張力腿平臺電力系統(tǒng)應(yīng)用研究

盧雪松

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

張力腿平臺電力系統(tǒng)應(yīng)用研究

盧雪松

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

張力腿平臺(Tension Leg Platform,TLP)是一種通過張力腿系統(tǒng)固定在海底的浮式海洋平臺。張力腿能夠保證平臺在風(fēng)、浪、流的作用下保持位置并限制平臺的運(yùn)動。電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)是海洋工程眾多領(lǐng)域中的一個(gè)專業(yè)，而電力系統(tǒng)研究對于張力腿平臺在位安全作業(yè)起著至關(guān)重要的作用。該文提出了張力腿平臺電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和設(shè)計(jì)要求，其理論分析對同型平臺的設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)和借鑒意義。

張力腿平臺(TLP)；電力系統(tǒng)；安全作業(yè)

0 引言

張力腿平臺(Tension Leg Platform,TLP)系指通過張力腿系統(tǒng)固定在海底的浮式海洋平臺。張力腿系統(tǒng)能夠保證平臺在風(fēng)、浪、流作用下保持位置并限制平臺的運(yùn)動，其結(jié)構(gòu)形式[1]如圖1所示。

圖1 張力腿平臺結(jié)構(gòu)示意圖[1]

TLP主體具有多種型式，最常見的有：(1) 傳統(tǒng)張力腿平臺。遵循四立柱柱穩(wěn)式平臺的設(shè)計(jì)原則，張力筋腱的上端設(shè)在4個(gè)立柱內(nèi)部或者與立柱連為一體形成筋腱接頭。(2) 延伸式TLP。立柱更靠近平臺中心，但是下殼體徑向往外延伸，同時(shí)張力筋腱的上端接頭設(shè)置在延伸下殼體遠(yuǎn)離平臺中心的末端，可以產(chǎn)生更大的力矩并減少甲板跨距。(3) 海星TLP。通常具有1個(gè)位于平臺中心的立柱和至少3個(gè)沿徑向往外延伸的下殼體，同時(shí)張力筋腱的上端接頭設(shè)置在延伸下殼體遠(yuǎn)離平臺中心的末端。

1 海上石油平臺電力系統(tǒng)

海上石油平臺供電系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的電力系統(tǒng)，主要有以下特點(diǎn)[2]：

(1) 系統(tǒng)容量小。海上石油平臺電力系統(tǒng)通常是幾臺同類型的發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的，由于發(fā)電機(jī)容量一般較小，而某些負(fù)荷，如電動機(jī)的容量和發(fā)電機(jī)的容量相似，當(dāng)電動機(jī)起動時(shí)會對海上平臺供電系統(tǒng)造成比較大的沖擊。

(2) 輻射狀的配電網(wǎng)絡(luò)。海上油田負(fù)荷集中在平臺上，配電線路較短，呈輻射狀，一般采用單側(cè)電單回電源供電，不采用環(huán)網(wǎng)。

(3) 電壓等級低。海上石油平臺電力系統(tǒng)的電源等級比較低，發(fā)電機(jī)出口母線電源一般為10.5 kV或6.3 kV，海纜的電壓等級一般為35 kV。

(4) 發(fā)電機(jī)不許滿載或過載運(yùn)行。在正常工況下，發(fā)電機(jī)是海上平臺的唯一電源，而海上平臺電力系統(tǒng)的負(fù)荷變化頻繁且幅度很大，因此發(fā)電機(jī)不允許滿載或過載運(yùn)行，一般當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷達(dá)到85%時(shí)，就應(yīng)報(bào)警，當(dāng)達(dá)到90%時(shí)，發(fā)電機(jī)則應(yīng)卸載相應(yīng)負(fù)荷。

