半潜式钻井平台动力控制系统及其能源管理系统

2020-06-08孙玉海鲍宁韩华伟姚竞争

工业技术创新 2020年2期

孙玉海，鲍宁，韩华伟，姚竞争

（烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东烟台264000）

引言

伴随我国对能源需求越来越大，当前陆地、浅海能源已经很难满足社会发展需要，必须着力于远洋深海的海底资源开发。在这一背景下，半潜式钻井平台相关技术的研究被提上重要议程[1-2]。

在半潜式钻井平台下，船舶动力系统及其配套控制系统为船舶提供动力支持，故可以看作是船舶的“心脏”，其设计需要考虑到船舶的总体运行稳定性、设备安全性等因素[3-4]。随着信息化与工业化深度融合，能源管理系统（Power Management System，PMS）已经成为钻井平台智能化控制的核心，不仅能起到能源节约的作用，对平台经济效益的提升有重要的影响，而且关乎能源供应的连续性、可靠性和质量，对平台的技术经济指标有直接的影响[5]。

本文分析了半潜式深水钻井平台的动力控制系统及各子系统的运行操作特点，以明确动力控制系统集成控制的功能及技术要求，完成新型能源管理系统的集成设计方案。

1 子系统控制设计

1.1 工况切换控制

高压配电盘包括4个独立的配电盘，通过断路器互相连接，形成一个环形供电网络结构。在不同的工况下，主电力系统运行采用的供电方式各不相同，所设计的控制系统根据不同的工况控制断路器，将主电力系统运行分为7个模式，如图1所示。

模式1：闭环—正常钻孔/施工模式。“闭环”就是指在网络结构中形成“环状”，确保网络中电压稳定在同一数值，如图1a所示。

模式2：二分—正常钻孔/施工模式。对于不同区域的钻井负载，通过二分供电，既保证网络中电压稳定，也保证供电充足，如图1b所示。

模式3：四分—在恶劣天气条件下钻井模式。“四分”即指将整个发电系统分为4个独立发电区。在恶劣环境下，钻井作业通过四分模式单独供电，保证供电充足，如图1c所示。

模式4：闭环—过渡模式。对于不同模式之间的过渡，需要保持发电区联通，如图1a所示。

模式5：闭环—待机模式。当系统待机时，发电区并不能完全停机，需要时刻保持能够并网发电，如图1a所示。

模式6：四分—紧急（停电重启）模式。四分模式能够精准地控制各个发电区在紧急情况下停机，如图1c所示。

模式7：单个独立分环（黑启动从死船开始）模式。“死船”即指全船停电，“黑启动”即指在死船情况下进行发电重启。通过单个独立分环对发电机进行启动控制，使得系统能够很快进入正常工作，如图1d所示。

1.2 发电机组启动控制

图1 工况切换控制图

半潜式钻井平台的能量管理系统对发电机组的启动控制，是指通过一定的逻辑关系，使各发电机实现自动启停，并起到监测的作用。通过已设定的选择逻辑，设定不同区域发电机的启停优先级。根据船舶动力系统发电机数目设定待机指令，例如待机1～8。如果两个或多个发电机设置有相同的待机号，则功率最低的发电机将首先启动，最后一个停止。在同步模式下，具有最低备用编号的交换机将首先启动。即使交换机是分开的，备用编号仍然可以是1～8。操作员可以根据当前的交换机备用编号进行组态，并且可以更改待机号，以平衡所有发电机的运行小时数。

先进的发电机监控系统（A G S）如图2 所示。AGS可以通过更少的发电机提供更充足的电力。AGS监控发电机的健康状况，实现发电机速度控制（主动负载分配）和发电机电压控制（无功负载分配）。如果发电机发生故障，使发电机的健康状况到达临界值，AGS将控制故障发电机关闭。

AGS将持续测量值与根据系统内部模型得到的估算值进行比较，用于检测哪个发电机有故障。每个交换机的“segment”配备了各自的AGS功能，并对整体进行检测，得到所有连接到交换机节点的发电厂状态和其他AGS状态。AGS将在下垂和等时操作模式下进行速度控制，并对内部模型进行相应调整。控制系统也将处理不同的可用的非对称负载共享模式，这包括不对称加载（基本负载/MW控制），此时负载共享由等时操作模式控制的外部系统。如果响应不符合，AGS将发出警报，并启动待机模式，以启动内部模型。如果内部模型与响应之间的偏差超过了指定的限制值，AGS将使发生故障的发电机跳闸。

