DP-3 钻井船应急关断系统自主设计

曾国咏 郭 烨 张 威

（上海振华重工（集团）股份有限公司 上海200125）

引 言

由于全球对原油需求的持续增长，海洋石油深海探索日益加剧，海洋工程技术也得到飞速的发展与提高。海上人命、平台安全问题已是海工行业稳定发展的重要课题。

应急关断系统是当发生意外事故时，通过限制它的持续时间、扩散区域和严重程度［2］，尽可能将危害控制在最小范围内，从而保护海上人命、环境和设备的安全。该系统主要通过船舶/平台上的设备关断和报警通告来实现。

激活应急关断系统能确保船舶和设备的安全要求，以便尽可能减小应急情况造成的影响。

目前大型海工项目应急关断系统的设计，真正由船厂自行完成整个系统的设计是相当少的，一般借助于成熟厂家的设计（如Kongsberg Emerson 等），这些厂家的设计方案多数基于他们已做过项目的经验，对于船东个性化的需求考虑比较少，而且厂家的设计需要船厂设计人员提供最新的设计输入，一旦设计输入的变化引起厂家设计的变化，厂家都会提出高昂的设计变更费用，并且厂家修改的周期不可控，可能会造成很多额外的隐形成本。

本文着重于DP-3 超深水钻井船应急关断系统的自主设计，根据船东个性化需求，由船厂人员自行完成整个系统的设计，实现应急关断系统的完全控制，减少因单个区域发生火灾或探测到气体对附近区域、DP 能力、钻井操作乃至全船的影响，从而保障海上人命、平台的安全。

本文基于某由GE 提供应急关断设备的钻井船，采用安全完整性等级SIL 控制器和双重冗余网络，由船厂完成自主设计，能满足当前主流钻井船或钻井平台，特别是DP-3 紧凑型深水钻井船的使用要求。比较Kongsberg Maritime 的应急关断系统控制集成在中控系统中，属于全船中控系统的一个分系统，本项目的应急关断系统设计为一套完全独立于中控系统之外的系统，具有完全的独立性和更高的可靠性，便于船厂的自主设计在后续项目及类似项目的推广应用。

1 应急关断系统设计方法

通过研究DP-3 紧凑型深水钻井船的应急关断系统的设计，结合结构、管系、通风、电气相关系统的合成，从系统的配置、系统的网络、关断等级的划分、系统的接口、技术文件的输出等，总结出一套完整的应急关断系统设计方法，对于此系列的钻井船或钻井平台有着积极的指导作用。本文将从以下几个方面简单阐述。

1.1 基本技术状态

本船由6 台柴油发电机组分别位于3 个机舱中，并通过3 块11 kV 高压配电板、3 块440 V 低压辅助配电板、2 块440 V 钻井辅助配电板、2 块600 V 钻井VFD 配电板、6 块推进器VFD、6 块推进器MCC、5 块泵舱MCC、以及若干220 V 配电板和UPS 进行配电。

本船由6 台全回转推进器组成，根据DP-3 要求分为3 组［5］。应急关断系统设计紧密依靠此3组电力系统分隔进行分散式设计，如图1 所示［1］。

图1 DP-3分组

1.2 设计思路

1.2.1 应急关断系统的配置

该船采用GE 的应急关断系统，系统组成如下：

（1）两套应急关断控制站，每套控制站由1 个主控制柜和1 个信号采集柜组成，每套控制站都包含输入/输出模块、冗余控制器以及和其他系统之间的硬点/软点的通讯接口，控制器本身满足安全完整性等级SIL 2 的要求；

（2）3 个安全操作工作站（和火气系统共用）；（3）双冗余网络；

（4）4 块带应急关断按钮和指示以及火气系统指示的矩阵板；

（5）若干安装在船上重要位置的能激活应急关断系统相应等级的就地应急关断按钮。

因该船总长约210 m，所以2 个主控制柜和2个信号采集柜各分为前后两组，一组位于船首生活楼里面，一组位于船尾集控室中，以便于相应电缆的敷设和节省电缆。

1.2.2 应急关断系统的网络

应急关断系统由两个网络组成，一个是SIS 信息网络，一个是SIS 安全网络，两个网络都是冗余的，并且相互独立互不影响；同时SIS 信息网络和全船集中控制系统IAS 网络进行通信［4］，实现数据共享。

SIS 信息网络（SIS Information Network）：应急关断系统通过专属的信息网络连接到连接在中控网络上的3 个安全工作站，以便操作员监视和控制应急关断系统。同时，因为信息网络连接到中控网络，所以应急关断系统也可以实现从中控系统控制站上监视和控制。

SIS 安全网络（SIS Safety Network）：该网络用于连接所有的应急关断和火气安全系统，这是一个具有双重冗余的安全完整性等级SIL 3 专有协议，基于以太网的网络，任何其他系统/设备都不能连接至该网络中。

