孫玉海，鮑寧，韓華偉，姚競爭

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺264000）

引言

伴隨我國對能源需求越來越大，當(dāng)前陸地、淺海能源已經(jīng)很難滿足社會發(fā)展需要，必須著力于遠(yuǎn)洋深海的海底資源開發(fā)。在這一背景下，半潛式鉆井平臺相關(guān)技術(shù)的研究被提上重要議程[1-2]。

在半潛式鉆井平臺下，船舶動力系統(tǒng)及其配套控制系統(tǒng)為船舶提供動力支持，故可以看作是船舶的“心臟”，其設(shè)計需要考慮到船舶的總體運行穩(wěn)定性、設(shè)備安全性等因素[3-4]。隨著信息化與工業(yè)化深度融合，能源管理系統(tǒng)（Power Management System，PMS）已經(jīng)成為鉆井平臺智能化控制的核心，不僅能起到能源節(jié)約的作用，對平臺經(jīng)濟(jì)效益的提升有重要的影響，而且關(guān)乎能源供應(yīng)的連續(xù)性、可靠性和質(zhì)量，對平臺的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有直接的影響[5]。

本文分析了半潛式深水鉆井平臺的動力控制系統(tǒng)及各子系統(tǒng)的運行操作特點，以明確動力控制系統(tǒng)集成控制的功能及技術(shù)要求，完成新型能源管理系統(tǒng)的集成設(shè)計方案。

1 子系統(tǒng)控制設(shè)計

1.1 工況切換控制

高壓配電盤包括4個獨立的配電盤，通過斷路器互相連接，形成一個環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在不同的工況下，主電力系統(tǒng)運行采用的供電方式各不相同，所設(shè)計的控制系統(tǒng)根據(jù)不同的工況控制斷路器，將主電力系統(tǒng)運行分為7個模式，如圖1所示。

模式1：閉環(huán)—正常鉆孔/施工模式。“閉環(huán)”就是指在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中形成“環(huán)狀”，確保網(wǎng)絡(luò)中電壓穩(wěn)定在同一數(shù)值，如圖1a所示。

模式2：二分—正常鉆孔/施工模式。對于不同區(qū)域的鉆井負(fù)載，通過二分供電，既保證網(wǎng)絡(luò)中電壓穩(wěn)定，也保證供電充足，如圖1b所示。

模式3：四分—在惡劣天氣條件下鉆井模式?！八姆帧奔粗笇⒄麄€發(fā)電系統(tǒng)分為4個獨立發(fā)電區(qū)。在惡劣環(huán)境下，鉆井作業(yè)通過四分模式單獨供電，保證供電充足，如圖1c所示。

模式4：閉環(huán)—過渡模式。對于不同模式之間的過渡，需要保持發(fā)電區(qū)聯(lián)通，如圖1a所示。

模式5：閉環(huán)—待機模式。當(dāng)系統(tǒng)待機時，發(fā)電區(qū)并不能完全停機，需要時刻保持能夠并網(wǎng)發(fā)電，如圖1a所示。

模式6：四分—緊急（停電重啟）模式。四分模式能夠精準(zhǔn)地控制各個發(fā)電區(qū)在緊急情況下停機，如圖1c所示。

模式7：單個獨立分環(huán)（黑啟動從死船開始）模式?！八来奔粗溉ｋ?，“黑啟動”即指在死船情況下進(jìn)行發(fā)電重啟。通過單個獨立分環(huán)對發(fā)電機進(jìn)行啟動控制，使得系統(tǒng)能夠很快進(jìn)入正常工作，如圖1d所示。

