油田增产船电力系统配置

刘国贞，万 洁，李孝喜

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

0 引言

海上油气田采用酸化、压裂和增产增注等一系列增产措施，提高产量，一般采用一条作业支持船作为母船，搭载增产流程系统、作业用吊机，并装载作业用原料，这样的一艘工程船通常称为油田增产船。

电力系统系油田增产船的核心装备之一。作为电力推进和动力定位船，在设计时，通常考虑在满足船舶海上航行时主推进、进出港时船舶机动操纵、海上油田作业时保持位置、吊物等各工况下用电需求的同时，供电的连续性、稳定性、安全性和可靠性也是考核电站的重要指标之一。增产船作业要求船的稳定性好，动力配置冗余度高，操作灵活，对定位精度要求极高，海上作业时，需要在井口平台附近保持一定的相对位置，通过柔性管将工作液泵入井内。该作业方式，使用动力定位系统以保证作业安全，既可避免船离平台太近造成碰擦井口设施，又可防止船离平台太远甚至偏离预定位置，拉伤软管或快速解脱中断生产。

下文结合某大型多功能油田增产船的潜在客户需求及研究开发成果，对电力系统总体配置及关键部件的选型进行探讨。

1 船型简述

为满足预定作业海域及船东的要求，项目前期通过大量的调研和对推进与定位系统配置方案的技术经济比较分析，确定本船为电力推进海工船型，四机双舵桨，二级动力定位，选择船舶主尺度如下：

总长Loa：103.8 m；垂线间长Lpp：95.8 m；型宽B：22 m；型深D：8 m；吃水T：5.95 m。

2 适用的规范规则

适用的规范规则有：ABS《入级和建造规范》《海洋工程支持船建造和入级规范》；IMO《国际海上人命安全公约》《特种用途船舶安全规则》《国际散装运输危险化学品船舶构造和设备规则》。动力定位二级，符合国际海事组织设备2类的冗余要求，最终的失效模式和定位能力应按照 DNV GL环境监管号码（ERN -Environment Regulatory Number ern a,b,c,d）评价。

3 设计基础和性能指标

该船主要操作在阿拉伯海、孟加拉湾和印度洋。环境温度 0℃～45℃，海水温度 5℃～32℃，设计寿命20年。海上航行主推进电机85%额定负载输出，在设计吃水时船速不低于10 kn。

海上作业采用动力定位，船应保持在离固定平台大于5 m和小于10 m的范围内。3级海况下[1]，增产作业和吊机不工作，船舶可在360°各方向来风保持位置稳定和艏向不变；5级海况下[2]，增产作业进行但吊机不工作，船舶可在360°各方向来风保持位置稳定和艏向不变。

1）3级海况：有义波高1.5 m，平均波浪回转周期5.6 s～6.5 s，1分钟平均风速20 kn，平均表面流速1.5 kn，平均海床流速0.5 kn，风/浪向成一直线，流与风/浪向成45°夹角。

2）5级海况：有义波高4 m，平均波浪回转周期8.9 s～9.7 s，1分钟平均风速30 kn，平均表面流速3 kn，平均海床流速1 kn，风/浪向成一直线，流与风/浪向成45°夹角。

4 电力系统配置

该船配4台主柴油发电机组，每台AC 690 V，3Ph，60 Hz，2 800 ekW；2台辅助/停泊发电机组，每台AC 450 V，3 Ph，60 Hz，800 ekW；1台应急发电机，AC 450 V，3 Ph，60 Hz，150 ekW；2台日用变压器，每台690 V/450 V，1 000 kVA。艉部配备2台全回转方位角推进器带调距桨由恒速电机驱动，每台电机AC 690 V，3 Ph，60 Hz，2 200 kW，单台可提供350 kN推力，航行时作为主推进动力；3台艏部隧道式侧向推进器，其中2台带调距桨由定速电机驱动，每台电机AC 690 V，3 Ph，60 Hz，1 500 kW，1 200 r/min，单台提供250 kN推力、1台带定距桨由调速电机驱动，电机AC 690 V，3 Ph，1 500 kW，调速范围0 Hz～60 Hz，0 r/min ～1 200 r/min，可提供250 kN推力。主吊机约650 kW，由690 V主配电板的2段汇流排双路供电，一路电源故障时自动切换至另一路供电；对外消防泵2台，每台AC 690 V，3 Ph，60 Hz，700 kW，1 200 r/min。电力系统的配置，可根据工况和负荷情况灵活选择发电机台数，使主机时常处于最佳工况下工作。航行期间，2台柴油发电机并联运行；海上作业工况，主配电板汇流排母联开关处于分闸状态，AC 690 V主配电板的母联系统将被分成两段，各段独立运行。4台主发电机可以同时运行，每段汇流排1台发电机分列运行、或两-两一组并联运行。电力系统总单线图如图1所示。

