海工装备业问鼎国家科技进步一等奖

本刊记者 崔 燕

在今年2月14日召开的国家科学技术奖励大会上，由中远船务工程集团有限公司研发的“深海高稳性圆筒型钻探储油平台的关键设计与制造技术”项目成果荣获2011年度国家科技进步一等奖，这是国内海洋工程装备制造企业首个国家级科技奖殊荣，标志着我国深海钻探成套装备设计制造水平实现重大突破，推动了海工高端制造业发展，对国家深海能源开发战略和国家能源安全战略产生深远影响。

“希望1号”确立海工新坐标

谈到“深海高稳性圆筒型钻探储油平台的关键设计与制造技术”项目，还要从中远船务集团承接的首个海工订单“希望1号”说起。这是一个大胆创意的新型海工产品，它颠覆了常规传统四方型钻井平台的结构，以圆筒型的外观呈现在人们眼前，同时能够满足在极端恶劣的海况条件下安全作业。而这只是客户方提出的一个全新概念。面对这张订单，作为承建方的中远船务仅用了32个月的时间就完成了项目设计、生产、调试、试航，以近乎完美的产品质量将客户的概念变为现实。

“希望1号”钻探储油平台总高135米，圆筒直径84米，钻台高度44.5米，空船重量28180吨，工作水深3000米，钻井深度12000米，通过八台推进器进行定位，并配置全球最先进的DP-3动态定位系统和系泊系统，可适应英国北海零下20度的恶劣海况。平台甲板可变载荷15000吨，生活区可以容纳150人居住，居住舱室达到45分贝超静音标准，生活设施可比五星级酒店。无论从哪一项指标上看，该平台均属于当今世界海洋石油钻探平台中技术水平最高、作业能力最强的高端领先产品。

据中远船务工程集团有限公司技术中心副总经理、新加坡籍海工专家徐秀龙介绍，“希望1号”的设计思路和建造技术，完全突破了传统的设计思路。在整体结构设计、制造技术与工艺、全功能集成制造、抗风浪能力设计、动力定位系统设计等方面均获得了创新性成果，开辟了我国高端海工装备制造领域自主研发技术创新的新纪元。

据了解，在成功交付首座圆筒型超深水海洋钻探储油平台“希望1号”后，中远船务再次获得了挪威船东的多个同类超深水圆筒型海洋钻探储油平台项目，“希望2号”也已成功交付。

圆筒型钻井平台的设计思路

据中远船务集团海工研发中心高建华、管庆全、吴成恩三位技术专家介绍，作为新一代的超深水钻井平台的代表，该系列圆筒型平台有着显著的特点和优势，主要包括船用系统的设计，DP-3动力定位系统，全船电气及电力管理系统，以及钻井系统。

常规系统的设计：该平台的设计匹配要比典型的FPSO的系统复杂。全船总共设计匹配了60多个系统，除包含常规的船舶系统和安全系统外，还设计匹配了钻井辅助系统和原油储藏系统，个别系统的设计压力甚至高达20000PSI。每个系统都是依据特殊的外型结构特点设计的。例如，压载系统，船体结构外围0到360度被分割为16个压载舱，如设计选用通常的压载系统的传统设计思维将给生产设计和现场施工带来很沉重的负担，通常的设计方法对于一个圆桶型分布的压载舱是很难在有限空间内布置压载管路的。所以，该项目的压载系统采用的是单线闭式循环的设计思想，通过遥控阀门来实现压载水的注入、排放及调拨。这种设计管路系统简单，现场施工方便。但需要提供安全可靠的管路阀门遥控系统。再比如消防系统，海洋工程项目对于安全要求非常严格，并且在规范中明确规定。该项目对消防系统提出了一种全新的设计思想。将主甲板以下分为4个区域，每个区域由一台消防泵覆盖，四台消防泵出口到达主甲板后再连接在主甲板上的一个环行总管路上，在总管路上用阀门将其隔离，从而实现单个区域消防的独立性，同时还满足消防泵之间的相互备用，使几台消防泵同时工作。

据了解，全船大约有近600多台大型设备需要安装布置，每台设备的布置需要周全的考虑设备所服务系统的特点，与其它设备及系统的接口关联，以及操作的便利和安全性等。需要满足DP-3动力定位要求，所以在设备布置时也需要考虑重要设备的相互备用和物理位置分割是否满足DP-3的要求。如燃油系统，除在每个机舱单独设计有燃油沉淀柜和燃油日用柜外，还设计有4个大的燃油储存柜，而这4个燃油储存柜及燃油传输泵需要依据DP-3的要求分布在不同的区域，即需要有物理位置和A60防火的分割。当一个区域的一个燃油泵失效，不能使这个区域的燃油传输系统失效。假如整个区域的燃油传输系统失效，其他区域的燃油传输系统依然能够正常工作。为了满足这个要求，要将4个燃油储存舱布置在两个不同的有物理分割位置形成两个单独区域，每个区域布置2台燃油传输泵，这两台燃油传输泵之间相互备用，在安全级别高的区域将这两个燃油传输区域的设备再相互备用，实现DP-3对系统的要求。

