恢复推进器T1～T6后钻井船漂移轨迹模拟过程如图7所示，漂移时间轴如图8所示。

由7也可以看出：在该工况下，模拟结果也满足要求。这说明在3 min内实现超深水DP-3钻井船失电快速恢复及漂移控制的方案是可行的。

图7 钻井船漂移轨迹(恢复推进器T1,T2,T3,T4,T5,T6)

图8 钻井船漂移时间轴(恢复推进器T1,T2,T3,T4,T5,T6)

3 结论

当前国内外对深水钻井船失电后恢复流程研究只停留在利用足够的时间恢复电站。本文通过配置超深水钻井船电站和推进系统，合理进行电力及推进系统的布局分隔，利用流程图及分步时间设定，计算失电后快速恢复钻井船供电并控制漂移的时间分析，使恢复流程更加清晰化、条理化，并结合工作海域环境条件，模拟在恶劣海况下钻井船的定位能力，验证了该DP-3钻井船在全船失电后，可在最快的时间内(3 min)恢复电站供电和定位能力，有利于国际市场的开拓和提升企业竞争力。

[1] IMO.IMO Guidelines for Vessels with Dynamic Positioning[S].1994.

[2] FMEA.Management Guide：IMCA M178[S].2005.

[3] ABS.ABS Rules For Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].2014.

[4] ABS.ABS Rules For Building and Classing Steel Vessels[S].2014.

Blackout Recovery and Drift Control Analysis for
Deep Seawater DP-3 Drilling Ship

DING Hai,GUO Jin

(COSCO(Shanghai) Shipyard Co.,Ltd.,Shanghai 200231,China)

In order to realize the ability of a DP-3 drilling ship to recover it’s locating capacity and stop drifting from total blackout within 3 minutes,the configuration of the equipment,supply electricity after loss of power and the starting procedure of propulsion system are described and the real-time analog image is analyzed.The power supply reliability and failure recovery ability of this type of drilling ship are proved by theory and example,which help to develop the international market and enhance the competitiveness of enterprises.

DP-3 drilling ship; blackout recovery； DP locating capacity； drift

2017-02-17

丁 海(1975-)，女，高级工程师

1001-4500(2017)03-0043-08

U665

A