1.3 配电盘控制

配电盘的主要断路器和馈线断路器均受到PMS监控和控制。

配电盘中的断路器通过保护继电器实现本地安全。配电盘的进线断路器和母线断路器在欠压下跳闸（低电压保护），但配电盘的变压器断路器、钻井驱动器和推进器驱动器没有欠压保护。母线断路器通过安装在主电源中的同步装置关闭交换机，关闭任何提供同步的单元，并从PMS激活“关闭CB”输出信号，关闭信号被连接到总线，同步单元将检测到这一关闭信号，并发送信号到最接近的受控制开关。在主配电板没有同步装置的情况下，远程关闭母线断路器仅适用于下垂操作模式，这个过程使得配电盘控制操作只能手动进行。船舶原动机（柴油发电机）的运行速度由PMS模块的原动机电子调速器实时控制。在检查同步之前，将参数设置为预定义值，关闭总线断路器（也可能由于超时而取消命令）。如果在等时操作模式下远程关闭母线断路器，PMS将暂时切换到下垂操作模式，以执行断路器闭合，然后在断路器闭合后，返回等时操作模式。

1.4 基于负载的启动控制

PMS通过查询系统负载情况，控制投入到主配电板的柴油发电机的数量，其目的是确保实际负载在适当的发电机的数量下实现可用功率输出的安全限制，并根据实际情况增加或减少一个发电机的行程，以实现最佳的能源效率和燃油经济性。基于负载的启动/停止功能基于总机的百分比负载。为了启动负载，可以定义具有不同时间延迟的两组值，还可以基于当前测量值定义更高时间延迟，以启动依赖于负载的发电机。如果发电机的剩余负载超过预定持续时间的规定限值，则与负载相关的发电机停止。如果PMS以分离式母线配置运行，则与负载相关的启动/停止功能将独立运行，以控制发电机的数量。如果发电机具有不同的额定负载，则通过考虑总线上的百分比负载来控制发电机。

图2 先进的发电机监控系统（AGS）

1.5 负载分配和网络频率控制

负载分配以两种不同的模式运行：Isochronous 和Speed Droop。可以通过PMS Mimic上的“软按钮”选择负载分配模式。要避免在同一个交换机上混合使用负载分担模式，虽然每个发电机上的选择器没有单独的模式，但每个配电盘只有一个按钮。如果两个或更多交换机互连，那么一个交换机上的按钮操作将改变所有连接的交换机的模式。如果一个PMS发生故障，则该发电机将处于下垂操作状态（与手动模式相同）。剩余的交换机将执行负载共享。

同步负载分配是从PMS角度考虑的“外部控制”，即不来自PMS的速度控制。选择下垂模式时，PMS通过调整调速器升高/降低脉冲来确定发电机的速度。

1.6 重载启动控制

重载启动控制执行以下功能：

（1）监控总线和发电机状态；

（2）监控参数设置，指定每个重载；

（3）请求启动备用发电机；

（4）控制重载的电力联锁状态。

重载启动控制的开关可以控制重载的启动限制。每个定义的重载都将有指定启动限制的参数设置。启动限制基于总线备用容量和/或连接到总线的发电机数量。操作员启动重载时，基于软件配置，进行手动启动或自动启动。控制重载的软件算法将向PMS发起电力需求请求。PMS将检查重载启动限制的参数设置，并比较总线和发电机在这些设置下的实际状态，决定是否允许请求。

2 基于分布式动力控制系统的能源管理系统

能源管理系统的优点是经济性、安全性、可靠性。基于分布式动力控制系统的能源管理系统是集监测、控制、保护和管理于一体的综合系统，该系统包含了多项先进技术，如传感与变送技术、计算机与网络通信技术、控制与调节技术、信息处理与显示技术、系统决策与管理技术等。基于分布式动力控制系统的能源管理系统结构如图3所示。其中，能源管理系统为每个高压配电盘配置一个信号采集箱，每个信号采集箱和高压配电盘为一组，且相互独立。如果其中一组发生故障，就会发出故障报警，但不会影响到其他组。控制系统采用冗余双数据线进行网络传输，保证了数据的无缝连接。

结合子系统的控制设计，基于分布式动力控制系统的能源管理系统的功能如下。

2.1 发电子系统自动控制

图3 基于分布式动力控制系统的能源管理系统

发电子系统由原动机（柴油机、汽轮机、燃汽轮机）、发电机、线路以及电力开关等组成。根据船舶电力需求，可以把多台发电机分成2个、3个或者更多发电区，确保电力充足。本文所设计的能源管理系统对于各个发电机以及发电区进行独立控制，采用冗余双数据线进行网络传输，能够对发电机组进行精确控制。发电子系统自动控制的主要功能如下。

2.1.1 发电机组自起动

船舶电力系统的局限性，容易使得发电机组由于电网负荷变化以及电网失电等原因发生停机故障，因此发电子系统自动控制发电机的启停。同时为了确保船舶电力系统的安全性，在控制过程中设有起动以及起动失败报警功能。

2.1.2 发电机组调频调载

每当有新的机组并网发电，能源管理系统即控制在网发电机组同时进行频率、有功和无功的稳定调节。

2.1.3 各发电机组起停顺序设定

由于船舶电力系统发电机组组成繁杂，因此在分区供电和统一供电时，要根据系统的实际电力需求进行发电机组的启停顺序设置，从而达到节省能源的目的。