(中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 100149)

動力定位系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和推進系統(tǒng)四大系統(tǒng)組成。不同級別的動力定位系統(tǒng)對于設(shè)備的配備和布置區(qū)別較大，DP3相對于DP2而言，除了考慮設(shè)備的冗余外，冗余的設(shè)備在布置上須有獨立的空間，并需進行防火隔離。

深水浮式鉆井裝置動力定位系統(tǒng)配置見圖1(以半潛式平臺為例)[1]。

圖1 半潛式鉆井平臺動力定位系統(tǒng)組成示意

電力系統(tǒng)就是為定位設(shè)備、鉆井設(shè)備和輔助設(shè)備提供動力的共用電站。電站按定位系統(tǒng)級別不同，一般分割為兩段或以上，見圖2[2]。

1)輻射狀主匯流排，含2段或2段以上主匯流排，由常開或常閉的匯流排開關(guān)控制，成串列結(jié)構(gòu)，見圖2a)。

2)環(huán)狀主匯流排，含3段或3段以上主匯流排，可與匯流排開關(guān)或饋線相連，一般有至少一個開路的匯流排開關(guān)/饋線成輻射狀結(jié)構(gòu)，也可以所有匯流排開關(guān)/饋線斷路器閉合，呈閉合環(huán)狀主匯流排結(jié)構(gòu)，見圖2b)。

圖2 電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示例

定位推進器方面，大部分深水鉆井裝置采用固定螺距變頻調(diào)速全回轉(zhuǎn)推進器，具有高效率、低油耗的特點。應(yīng)用吊艙式推進器作為推進裝置，在該系統(tǒng)中，電動機在一個全回轉(zhuǎn)水下吊艙裝置內(nèi)與螺旋槳軸直接相連，無齒輪傳動結(jié)構(gòu)。

總體而言，目前的深水鉆井裝置動力定位系統(tǒng)被證明具有一定的可靠性、耐用性和在故障時表現(xiàn)的完整性，電力和推進系統(tǒng)有足夠的余量承受系統(tǒng)在正常環(huán)境條件下發(fā)生的故障。但系統(tǒng)運行過程中一些重復(fù)出現(xiàn)的問題需要引起關(guān)注。

1 負荷減小和失電預(yù)防

動力管理系統(tǒng)通過控制電站中運行的發(fā)電機數(shù)量，使柴油機盡量工作在高負荷區(qū)，這樣柴油發(fā)電機組的性能更佳，燃料經(jīng)濟性更高?？紤]到柴油機的燃料消耗量、磨損和維護，通常最佳負荷約為柴油機最大持續(xù)功率(MCR)的85%。

但長期保持高負荷運行狀態(tài)的柴油機一旦出現(xiàn)內(nèi)部故障，如發(fā)生突發(fā)性跳閘，其余正常工作的發(fā)電機組將增加一級負荷，且有可能在頻繁跳閘的最惡劣情況下發(fā)生過載、損壞，甚至導(dǎo)致全船失電，這就需要電力系統(tǒng)具有可根據(jù)發(fā)電量減小負荷功率的功能。

對于現(xiàn)代鉆井裝置而言，負荷減小和失電預(yù)防功能由若干子系統(tǒng)分配處理。

1)動力管理的負荷管理和失電預(yù)防功能。

2)動力定位系統(tǒng)的功率限制功能。

3)推進器變頻器的負荷減小和帶載相反饋功能。

4)鉆井變頻器的負荷減小和帶載相反饋功能。

為不影響動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和不限制操作的靈活性，負荷減小和失電預(yù)防措施必須在不到500 ms內(nèi)生效。具體措施歸納如下。

1)推進器和推進器變頻器。變頻調(diào)速定距槳推進器必須具備負荷減小方案，通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)頻率和/或從動力管理系統(tǒng)接受快速負荷減小信號，可以是功率相反饋信號、最大功率限制信號，或是轉(zhuǎn)速參考減小量信號。為避免系統(tǒng)頻率發(fā)生不穩(wěn)定的情況，負荷減小量應(yīng)盡可能精確，以達到抑制潛在震蕩的目的。對于定速可變螺距推進器來說，不具備足夠短的失電預(yù)防響應(yīng)時間，必須在動力管理的分級卸載方案中予以考慮[3]。

2)鉆井變頻器。與推進器變頻器的要求類似，各鉆井變頻器的負載減小優(yōu)先級也要設(shè)定。

3)動力管理系統(tǒng)。根據(jù)船級社要求，動力管理系統(tǒng)必須提供失電預(yù)防、負荷減小/分級卸載功能。

4)動力定位系統(tǒng)。動力定位系統(tǒng)通?；趤碜詣恿芾硐到y(tǒng)的允許最大功率消耗信號，提供功率限制功能。從一般意義上說，這是一個避免運行設(shè)備過載的有效方法，但缺點是速度不夠快，無法處理柴油發(fā)電機組的故障。

上述負荷減小和失電預(yù)防功能在系統(tǒng)安裝、調(diào)試和試航期間要進行充分的測試，以保證系統(tǒng)正常運行。同樣，在可能影響系統(tǒng)協(xié)作的調(diào)整或修理后，要進行相同的測試。