DP-3动力定位系统：动力定位系统是指使动力定位船舶实现动力定位所必需的一整套系统，包括动力系统、推进器系统、动力定位控制系统和测量系统等分系统。动力系统又包括原动机、配电板、配电系统；推进器系统主要是指各推进器和控制装置，以及兼作动力定位用途的主推进器和其他推进装置；动力定位控制系统是指对动力定位设备进行集中控制的自动化装置，测量系统系指测量船舶位置和首向的系统。动力定位系统按定位能力不同，分为DP-1，DP-2，DP-3三个级别。该平台是DNV船级社的DYNPOS-AUTRO，也就是通常说的DP-3定位系统，由Kongsberg公司提供整套控制设备，DP-3动力定位系统的一个显著要求就是系统设备的冗余和A60物理分隔。

该平台的动力系统有8台发动机组，每台6920kVA，每两台分别位于4个不同的机舱中，机舱与机舱之间采用A60分隔，各自的控制系统、电力系统也完全具备A60分隔，分别控制着8台电力驱动的全回转推进器。每个机舱对应一个推进器舱，推进器舱之间也相互A60分隔，动力系统与推进器系统的电气联接分为4个单元，相互之间完全A60分隔。

动力定位系统分为主DP系统与备用DP系统，DP控制台由位于集控室的主DP控制台和DP备用控制室的DP备用控制台，还有位于推进器舱的本地应急控制站组成。并且将动力定位的设备分别置于两个A60分隔电气设备间内，主DP系统与备用DP系统的控制和通信电缆分别敷设在A60分隔的DP电缆通道内。

动力定位控制系统由两个相互独立的自动控制系统和一个可选择联合操纵杆和手柄控制的手动控制方式组成，参照系统又分为GPS定位、HIPAP定位、MRU定位等，以及其它各种传感器，如风向、电罗经等。

电气管理系统：Sevan Driller的控制系统采用的是中央控制原理，全船的控制管理系统主要有中控系统（IAS）、钻井控制系统（DCS）、动力定位系统、以及内外通和导航系统等。

中控系统又包括船舶管理系统（VMS）、火气与应急切断系统（F&G与ESD）、船舶电站管理系统（PMS）三大子系统，并与通风空调管理系统（HVAC）、钻进控制系统（DCS）、定位系统等有通信接口。船舶管理系统主要是对船上日常使用的压载、燃油、滑油、海水、淡水、灰水、消防等系统进行控制与报警，并采集其它相关系统如内外通等的报警。火气与应急切断系统综合了危险气体探测、火警探测和船舶应急切断系统。也综合了对全船防火风闸的控制和报警，是全船最重要的安全保障系统。PMS船舶电站控制系统是为满足DP-3要求的一个独立控制系统，主要对与发电机组和推进器相关的重要设备的供电进行管理。2号船在1号船的基础上对中控系统进行了大量的优化和改进，减少了CAT网线的使用，采用主干式环形光纤通信回路，在船上建立了一条信息高速公路，将通信基站直接送到不同的主控站，控制信号A与B直接从通信基站采集，避免了A与B通信长途输送A60分隔困难的问题，这项国际海洋工程制造的首创技术，得到著名电气制造商Siemens的高度赞赏。在船舶控制系统中，各系统之间通信信号的匹配，接口的联接是一个重点，也是难点，该平台有近14000个报警点。

钻井控制系统主要是为钻井作业服务的，控制站位于钻井甲板的钻井控制间（DCC）内，并在钻井甲板上设有一个本地设备间（LIR）用于集中放置一些钻井设备的电气控制屏，如BOP、PDPH、DRAWWORK、TOP DRILLER等，该平台的钻井控制系统是由AKMH打包提供的，船厂对该系统进行了安装和调试。

内外通和导航系统与普通船舶无大的差异，最大的特点是将自动电话、Internet网络、娱乐系统进行了三网合并，节省了大量电缆。

电力系统：该平台的电力系统较为单一，有4组电力单元，由四个相互之间A60分隔的主配电板室和两个独立的钻井配电板室组成，分别控制全船的用电设备。2号船在1号船的基础上进行了优化，增加了两个辅助配电板室和四个推进器室配电板，将配电板分散，更便于就近供电，节省了大量的动力和控制电缆，现场施工更加方便快捷。

该平台电力系统的另一特点是无应急发电机，任何8台发电机组中的任何一台都可以设定为应急发电机，4个11kV高压配电板组成环形闭合回路，可以并网供电。全船有4个满足DP分隔的10kVA UPS给发电机组和推进器相关的控制设备供电，另有主100kVA UPS和钻井50kVA UPS，重要设备都具备主230V电源和UPS 230V电源的双路供电，完全满足DNV规范要求。

电力系统各用电设备的合理分配是平台配电设计的一个关键， 对CONSUMER LIST的设计，首先应当考虑在满足DP-3要求的情况下合理设置配电板，分清4组电力单元各自的侧重点，船用设备和钻井设备、重要设备与非重要设备应合理分开。然后在就近分配电力、平衡负荷的基础上，兼顾ESD-F&G系统的设计，尽可能让ESD-F&G系统简单而富有逻辑性。