2 TLP電力系統(tǒng)

2.1 主電源

南中國海某TLP上不設(shè)主發(fā)電機(jī)，其主電源由FPSO上的主電站經(jīng)復(fù)合海底動態(tài)電纜為TLP供電。TLP上設(shè)有2臺35/0.4 kV，3 150 kVA降壓變壓器，為平臺上部模塊及船體部分低壓設(shè)備提供電源。另設(shè)有2臺35/6.3 kV，3150 kVA降壓變壓器為電潛泵專用變頻設(shè)備、原油外輸泵等中壓用電設(shè)備提供電源。模塊鉆機(jī)由35kV系統(tǒng)提供電源。

TLP船體部分的正常用電設(shè)備均為400 V低壓用電設(shè)備，由上部組塊統(tǒng)一供電。在設(shè)計(jì)、設(shè)備采購、安裝階段由上部組塊承包商統(tǒng)一設(shè)計(jì)、采購和安裝。TLP上部組塊與船體對接完成后進(jìn)行電纜連接及調(diào)試。

在中低壓每段母排分別設(shè)置一套集中補(bǔ)償電容器，以保證TLP負(fù)荷較高時(shí)各段母排及用電設(shè)備的供電電壓。電容器投入/切除應(yīng)自動逐步投/切，直至母線電壓滿足要求。

為了便于監(jiān)控和管理，將TLP配電系統(tǒng)主要電氣設(shè)備(如高壓配電盤、主變壓器等)的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)經(jīng)復(fù)合海底動態(tài)電纜傳輸?shù)紽PSO的PMS系統(tǒng)。

2.2 應(yīng)急電源

在TLP上部組塊設(shè)1臺1 200 kW，400 V的柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急發(fā)電機(jī), 以滿足在主電源失電時(shí)，平臺上部組塊及船體應(yīng)急負(fù)荷的用電要求，模塊鉆機(jī)自備應(yīng)急電源。

TLP船體部分的應(yīng)急用電設(shè)備均為400 V低壓用電設(shè)備，由上部組塊應(yīng)急配電系統(tǒng)統(tǒng)一供電。在設(shè)計(jì)、設(shè)備采購、安裝階段由上部組塊承包商統(tǒng)一設(shè)計(jì)、采購和安裝。TLP上部組塊與船體對接完成后進(jìn)行相應(yīng)電纜的連接及調(diào)試。另外，在TLP上設(shè)1臺80 kW的臺風(fēng)發(fā)電機(jī)，以滿足臺風(fēng)來臨人員撤離后，平臺上某些設(shè)備的用電需求。

2.3 用電負(fù)荷

在負(fù)荷高峰年(第4年)，TLP正常生產(chǎn)時(shí)的負(fù)荷約為8 300 kW，其中：船體部分負(fù)荷為392 kW，電潛泵用電負(fù)荷為3 323 kW，原油加熱器及外輸泵為2 300 kW，其他工藝公用負(fù)荷為2 285 kW；鉆井工況負(fù)荷為11 900 kW，其中模塊鉆機(jī)3 600 kW；應(yīng)急負(fù)荷為700 kW，其中含船體應(yīng)急負(fù)荷177 kW。TLP主要電氣設(shè)備典型配置見表1。

表1 TLP主要電氣設(shè)備典型配置

3 TLP電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊要求

3.1 TLP平臺的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)傾斜角度

根據(jù)ABS MODU 規(guī)范和CCS海上浮式裝置入級規(guī)范的相關(guān)描述，要求所有與浮式裝置安全相關(guān)的機(jī)械設(shè)備、元器件和系統(tǒng)應(yīng)能在規(guī)定的靜傾和動傾的條件下進(jìn)行安全操作。表2是CCS海上浮式裝置入級規(guī)范中提供的傾斜角數(shù)據(jù)?？紤]到浮式裝置的尺寸和作業(yè)條件等實(shí)際情況，可采用較小的傾斜角。

表2 傾斜角數(shù)據(jù)[1]

