自升式钻井平台电站安全性分析

于栋亮，张学辉，田庆明

（1. 上海外高桥造船海洋工程设计有限公司，上海 200137；2. 上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

自升式钻井平台电站安全性分析

于栋亮1，张学辉2，田庆明1

（1. 上海外高桥造船海洋工程设计有限公司，上海 200137；2. 上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

自升式钻井平台是海上油气钻井钻探的主要装备。将故障树分析法应用于钻井平台电站自动控制系统，创建了电站自动控制系统的故障树，完成对钻井平台电站自动控制系统故障树的定性分析，总结影响电站安全的基本事件及应对措施，同时给电站操作者提出一些建议，对提高自升式平台安全可靠性有一定的实用意义。

故障树；安全；自动化

0　引言

JU2000E自升式钻井平台设有6台柴油发电机，一台应急发电机，主发电机额定功率为1534kW，应急发电机额定功率为800kW，整个电网系统由690V主配电板、480V主/应急配电板、230V主/应急配电板组成。JU2000E自升式钻井平台的功率管理系统是一个配有发电机智能控制单元（PPU）、调压器、调速器、一个单独的PLC和MP377触摸系统的综合控制系统。每一台发电机PPU控制单元都具有功率管理、控制和保护功能，任何一台机发生故障都不会影响整个电网的可靠性。6个PPU控制单元由PLC集中控制，每个控制单元间通过CAN总线进行环网通信。此外，PLC通过Profibus-DP协议传送大量的信号和信息给中央控制系统，与其进行数据交换。

故障树分析法是可靠性工程中最有效的方法之一，特别适合于大型复杂系统的分析，它可作为评价系统可靠性和安全性的重要手段。故障树分析法目前已普及到诸多领域，钻井平台电站作为钻井平台的一个重要组成部分，也是钻井平台自动化技术的重要标志，它通常被用来衡量一个平台可靠安全的重要指标。一方面直接影响了钻井平台的经济产出，另一方面，对平台涉及的人身安全也有很多间接的影响。因此自升式钻井平台电站安全可靠性研究是故障树分析法的应用领域之一［1］。

1　平台电站故障树的建立

故障树分析法简称FTA（Fault Tree Analysis）法，在核电站的安全分析、宇航、交通、电子等工业得到广泛应用，并取得良好的效果。

1.1 故障树分析法的主要特点

1）目标：全面查清引起故障的原因和事实真相，评价各种原因对系统故障的影响程度并采取相应的措施，切实地加以改进；

2）分析对象的选取标准：以重大故障作为分析对象，系统地整理故障发生的原因及其因果关系；

3）分析方法概要：运用理论符号和逻辑推理对复杂的故障和危险逐个地、系统地进行分析；找出原因及其间的因果关系；明确基本事件发生的概率和场合；最后求出系统发生故障的概率；

4）分析的性质：对产品、装置、部件、系统的可靠性，安全性进行定性和定量的分析；

5）预期效果：根据已经明确的故障发生过程，判明可靠性、安全性方面存在的问题，找出需要进一步研究的课题。

采取措施，如分析系统设计薄弱环节，加强工程管理，加强维修，充实部件备品，完善使用说明等，切实防止故障发生。

1.2 基本实施步骤

FTA法的基本实施步骤包括：选取顶事件，建立故障树，求故障树的最小割集［2］，列出系统故障概率公式。

1.2.1 顶事件的选取

顶事件就是最不希望发生的故障状态。它可以根据人们最关心的问题来选取，但须坚持下列原则：顶事件发生是否必须有明确定义；顶事件必须能进一步分解，这样才能按顶事件发生的逻辑关系建立故障树；顶事件能定量地度量。

根据上述原则，在船舶电站故障树分析法中，可以选取黑启动（BlackOut）作为顶事件。

1.2.2 建立故障树

这是故障树分析中最关键的一步。建立故障树实质上是找出系统故障和导致故障的诸因素之间的逻辑关系，并将这种关系用特定的图形-故障树表示出来。故障树的分析需要设计人员、生产管理组织人员、现场操作人员按照图形所列举的步骤，通过密切合作来实现［3］。图1为平台电站故障树。

1.2.3 定性评估故障树

所谓定性评定故障树就是找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，即求出故障树的所有最小割集［4］。

设给定的故障树T，由所有集合B1，B2，……，Bm组成。此处Bm=｛Xm1，Xm2，……，XmK｝是基本故障事件的集合。仅当这些基本故障事件同时发生时，顶端事件才会发生，则称Bi为故障树的一个割集。如有这样一个割集，从其中任意移走一个组件后，就不再是割集，则称这个割集为最小割集。从工程上讲，最小割集表征了系统故障的充分和必要条件。把组成最小割集的基本故障事件的数目称为该最小割集的阶数。