钻井系统：该平台具有一套全自动的钻井系统，在钻井作业时，钻台上仅需2名工作人员在司钻房内即可远程控制操作所有大型钻井设备，安全可靠。系统包括钻井平台、钻塔、绞车提升系统、水龙头、隔水管张紧系统、泥浆循环系统、天车补偿系统等等。

首先，说一下泥浆循环系统。其具有清洁、冷却和润滑钻头；将井中的切屑带出油井；控制井下压力；防止井口塌陷；通过返回的泥浆来获得井下信息等5大功能。

泥浆泵是整个钻井系统的心脏。该平台共有4台高压泥浆泵，泥浆泵在很高的马力下从泥坑中吸入泥浆，泥浆被泵送到钻井平台上的立管中，经过软管进入TOP DRIVE，钻杆，最后到达钻头。在喷射状态下从钻头上的孔中喷出，携带被钻头切下的岩屑从环形空间返回地面。将会再经过油气分离器除去泥浆中带出的油气，振动筛除去里面的比较大的岩块，除沙器除去沙子等一系列过程，直到泥浆再次回到泥坑。在这个循环过程中，泥浆的一些特性会发生变化，泥浆然后被泥浆混合泵泵送到混合斗，在这里一些比重比较大的物质如陶土，重晶石等被添加到里面，或者通过机械分离的方法除去里面比重比较大的物质。或者进入泥浆处理房添加一些添加剂，以便再次循环。

泥浆泵可产生高达5000磅的压力使泥浆得以循环，排出总管的设计压力7500磅，在深水钻井中甚至达10000磅。在设计泥浆泵的进出口管线和泵的选择中，应考虑到泥浆在钻井过程中扮演的角色，有以下3个方面影响到钻井的穿透性。1、钻头上的重量；2、旋转的功率；3、钻头上的液压力。对于前两个方面，钻头上的重量的增加，旋转功率的增大，都会提高钻井的穿透性。但要么成本过高，要么会加大钻杆各连接处的振动。而对于钻头上的液压力，取决于泥浆泵的容量，钻杆尺寸，钻头孔眼的大小。这就要求泥浆泵能够产生足够高的压力，克服循环过程中的摩擦损失，以高速从钻头孔眼喷出，带走切屑。

其次是隔水套管张紧系统。隔水套管张紧系统是用来解决浮式钻井平台在海面上由于海况的变化导致平台产生摇摆和上下起伏运动的问题。在平台上采用的是直接作用张紧器，它具有6个张紧器，最大张紧力可达500万磅，与隔水管移动器成一体化，具有不占用甲板空间、重量轻、重心低等特点。整个系统包括多个气缸活塞组，蓄能瓶，张紧器连接环，以及控制系统等。最上面的1节隔水套管是滑动连接的，从而保证了它有伸缩的空间.在这节隔水套管上面固定着张紧器连接环，汽缸活塞组的通过连接环掉着隔水套管。汽缸被活塞分割成2个独立的空间，一个空间充有液压油和另外一个空间充有压缩气体。汽缸活塞组经软管连接着蓄能瓶和控制系统。值得注意的是，张紧器的张力不能超过整个隔水套管加上BOP的重量加上循环中泥浆的重量的总和,但同时也要提供大约20%至40%隔水套管重量的张力。当平台有起伏运动时，由于空气的可压缩性，隔水套管系统可以补偿这部分位移。当然，这个位移是有限度的，它取决于汽缸活塞组的冲程。超过这个限度的话，也会危及到钻井操作。

还有天车补偿系统。该系统是用于解决浮式钻井平台在海面上由于海况的变化导致平台上下起伏导致钻压不稳定的问题。在平台上具有两种补偿器，一种为主动升降补偿器AHC，一种为天车补偿器DSC，这两个补偿器统称为Crown compensator。AHC为一根25ft长的双作用液压缸，安装在钻塔顶部，直接与Crown block相连接，使Crown block与海床有一个相对固定的位置，确保载荷和相对运动变化为最小值。AHC控制系统是基于运动传感器（MRU）将信号传递到电脑，然后由电脑发送信号到液压系统，通过液压系统来调节AHC的伸缩量，达到补偿的目的，AHC具有一套单独的液压单元来为其提供动力。DSC是一个特殊的波浪补偿器，由一套顶部钢结构件，两台补偿器、双摇臂装置、天车、压缩空气罐，液压动力站和一套控制系统组成，安装在井架顶部的补偿器将大钩载荷直接传到天车上，独特的角度使垂直力保持为一个恒定的常数，使钻压波动达到最小。通过AHC与DSC这两套设备的相互配合与工作，才使得真个钻井过程能够持续稳定的进行下去。

目前，中远船务为挪威船东设计建的“希望3号”超深水圆筒型钻井平台已上船台搭载，“希望4号”也已开工。形成了该项目独有的系列产品市场，国际市场占有率为100%。