3.2 TLP Essential負(fù)荷的定義及分類

3.2.1 Essential負(fù)荷的定義

參照ABS MODU規(guī)范的描述，對于浮式設(shè)施，Essential負(fù)荷包括[3]：

(1) 保障安全性的必要系統(tǒng)。自推進(jìn)類型的浮式設(shè)施中，為保持推進(jìn)和轉(zhuǎn)向能力，而必須連續(xù)運(yùn)行的設(shè)備和系統(tǒng)(主要Essential負(fù)載)，故障或失效，會立刻危害到浮式設(shè)施安全性的設(shè)備和系統(tǒng)(主要Essential負(fù)載)。自推進(jìn)類型的浮式設(shè)施中，為保持推進(jìn)和轉(zhuǎn)向能力，非連續(xù)運(yùn)行的設(shè)備、系統(tǒng)以及維持浮式設(shè)施最小限度的安全性所需要的助航系統(tǒng)(次要Essential負(fù)載)。

(2) 應(yīng)急負(fù)荷。應(yīng)急逃生設(shè)備和系統(tǒng)包括：應(yīng)急照明系統(tǒng)，導(dǎo)航/助航燈和信號標(biāo)識，浮式設(shè)施的標(biāo)識，內(nèi)部通信系統(tǒng)，火氣檢測和報(bào)警系統(tǒng)，應(yīng)急信號，防噴器和關(guān)井設(shè)備，消防泵和滅火系統(tǒng)等(此部分負(fù)載劃分為主要Essential負(fù)載或次要Essential負(fù)載，視負(fù)載本身特性而定)。

(3) 故障或失效。會對浮式設(shè)施的安全性產(chǎn)生潛在危害的其他特殊設(shè)備和系統(tǒng)。

3.2.2 典型主要和次要Essential 負(fù)荷

對于TLP，Essential負(fù)荷還應(yīng)包括壓排載水泵、相關(guān)控制系統(tǒng)以及船體監(jiān)測系統(tǒng)IMMS(由UPS系統(tǒng)提供不間斷供電保障)。

根據(jù)不同TLP項(xiàng)目的設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)要求、海況特點(diǎn)、設(shè)備和系統(tǒng)配置方案的不同，Essential負(fù)荷需要有針對性的具體分析，與相關(guān)專業(yè)進(jìn)行討論并最終確定，電氣專業(yè)不能夠獨(dú)立完成決策和評判。

3.3 船體電力系統(tǒng)及其供電方案

3.3.1 TLP船體電氣設(shè)備環(huán)境條件和設(shè)計(jì)要求

常規(guī)TLP的下浮體/立柱不設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，只設(shè)置進(jìn)排風(fēng)系統(tǒng)，通過風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，其環(huán)境條件相對較差，電氣設(shè)備的選型應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的具體環(huán)境參數(shù)，與相關(guān)專業(yè)進(jìn)行充分討論，并參考相關(guān)規(guī)范確定具體要求。

3.3.2 TLP船體配電布置

通?？梢栽谙赂◇w的立柱內(nèi)設(shè)置配電間，應(yīng)合理選擇配電間的設(shè)置數(shù)量和位置，用于布置低壓系統(tǒng)配電盤、照明和小功率配電盤以及UPS分配電箱/柜等電氣設(shè)備。在下浮體和立柱的樓梯、走道，泵倉和立柱頂部的公共區(qū)域應(yīng)設(shè)置正常照明和應(yīng)急照明。應(yīng)急照明應(yīng)須涵蓋安全逃生通道、電氣房間、泵倉、樓梯和走道等區(qū)域。

3.3.3 TLP船體監(jiān)測系統(tǒng)

TLP通常設(shè)置有集成式船舶監(jiān)測系統(tǒng)(IMMS)，設(shè)置的主要目的是為了對海上TLP的水文氣象數(shù)據(jù)和運(yùn)動狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)配備存儲單元，可以用來采集TLP全生命周期的完整性數(shù)據(jù)，便于后續(xù)海域海況和TLP狀態(tài)的分析。