图1　平台电站故障树

注：T——黑启动；X1（3N-2）——N号发电机缸套水温度高；X1（3N-1）——N号发电机滑油压力低；X1（3N）——N号发电机超速；X21——母排相间短路；X22——母排对地短路；X31——电网有功分配故障；X32——电网无功分配故障；X41——船用负载故障；X42——钻井负载故障。

对于1.2.2所述故障树，

因此故障树顶事件T的结构函数表达式为：

假设以上基本事件的失效度为Q，则整个电站的失效度为QS=（Q11+Q12+Q13）x…x（Q1（3N-2）xQ1（3N-1）xQ1（3N））+ Q21+Q22+Q31+Q32+Q41+Q42，则整个电站的有效度为AS=1-QS=1-（Q11+Q12+Q13） x···x （Q1（3N-2）xQ1（3N-1）xQ1（3N））+Q21+Q22+Q31+Q32+Q41+Q42。

2　电站安全性措施分析

通过故障树分析法可以看出，整个电站的安全性与每一个基本事件的失效度有关，因此为了提高整个电站的安全性，必须通过配电板智能保护模块和电站管理系统（Power Management System，PMS）上配置的功能模块来降低每个基本事件的发生率。下面基于电站已经配置的功能来分析整个电站的安全性［5］。

2.1 电站安全性措施

2.1.1 发电机组保护功能

1） 报警启动功能。当发电机有一些重要报警（缸套水温度高、滑油压力低、绕组温度高、轴承温度高）发出时，PMS将会自动启动备用机代替故障机，以防止发电机组状态进一步的恶化；

2） 过载、欠压、过压、欠频、过频、逆功的保护功能。在整个电力系统中，发电机的此类保护有两种方式，一种是通过主开关实现，另一种通过发电机屏的PPU模块来实现；

3） 电流差动保护。通过检测发电机端和配电板的电流偏差来保护发电机，当发现存在电流差时，智能模块为防止发电机组发生短路，为保护整个电站的安全性，发出灭磁命令；

4） 优先级别选择。整个电网有6台发电机组，从维护使用寿命角度来讲，每台电机的工作时间尽可能保持一致，定期调整发电机优先级来均衡每台发电机组在网时间，实现6台发电机组全生命周期管理；

5） 通用报警输出。每台发电机只要有任何报警发出，在配电板上都会有发光指示，操作者可以根据此信息检测主机状态。

浙江地质灾害防治知识进农村（省厅地环处等） ............................................................................................5-11

2.1.2 电网保护功能

1） 绝缘检测。在每一级电网上都配有绝缘检测功能，此报警送入中控室，大大降低短路故障率；

2） 母排断开功能。用母排开关上的OFF按钮将母排分段，也可通过数字量输入或者自动操作按钮来完成。在断开母排前，PMS将会检测两段母排的功率来启动柴油发电机。如果柴油发电机无法承担负载，将会发出“母排无法断开”信息，母联开关继电器将会闭合；如果一边母排的所有发电机组在不可用状态，母联开关将不会被打开，不会进入母排断开控制模式。一旦母排开关断开，将会进行每段排的负载计算，实现负载参照启停功能。当一段母排发生短路时，母排分段功能自动实现，大大降低黑启动几率；

3） 负载参照启动。电站控制系统可以根据平台电网的负载使用量来启动或者停止主机，科学安排发电机的运行效率，当主机负荷率超过设定值时自动启动主机，当主机负荷率低于设定值时，电站自动停止主机；

4） 优先脱扣。有一些非重要的负载可以被脱扣，在PMS中可以实现优先脱扣功能，这些非重要负载可以分为两组：脱扣1和脱扣2。当允许主机运行功率超过设置值时，相关的负载组可被脱扣。设置值可根据现场实际需求由客户来修改和设定；

5） 功率分配（有功、无功）。维护同步发电机电压及无功功率的恒定和船舶电力系统频率及有功功率的稳定是保证船舶电力系统供电品质的重要指标。因此，船舶电站必须配有对这两种功率控制调整的装置。① 自动电压调节器（AVR）：自动电压调节器控制励磁来控制无功功率。② 调速器：调速器获得发电机转速的数据并将控制信号传递给执行器，并且根据负载变化调节发动机转速。③ 主机屏：配电板屏有一个配电板模式选择，可以通过此屏来控制主机信息。通过主机屏上的旋钮和开关来控制主机电压和速度；

6） 功率限制。钻井平台上，钻井和泥浆变频器都是大功率负载，因此，系统配置一个防止主电站过载和黑启动的过载保护功能，此功能安装在钻井系统的电力系统和主要负载中。由于这个系统独立于 PMS系统操作，即便在 PMS失效的情况下，它还能正常运行。此外，当可用功率减少时，为了保护电站和避免系统崩溃，系统能快速做出反应，从实际载荷增加时起到发动机的载荷状况又回到正常水平为止，西门子功率限制系统的总反应时间在150～200ms。