图1 电力系统总单线图

5 电力系统设计研究

在船的主尺度、总体布置、线型和动力装置型式基本确定的情况下，根据船东对船的航速、作业能力和作业安全保障技术性能的要求，锁定本课题的技术难点，即：增产作业特点所要求的，在较严苛海况下定位精度和船东对经济性的要求，电力系统配置方案经多次系统性能分析、动力定位能力分析，不断优化、修正和完善，最终选定一个技术经济指标相对优越的方案。方案论证中，通过初步的船速校核，得知达到本船所要求的10 kn速度所需电力远远低于作业时船定位所需电力，故设计围绕保证船的动力定位能力来确定主电站容量和电力系统配置[3-7]。

5.1 电力负荷平衡计算

这里分析的负荷主要是为船的航行、定位和日用所需的负荷。增产作业由专用发电机供电，这里不赘述。

电力负荷估算如表1所示。

表1 电力负荷估算表

表1中，3级和5级海况中最严重故障工况，系指690 V主汇流排B由于短路故障等失去供电能力，由继电保护从系统中切除，艏部冗余供电的艏侧推负荷转移至由主汇流排A供电，1台主发电机或2台主发电机在网运行，其负荷率较高达到95%左右，如出现发电机过载，应将全部的辅助负荷约500 kW转移至由辅助发电机供电，保证电力系统运行的稳定性。

5.2 动力定位能力

本船配备了1套先进高效的酸化压裂生产流程系统，要求船依靠动力定位系统始终与生产平台保持一定的安全距离，从而保障施工作业的顺利进行。本船动力定位系统按DP-2级要求配置，配备了足够的动力和推进器系统，为船提供足够的电力和有效的机动性、操纵性和安全性。

按第3部分定义的在3级和5级海况时，完整推进器和最严重单点故障情形，动力定位能力如图2～图5所示。

图2 3级海况完整推进器定位能力

图3 3级海况最严重故障定位能力

图4 5级海况完整推进器定位能力

图5 5级海况最严重故障定位能力

图2为3级海况完整推进器工况的动力定位能力，风速达到64.1 kn、浪高14.2 m时360°风向均能满足动力定位的要求；图3为3级海况最严重单点故障，即690 V主配电板汇流排B短路同时失去1台主推进器和1台艏部侧推时的动力定位能力，风速达到46.7 kn、浪高9.2 m时360°风向均能满足动力定位的要求；图4为5级海况完整推进器时的动力定位能力，风速达到51.8 kn、浪高10.6 m时360°风向均能满足动力定位的要求；图5为5级海况最严重单点故障，即690 V主配电板汇流排B短路同时失去1台主推进器和1台艏部侧推时的动力定位能力，风速达到24.1 kn、浪高4.0 m时360°风向均能满足动力定位的要求。

5.3 汇流排额定和短路能力

应用电力系统分析软件建模，按电力负荷分析的工况进行潮流和短路分析。汇流排的额定载流容量为4 000 A。在航行工况母联处于合闸状态，AC 690 V主配电板上最多2台主发电机并联运行。在DP工况，690 V主配电板每段汇流排最多2台主发电机同时并联运行，690 V汇流排出线端，预期的短路电流将达到62 kA/170 kA（均方根值/峰值）；航行工况，2台主发电机同时并联运行，1台日用变压器运行，690 V汇流排出线端，预期的短路电流将达到66 kA/176 kA（均方根值/峰值）。但是按照船级社的有关规定：在计算最大短路电流时，应考虑最恶劣情况，即应计及对应于船舶或海上设施电站的最大负载工况，所有可能并联连接于主汇流排的发电机（包括短时转移负载的发电机在内）所馈送的短路电流。3台主发电机同时并联运行，690 V汇流排出线端，预期的短路电流将达到75 kA/196 kA（均方根值/峰值）。根据以上分析结果，690 V汇流排的短路定额应为100 kA/220 kA，相应的保护电器均按此选取。

5.4 混合起动和驱动系统

如图1所示，690 V主配电系统中，艉部2台全回转主推进器和艏部2台管道式推进器为调距桨、恒速马达，采用变速起动；艏部双冗余供电的管道式推进器为定距桨、调速马达，采用变频驱动；对外消防泵为恒速马达，采用软起动。