集成船舶監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測船舶的各項(xiàng)參數(shù)，如風(fēng)、浪、流、tendon張力、壓載艙液位、TTR張力和沖程等。通過對這些關(guān)鍵參數(shù)的收集、整理、分析，對整個(gè)TLP的重量、重心進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，同時(shí)給出一些壓載控制的建議，為壓載操作人員進(jìn)行相應(yīng)壓載、排載操作提供參考。

3.3.4 IMMS系統(tǒng)供電解決方案

IMMS供電應(yīng)采用雙通道100%容量設(shè)計(jì)，通過TTMS專用的不間斷電源(Uninterruptible Power System,UPS)為系統(tǒng)供電，UPS本身應(yīng)有至少15 min的供電能力。冗余的單元供電采用各自獨(dú)立的供電回路。TTMS應(yīng)配備獨(dú)立的2個(gè)24 V直流電源模塊分別為獨(dú)立的稱重傳感器和對應(yīng)信號處理單元供電。按照API-RP-2T規(guī)范[2]推薦，為了收集極端氣候條件的具體數(shù)據(jù)，在發(fā)生臺風(fēng)，TLP作業(yè)人員撤離平臺期間，也要保障IMMS系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，運(yùn)行期限應(yīng)按照5～7天進(jìn)行設(shè)計(jì)。考慮到減少電池組和相關(guān)系統(tǒng)以節(jié)約成本的需求，近期較常使用的設(shè)計(jì)方案是設(shè)置獨(dú)立的小型發(fā)電機(jī)組，結(jié)合24小時(shí)電池系統(tǒng)為IMMS系統(tǒng)供電。船體典型的UPS負(fù)荷包括：船體低壓盤保護(hù)跳閘回路，船體照明小功率配電盤保護(hù)跳閘回路，液位遙測系統(tǒng)，閥門遙控系統(tǒng)和壓載控制系統(tǒng)[4]。

3.3.5 TLP井口區(qū)的電纜設(shè)計(jì)

對于使用干式采油樹設(shè)計(jì)方案的TLP，由于TLP浮式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，下浮體或立柱與立管、采油樹等設(shè)備的運(yùn)動非耦合，井口區(qū)為ESP供電的電纜，生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的管線，電儀托架和其他設(shè)備存在發(fā)生干涉碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免干涉碰撞，建議使用臍帶纜，節(jié)省井口區(qū)空間，并結(jié)合干涉分析計(jì)算，完成相關(guān)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

闡述了TLP的電力系統(tǒng)組成和典型配置，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐，總結(jié)提出了TLP電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的一些特殊要求。隨著中國深海油氣資源開發(fā)地推進(jìn)和發(fā)展，TLP將得到越來越廣泛的應(yīng)用，并填補(bǔ)國內(nèi)深海自主開發(fā)的空白。張力腿電力系統(tǒng)作為TLP的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，應(yīng)該給予足夠的重視。

[1] 中國船級社.海上浮式裝置入級規(guī)范[S].2014.

[2] American Petroleum Institute.Planning, Designing and Constructing Tension Leg Platforms:API-RP-2T[S]. 3rd ed. 2010.

[3] ZIMMER R. Design and Fabrication of the URSA TLP Deck Modules and TLP Hull Upper Column Frame [C].Offshore Technology Conference，USA，1999.

[4] 中國船級社. 海上移動平臺入級規(guī)范[S]. 2014.

Research on Power System for Tension Leg Platform

LU Xuesong

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China)

Tension Leg Platform(TLP) can be fastened onto seabed through tension leg, which sustains the position of platform and restrains the motion of platform under various meteorological conditions, such as wind, wave, current. Power system design is a profession in many areas of offshore engineering. The research on power systems is essential for operational safety on a TLP. The design and configuration principles of power system are given. Theoretical analysis of power system in TLP is of certain guidance and reference to the similar offshore platform design.

Tension Leg Platform(TLP); power systems; safe operation

2016-09-08

盧雪松(1982-)，男，工程師

1001-4500(2017)01-0073-05

F416.22

A