典型的協(xié)作原理見圖3。

圖3 自動起動/停機和失電預(yù)防協(xié)作原理示意

圖3中自動起動和自動停機的限制范圍顯示出取決于負載的柴油機自動起停的功率水平和時間設(shè)置。在正常工作時，可用功率將處在這個范圍內(nèi)。如遇柴油機故障或跳閘，可用功率將下降。動力定位的功率減小功能在緊急情況下或非緊急情況下是有區(qū)別的，系統(tǒng)使動力定位系統(tǒng)在非基本用電設(shè)備或低優(yōu)先級用電設(shè)備正確實施負荷減小和分級卸載后，獲得全部可用功率。

2 柴油機調(diào)速器和AVR容錯

系統(tǒng)運行中發(fā)現(xiàn)，柴油機調(diào)速器、電壓自動調(diào)節(jié)器AVR發(fā)生的某些故障在一些負荷和作業(yè)條件下難以通過常規(guī)型保護方案進行識別。在最惡劣情況下，故障會干擾正常工作的設(shè)備，導(dǎo)致非正常停機，甚至會造成全船失電。

帶多功能可編程保護邏輯的數(shù)字式發(fā)電機保護繼電器的開發(fā)，提供了若干種整合保護功能的新方法，包括將邏輯和代數(shù)函數(shù)應(yīng)用于保護方案。這一進步顯著提升了保護繼電器檢測調(diào)速器和AVR故障的能力，以及系統(tǒng)對于該類故障的容錯能力。

圖4顯示了一種AVR監(jiān)控方案，涵蓋了多發(fā)電機組多重可變表決功能的相關(guān)函數(shù)。這些函數(shù)可應(yīng)用于可編程多功能發(fā)電機保護繼電器中，也可應(yīng)用于獨立邏輯控制器中，用于系統(tǒng)改進和升級。

圖4 AVR故障檢測的監(jiān)控方案

3 鉆井裝置大功率設(shè)備的特性

鉆井裝置大功率用電設(shè)備的起停，瞬態(tài)故障和電網(wǎng)穩(wěn)定性引起的電壓變化是值得關(guān)注的問題。雖然這些設(shè)備已具有高度的可靠性，但是因為設(shè)備集中安裝和相對較大的電纜容量，系統(tǒng)電容也相對較大，形成了亞毫秒級瞬變的無彈性系統(tǒng)。電力設(shè)備標準化脈沖電壓測試的上升時間最長可能達到1.2 μs，但測量顯示，裝置電網(wǎng)的開關(guān)瞬變明顯更快。即使開關(guān)瞬變振幅一般比標準化測試振幅小的多，電壓的急劇上升也可能改變設(shè)備繞組的內(nèi)部電壓分配，并造成局部過電壓和絕緣擊穿，見圖5a)。此類瞬變被懷疑是某些設(shè)備故障的根本原因。

圖5 鉆井大功率設(shè)備特性

降低絕緣擊穿風險的方式：①整個系統(tǒng)的絕緣水平協(xié)調(diào)；②選用較低電壓瞬變量的斷路器；③選用能抵御快速電壓瞬變的絕緣材料；④選用針對更快瞬變時限，更佳內(nèi)部電壓分配的繞組設(shè)計，見圖5b)；⑤過電壓保護，如配備電涌放電器。

4 諧波失真

諧波失真有一個通用測量標準，即涉及基頻分量的各諧波分量的均方根值，縮寫為THD(總諧波失真)。對配置直流鉆井設(shè)備SCR的鉆井裝置來說，諧波失真水平很高，THD可達到15%。在如此高的諧波失真下，有些設(shè)備可能會發(fā)生故障。因此，ABS等船級社在各自最新的海上移動鉆井裝置建造和入級規(guī)范中均已明確規(guī)定THD不應(yīng)大于8%。

隨著技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用于船舶和海工領(lǐng)域的電動機變頻驅(qū)動技術(shù)取得了很大進步。一種電壓源型逆變器(VSI)已成功應(yīng)用于鉆井設(shè)備和推進器驅(qū)動。12脈沖逆變器與直流系統(tǒng)相比，諧波失真水平顯著降低。近年來，這種設(shè)計應(yīng)用于大部分鉆井裝置，其解決方案在處理諧波失真問題上表現(xiàn)良好，能夠滿足規(guī)范對THD的要求。

12脈沖VSI逆變器的使用原理見圖6。

圖6a)顯示了帶兩個全橋二極管整流器、由三繞組變壓器供電的單變頻器，普遍用于中壓變頻器。使用IGCT的逆變器開關(guān)元件，在中等開關(guān)頻率下能夠減少負載電流和扭矩的波動。

低壓變頻器見圖6b)。圖中顯示若干逆變器連接到共用直流母排。直流母排可通過絕緣件進行分割，每一側(cè)連接至12脈沖二極管整流器。該變頻器結(jié)構(gòu)含多個由共用直流母排供電的逆變器，故稱之為多變頻器，用于鉆井變頻器、貨物裝卸變頻器、推進器變頻器和/或主推進系統(tǒng)。當負載產(chǎn)生再生功率時(比如在高速逆轉(zhuǎn)或其他制動條件下)，制動電阻會發(fā)揮作用，阻止功率峰值返回電網(wǎng)。

圖6 12脈沖電壓電源逆變器原理