变频器用于起动，通过改变电网的频率来调节电动机的转速和转矩，电压也随频率变化，由于电机为无机调速，起动过程相对于传统的降压起动更加平稳，当电机达到额定转速后，变频起动器将被旁路，电动机恒速运行。推进器配调距桨采用变频起动经济性好，用于启动的变频器可选择较低定额的变频器，当螺距置零时，用于变频起动的变频器容量可降低至用于变频驱动的容量的35%～50%，可与推进器安装于同一处所，风冷，不需要专门的房间和空调，节约初投资成本，可以减少变频器的运行时间，延长使用寿命。

根据推进器动力定位能力分析，如艏部丢失 2台侧向推进器，动力定位能力不能满足要求，故应将其中1台艏侧推设计成双路供电，设计成双路有源前端（AFE）或无源前端（DFE）驱动来满足不断电转换的要求。图6和图7分别是双冗余供电回路的2种形式。

图6 双路有源前端回路

图7 双路无源前端回路

双冗余供电的特点：通常情况下，每套整流器的供电分别从各自的母排，由两个变频器各自负担一部分负荷，一旦690 V主配电板上一个汇流排失电，可不间断将负荷转移到有电的汇流排承担供电，实现真正的不断电切换负载，所选择的双冗余供电单元有船级社型式认证。

5.5 总谐波干扰

总谐波干扰与整个系统配置有关。主推进和主要驱动系统采用有源前端（AFE）作为起动器或驱动器，艏部双冗余供电的侧推采用变频器包括一套12脉冲整流器并通过变压器连接到船舶主电站；为节约空间，也可采用有源前端（AFE）搭建双冗余回路。发电机的超瞬态电抗可依照谐波计算结果定制，目前各船级社规范还没有出台考核电动机起动期间的短时谐波标准，因此相对于全变频驱动系统，混合起动和驱动模式，正常运行时总谐波标准更容易限制在规范允许的范围内。

5.6 功率管理系统

一套冗余的电站功率管理系统安装在AC 690 V主配电板内，控制器为双套热备冗余，控制站之间通过光纤通讯；总站与分站之间通过Profibus总线通讯。相对于常规船，系统控制逻辑稍复杂，除了常规的发电机控制和保护功能、功率管理功能外，同时配备了发电机功率适配系统和多功能电站保护系统，根据负载功率需求匹配在网发电机数量；电站保护系统对运行的发电机组实时检测，分析柴油发电机组的异常运行状态，检测到功率分配不平衡、频率异常等作用于保护装置执行选择性脱扣保护，将故障发电机组从电网中剥离。在动力定位最严重单点故障下，由于将艏部双冗余供电的推进器的全部负载转移至由一段汇流排供电，根据动力定位能力分析结果，用电负荷有所增加，该段汇流排的负担加大，按初步的负荷分析，负荷率达到95%，为防止主发电机过载，在功率管理系统中设置了如发电机有过载趋势，自动起动其中1台辅助发电机，与主发电机自动短时并车转移负载，将约 500 kW的辅助负荷转移至由辅助发电机供电，负载转移后日用变压器开关分闸，主电网与辅助电网解列，主、辅发电机分列运行。反向的负载转移亦然。

电站功率管理系统是一套完全独立运行的系统，通过以太网通信直接与全船监测报警系统进行通讯。

5.7 失电后恢复的顺序起动

首先起动应急发电机，给辅助发电机黑起动负载空压机、预润滑油泵供电，然后起动1台辅助发电机，给主发电机黑起动负载供电，当1台主发电机起动投入电网，与辅助发电机短时并车，将辅助负载转移至由主发电机供电，再按顺序起动其他发电机组并网运行。主辅配电板上设定失电后按时间顺序自动起动的重要负载有：照明、通讯、舵桨、滑油泵、淡水冷却泵、海水冷却泵，机舱风机、主推进器、艏侧推等。

5.8 失火或可燃及有毒气体泄漏后的应急切断

油田增产船作业时，所服务的平台有油气发散，加上它本身所运载的酸液等危险品，其危险区域辐射范围较大，一旦发生着火或可燃有毒气体泄漏事故，应执行严格的切断逻辑。风油切断按照住舱、机舱和酸罐舱分区切断，切断按钮位于机舱入口、驾驶室和消防控制站等处所，一般采用分励脱扣切断油泵或风机的供电开关实现，用于脱扣的电源由专用的UPS供电。

6 结论

本文初步探讨了大型油田增产船电力系统配置。由于该船布置紧凑、作业时对动力定位要求较高，电力消耗对于690 V低压等级已经是极限级，从经济性的角度出发，保障船的定位安全和作业安全是最重要的研究课题。本文将传统动力定位配电模式与混合起动系统有机结合，创新开发出一套较经济实用的混合型低压配电系统方案，供船舶电气同行在系统设计和选型时参考。对于以成本为目标的客户不失为一个好的选择方案。