1.2 發(fā)電機組啟動控制

圖1 工況切換控制圖

半潛式鉆井平臺的能量管理系統(tǒng)對發(fā)電機組的啟動控制，是指通過一定的邏輯關(guān)系，使各發(fā)電機實現(xiàn)自動啟停，并起到監(jiān)測的作用。通過已設(shè)定的選擇邏輯，設(shè)定不同區(qū)域發(fā)電機的啟停優(yōu)先級。根據(jù)船舶動力系統(tǒng)發(fā)電機數(shù)目設(shè)定待機指令，例如待機1～8。如果兩個或多個發(fā)電機設(shè)置有相同的待機號，則功率最低的發(fā)電機將首先啟動，最后一個停止。在同步模式下，具有最低備用編號的交換機將首先啟動。即使交換機是分開的，備用編號仍然可以是1～8。操作員可以根據(jù)當(dāng)前的交換機備用編號進(jìn)行組態(tài)，并且可以更改待機號，以平衡所有發(fā)電機的運行小時數(shù)。

先進(jìn)的發(fā)電機監(jiān)控系統(tǒng)（A G S）如圖2 所示。AGS可以通過更少的發(fā)電機提供更充足的電力。AGS監(jiān)控發(fā)電機的健康狀況，實現(xiàn)發(fā)電機速度控制（主動負(fù)載分配）和發(fā)電機電壓控制（無功負(fù)載分配）。如果發(fā)電機發(fā)生故障，使發(fā)電機的健康狀況到達(dá)臨界值，AGS將控制故障發(fā)電機關(guān)閉。

AGS將持續(xù)測量值與根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部模型得到的估算值進(jìn)行比較，用于檢測哪個發(fā)電機有故障。每個交換機的“segment”配備了各自的AGS功能，并對整體進(jìn)行檢測，得到所有連接到交換機節(jié)點的發(fā)電廠狀態(tài)和其他AGS狀態(tài)。AGS將在下垂和等時操作模式下進(jìn)行速度控制，并對內(nèi)部模型進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整?？刂葡到y(tǒng)也將處理不同的可用的非對稱負(fù)載共享模式，這包括不對稱加載（基本負(fù)載/MW控制），此時負(fù)載共享由等時操作模式控制的外部系統(tǒng)。如果響應(yīng)不符合，AGS將發(fā)出警報，并啟動待機模式，以啟動內(nèi)部模型。如果內(nèi)部模型與響應(yīng)之間的偏差超過了指定的限制值，AGS將使發(fā)生故障的發(fā)電機跳閘。

1.3 配電盤控制

配電盤的主要斷路器和饋線斷路器均受到PMS監(jiān)控和控制。

配電盤中的斷路器通過保護(hù)繼電器實現(xiàn)本地安全。配電盤的進(jìn)線斷路器和母線斷路器在欠壓下跳閘（低電壓保護(hù)），但配電盤的變壓器斷路器、鉆井驅(qū)動器和推進(jìn)器驅(qū)動器沒有欠壓保護(hù)。母線斷路器通過安裝在主電源中的同步裝置關(guān)閉交換機，關(guān)閉任何提供同步的單元，并從PMS激活“關(guān)閉CB”輸出信號，關(guān)閉信號被連接到總線，同步單元將檢測到這一關(guān)閉信號，并發(fā)送信號到最接近的受控制開關(guān)。在主配電板沒有同步裝置的情況下，遠(yuǎn)程關(guān)閉母線斷路器僅適用于下垂操作模式，這個過程使得配電盤控制操作只能手動進(jìn)行。船舶原動機（柴油發(fā)電機）的運行速度由PMS模塊的原動機電子調(diào)速器實時控制。在檢查同步之前，將參數(shù)設(shè)置為預(yù)定義值，關(guān)閉總線斷路器（也可能由于超時而取消命令）。如果在等時操作模式下遠(yuǎn)程關(guān)閉母線斷路器，PMS將暫時切換到下垂操作模式，以執(zhí)行斷路器閉合，然后在斷路器閉合后，返回等時操作模式。