每台发电机的实际功率可以从发电机屏的PPM3控制传感器获得4～20mA信号，这些信号被送至变频器控制单元，发电机、主机的最高负荷率将被送至变频器控制PLC。其他必要设备和功率限制所需的逻辑也被送至变频器系统。

整个系统通过一个快速应答转换器来感应可用功率，以便主机负荷控制在合适范围之内。

2.1.3 主电网控制系统环网通信功能

该钻井系统的通信都是环网设计，设备级别的单点故障不会引起系统瘫痪。当某台发电机 PPM模块故障时，由于模块间通信是环网设计，因此某个模块故障不会影响整个系统运行。此设计大大降低系统故障率。

2.2 电站安全性分析［6］

根据平台电站管理系统功能模块的介绍，针对平台的4大主故障（发电机故障、电网短路故障、电网过载故障、控制系统故障）都有相应的解决措施，图2为平台4大故障与相应措施。

根据电站的失效度公式QS=（Q11+Q12+Q13）x…x（Q1（3N-2）xQ1（3N-1）xQ1（3N））+Q21+Q22+Q31+Q32+Q41+Q42，可以判断出，只要合理降低每个子事件的失效度，就能大大降低整个电站的失效度。通过以上介绍，整个电站的功能模块能大大降低子事件的失效度Q，从而提高了整个电站的有效性。在平台实际使用中，其安全性除了与电站功能配置有关，还与操作的规范度有关，很多事故是由于误操作而导致的。因此在平台工作过程中，规范操作者的行为显得尤为重要。

图2　平台4大故障与相应措施

3　建议

3.1 定期记录并分析电站状态参数

电站管理系统会实时记录电站发生的事件，巡检人员应定期根据事件列表分析电站的状态，对发生率比较高的事件加以分析，及时预判故障的发生，以防小故障酿成大事故。

3.2 熟知电站操作手册和特殊功能

电站操作者在上岗前应进行岗前培训，熟知操作手册，尤其要熟知平台上配置的特殊功能，因为一旦操作失当，会引起严重的后果。对于重要的操作步骤，在设备操作面板上应配置详细操作步骤和警示。具体特殊功能如下：

1） FEED BACK功能。当全船低负荷状态运行时，为了减少电能损耗，平台可以通过应急发电机来供电；

2） 应发机组维护测试功能。应急发电机的使用率非常低，但从保养维护角度需要定期测试应急发电机组的状态，应急配电板配置了智能模块，应急发电机组启动后短暂并入电网，分担电网负荷，5s后卸下负载立即退出电网。

4　结语

在充分掌握平台电站工作原理的基础上，确定该电站系统的顶事件BLACK OUT，对其进行人工建树，编写出系统有效性公式，完成船舶电站故障树的定性分析，得到了系统故障树的最小割集，总结出影响故障的基本事件，由此得到电站系统所应具备的保护功能。结合上海外高桥造船有限公司现有平台电站系统设计的特殊性，给操作者一些指导和建议，以利于平台电站的安全运行。

［1］ 吴志良. 船舶、港口电气系统可靠性工程及应用［M］. 大连：大连海事大学出版社，2006.

［2］ 陈先列，李增生，宋燕民，等. 故障树分析法在高炉下阀箱温度偏高故障诊断中的应用［J］. 故障诊断，2010 （6）: 33-47.

［3］ 赵薇，贾民平，黄鹏，等. 故障树分析及其在制粉系统故障诊断中的应用［J］. 振动、测试与诊断，2006，26 （4）: 288-331.

［4］ 朱芳仪. 故障树分析法在工控故障诊断中的应用［J］. 现代电子技术，2012，34 （8）: 104-106.

［5］ GUPTA S. Replacement and maintenance analysis of longwall shearer using fault tree technique［J］. Mining Technology，2006，115 （2）: 49-58.

［6］ 郭富源. 故障树理论在远程故障诊断系统中的应用研究［D］. 大连：大连理工大学，2007.

Safety Analysis on the Power Station of Jack-up Drilling Platform

YU Dong-liang1，ZHANG Xue-hui2，TIAN Qing-ming1
（1. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding & Offshore Engineering Design Co.，Ltd.，Shanghai 200137；2. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.，Ltd. Shanghai 200137）

Jack-up drilling platform is one of the main offshore oil and gas exploration equipment and failure tree analysis is the method to be used to study the automatic control system of the drilling platform power station. This paper establishes the failure tree of the power station automatic control system and carries out its qualitative analysis. The basic incidents that influence the power station safety and their countermeasures are summarized and some suggestions are proposed to the power station operators，which is of practical significance for the improvement of the safety and reliability of jack-up platforms.

failure tree； safety； automation

U674.38+1.03+3

A

2095-4069 （2016） 03-0044-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.008

2016-03-11

于栋亮，男，工程师，1986年生。2007年毕业于江苏科技大学电气工程及其自动化专业，现从事电装设计工作。