艏部和艉部的应急关断控制柜直接通过专属的安全网络相连接以确保艏艉组成一个完整的应急关断系统，实现控制逻辑的完整性和统一性。

1.2.3 应急关断系统等级的划分

该船的应急关断系统分为4 个等级。

（1）4 级：弃船关断

此系最高等级的关断，仅仅在弃船前激活，用于隔离不间断电源及其电池、应急发电机开关、应急配电板。

（2）3 级：火气关断

● 3-3 级：主要区域火气关断

该级关断包含DP 左舷部分电源、DP 中间部分电源、DP 右舷部分电源、钻井区域和生活楼区域。

3 个DP 部分电源关断严格根据DP3 要求划分，用于隔离对应的高压配电板、低压配电板及关断该区域的水密滑门、风机、防火风闸［3］；钻井区域根据钻井作业划分，用于隔离600 V 钻井变频配电板和钻井440 V 辅助配电板；生活楼里面因为人员众多，从安全性和重要性考虑也划分了一个较高的等级，用于关断生活楼防火门、风机、防火风闸。

● 3-2 级：次要区域火气关断

该级关断包含3 个机舱、6 个推进器舱、5 个泵舱、应急发电机室和5 个蓄电池间。这些舱室主要根据DP 和钻井作业划分，用于关断相应区域的油泵、风机、防火风闸、水密滑门，应急发电机室关断还包括关断应急发电机，蓄电池间关断还包括关断蓄电池充电器。

● 3-1 级：其他区域火气关断

该级关断包含厨房和洗衣间，因这两房间属于比较容易着火的区域，用于关断相应区域的风机、防火风闸、厨房设备、洗衣设备。

（3）2 级：进程关断

钻井相关进程的关断，如泥浆处理系统、固井系统、液压系统、顶驱系统、绞车系统等属于钻井包的关断范围。

（4）1 级：设备关断

单个设备的关断，属于每个设备自身的关断范围，如锅炉、焚烧炉的应急停止。

1.2.4 应急关断系统的接口

应急关断系统将会从火气探测系统接收信号，并将信号发送至需要关断的设备。主要与其他系统的接口如下：

（1）火气探测系统

（2）中控系统

（3）主发电机组

（4）应急发电机组

（5）不间断电源

（6）风机和油泵相关的配电系统

（7）防火风闸系统

（8）水密滑门系统

应急关断系统主要接收从火气探测系统探测到的火灾、可燃气体和有毒气体的确认信号，从而关断相应区域的相关设备，如风机、油泵等，以降低可能会造成的影响。应急关断系统还会从火气探测系统接收防火风闸的关断信号，从而关断相应的风机，以实现风闸与风机的连锁。

就地设备（如风机和油泵），原则上是从上一级的配电板、马达控制中心或分电箱上实现关断，从根源上关断其电源，更加安全可靠。

1.2.5 技术方案的输出

完整的技术方案输出图纸清单如下：

（1）应急关断系统规格书

（2）火气系统规格书

（3）火区的划分

（4）火气探测系统的布置图

（5）火气探测系统的回路图

（6）应急关断系统的输入输出清单

（7）火气系统的输入输出清单

（8）应急关断系统的因果逻辑图

（9）火气系统的因果逻辑图

（10）安全系统设备清单

（11）应急关断系统图

1.3 系统特点

（1）安全性高。单个区域发生火灾或探测到气体不会对相邻区域造成影响，特别是对DP 和钻井操作的影响减小到最小。

（2）可靠性高。本系统配有满足SIL2 要求的三重冗余控制器和双重冗余网络，增加了系统的可持续性。

（3）自动化程度高，本系统设有手动、自动和越控抑制模式，能满足各种条件下的使用要求。

（4）操作方便，本系统在控制站设有3 个工作站和4 个Matrix 板，方便操作、报警和指示。

1.4 IO点

对于本项目，应急关断系统约有520 个硬点，其中不包括风闸关断的硬点。原则上对于一般的IO 硬点采用正常通电NE（Normally Energized）信号，不具备线路监测功能，对于影响DP 和钻井作业相关的IO 点采用正常不通电NDE（Normally De-energized）信号，并具备断线监测功能。

2 结 语

随着深水钻井作业的日益增加，DP-3 应用会越来越多，适用于DP-3 的应急关断系统也将得到广泛应用，特别是在作为主流船型的DP-3 紧凑型深水钻井船上。

本文通过对DP-3 钻井船应急关断系统的研究分析，结合DP-3 的相关技术要求，对DP-3 类型钻井船的应急关断系统的设计进行汇总整理，内容涵盖应急关断系统的配置、网络、关断等级的划分、系统的接口和技术文件的输出。全面性地对DP-3钻井船的应急关断系统设计进行剖析和设计说明，可为同类型海洋工程项目应急关断系统设计提供参考依据。