1.4 基于負(fù)載的啟動控制

PMS通過查詢系統(tǒng)負(fù)載情況，控制投入到主配電板的柴油發(fā)電機的數(shù)量，其目的是確保實際負(fù)載在適當(dāng)?shù)陌l(fā)電機的數(shù)量下實現(xiàn)可用功率輸出的安全限制，并根據(jù)實際情況增加或減少一個發(fā)電機的行程，以實現(xiàn)最佳的能源效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。基于負(fù)載的啟動/停止功能基于總機的百分比負(fù)載。為了啟動負(fù)載，可以定義具有不同時間延遲的兩組值，還可以基于當(dāng)前測量值定義更高時間延遲，以啟動依賴于負(fù)載的發(fā)電機。如果發(fā)電機的剩余負(fù)載超過預(yù)定持續(xù)時間的規(guī)定限值，則與負(fù)載相關(guān)的發(fā)電機停止。如果PMS以分離式母線配置運行，則與負(fù)載相關(guān)的啟動/停止功能將獨立運行，以控制發(fā)電機的數(shù)量。如果發(fā)電機具有不同的額定負(fù)載，則通過考慮總線上的百分比負(fù)載來控制發(fā)電機。

圖2 先進(jìn)的發(fā)電機監(jiān)控系統(tǒng)（AGS）

1.5 負(fù)載分配和網(wǎng)絡(luò)頻率控制

負(fù)載分配以兩種不同的模式運行：Isochronous 和Speed Droop。可以通過PMS Mimic上的“軟按鈕”選擇負(fù)載分配模式。要避免在同一個交換機上混合使用負(fù)載分擔(dān)模式，雖然每個發(fā)電機上的選擇器沒有單獨的模式，但每個配電盤只有一個按鈕。如果兩個或更多交換機互連，那么一個交換機上的按鈕操作將改變所有連接的交換機的模式。如果一個PMS發(fā)生故障，則該發(fā)電機將處于下垂操作狀態(tài)（與手動模式相同）。剩余的交換機將執(zhí)行負(fù)載共享。

同步負(fù)載分配是從PMS角度考慮的“外部控制”，即不來自PMS的速度控制。選擇下垂模式時，PMS通過調(diào)整調(diào)速器升高/降低脈沖來確定發(fā)電機的速度。

1.6 重載啟動控制

重載啟動控制執(zhí)行以下功能：

（1）監(jiān)控總線和發(fā)電機狀態(tài)；

（2）監(jiān)控參數(shù)設(shè)置，指定每個重載；

（3）請求啟動備用發(fā)電機；

（4）控制重載的電力聯(lián)鎖狀態(tài)。

重載啟動控制的開關(guān)可以控制重載的啟動限制。每個定義的重載都將有指定啟動限制的參數(shù)設(shè)置。啟動限制基于總線備用容量和/或連接到總線的發(fā)電機數(shù)量。操作員啟動重載時，基于軟件配置，進(jìn)行手動啟動或自動啟動?？刂浦剌d的軟件算法將向PMS發(fā)起電力需求請求。PMS將檢查重載啟動限制的參數(shù)設(shè)置，并比較總線和發(fā)電機在這些設(shè)置下的實際狀態(tài)，決定是否允許請求。

2 基于分布式動力控制系統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)的優(yōu)點是經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性。基于分布式動力控制系統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)是集監(jiān)測、控制、保護(hù)和管理于一體的綜合系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了多項先進(jìn)技術(shù)，如傳感與變送技術(shù)、計算機與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、控制與調(diào)節(jié)技術(shù)、信息處理與顯示技術(shù)、系統(tǒng)決策與管理技術(shù)等?；诜植际絼恿刂葡到y(tǒng)的能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，能源管理系統(tǒng)為每個高壓配電盤配置一個信號采集箱，每個信號采集箱和高壓配電盤為一組，且相互獨立。如果其中一組發(fā)生故障，就會發(fā)出故障報警，但不會影響到其他組?？刂葡到y(tǒng)采用冗余雙數(shù)據(jù)線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，保證了數(shù)據(jù)的無縫連接。

結(jié)合子系統(tǒng)的控制設(shè)計，基于分布式動力控制系統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)的功能如下。

2.1 發(fā)電子系統(tǒng)自動控制

圖3 基于分布式動力控制系統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)

發(fā)電子系統(tǒng)由原動機（柴油機、汽輪機、燃汽輪機）、發(fā)電機、線路以及電力開關(guān)等組成。根據(jù)船舶電力需求，可以把多臺發(fā)電機分成2個、3個或者更多發(fā)電區(qū)，確保電力充足。本文所設(shè)計的能源管理系統(tǒng)對于各個發(fā)電機以及發(fā)電區(qū)進(jìn)行獨立控制，采用冗余雙數(shù)據(jù)線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，能夠?qū)Πl(fā)電機組進(jìn)行精確控制。發(fā)電子系統(tǒng)自動控制的主要功能如下。

2.1.1 發(fā)電機組自起動

船舶電力系統(tǒng)的局限性，容易使得發(fā)電機組由于電網(wǎng)負(fù)荷變化以及電網(wǎng)失電等原因發(fā)生停機故障，因此發(fā)電子系統(tǒng)自動控制發(fā)電機的啟停。同時為了確保船舶電力系統(tǒng)的安全性，在控制過程中設(shè)有起動以及起動失敗報警功能。

2.1.2 發(fā)電機組調(diào)頻調(diào)載

每當(dāng)有新的機組并網(wǎng)發(fā)電，能源管理系統(tǒng)即控制在網(wǎng)發(fā)電機組同時進(jìn)行頻率、有功和無功的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

2.1.3 各發(fā)電機組起停順序設(shè)定

由于船舶電力系統(tǒng)發(fā)電機組組成繁雜，因此在分區(qū)供電和統(tǒng)一供電時，要根據(jù)系統(tǒng)的實際電力需求進(jìn)行發(fā)電機組的啟停順序設(shè)置，從而達(dá)到節(jié)省能源的目的。

2.2 系統(tǒng)監(jiān)測與故障報警

通過能源管理系統(tǒng)對電力系統(tǒng)中的各個設(shè)備進(jìn)行運行狀態(tài)監(jiān)測，實時掌握設(shè)備運行狀況，當(dāng)檢測參數(shù)多次超過警戒值時，進(jìn)行報警處理，既確保了故障的準(zhǔn)確檢測，也防止了誤報警。最后，及時記錄報警和消警操作。

2.3 輸配電系統(tǒng)保護(hù)

為保護(hù)船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定持續(xù)運行，設(shè)定分級卸載功能，通過分級減少系統(tǒng)負(fù)載，保證系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定運行。對不同配電系統(tǒng)的主要配電開關(guān)進(jìn)行集中的狀態(tài)監(jiān)測以及安全運行保護(hù)。

2.4 主要用電設(shè)備監(jiān)控管理

能源管理系統(tǒng)對主要的大型用電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理，包括重載啟動時對系統(tǒng)負(fù)荷能力進(jìn)行查詢以及對運行功率進(jìn)行控制，保證整個船舶電力系統(tǒng)的供電穩(wěn)定。同時，保證系統(tǒng)在發(fā)生故障時及時卸載負(fù)荷，達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的效果。

3 結(jié)束語

本文為半潛式鉆井平臺設(shè)計了動力控制系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了能源管理系統(tǒng)，既綜合了能源優(yōu)化分配方案，也實現(xiàn)了動力控制系統(tǒng)的智能化和集成化。本文提出的控制方案加強了對平臺設(shè)備和儀表的監(jiān)控，減少了現(xiàn)場巡查與運維成本，提高了工作效率。同時，有效地監(jiān)控系統(tǒng)運行狀況，為事故的預(yù)判與應(yīng)對提供了保障。