錦州25-1海洋鉆機(jī)電控系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

郭海峰 中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司

一、前言

錦州25-1WHPB模塊鉆機(jī)位于中國渤海海域錦州25-1WHPB平臺(tái)上，是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的模塊化鉆機(jī)，也是渤海油田標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的首次應(yīng)用。為了響應(yīng)國家國產(chǎn)化的口號(hào)，很多國產(chǎn)化的鉆采裝備在該項(xiàng)目中得到了應(yīng)用，使我國的石油工業(yè)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

錦州25-1油田6/11井區(qū)共鉆井29口，其中包括7口水平井和22口定向井，其總進(jìn)尺為123659m（其中含領(lǐng)眼段長度1062m），平均井深為4264m（不含領(lǐng)眼井段平均井深4227m），最大井深為5358m，最大水平位移為4435m，最大水垂比2.3。

二、鉆機(jī)電控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

該模塊鉆機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合渤海海域?qū)嶋H情況及水力學(xué)計(jì)算分析，能夠滿足錦州25-1WHPB平臺(tái)7000米鉆井[1]深度的工作參數(shù)和性能要求。

新的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)，新的國產(chǎn)裝備應(yīng)用，新的思維轉(zhuǎn)變，錦州25-1WHPB平臺(tái)模塊鉆機(jī)必將打造成標(biāo)桿化的精品工程。

JZ25-1WHPB平臺(tái)模塊鉆機(jī)電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造要依據(jù)“安全、可靠、先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)、實(shí)用”的原則，滿足平臺(tái)鉆井工藝需求，所有電氣設(shè)備防爆技術(shù)要求嚴(yán)格按照安全專業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域劃分執(zhí)行[2]。

執(zhí)行GB、API、IEC，IEEE或NEMA等標(biāo)準(zhǔn)要求；適用于海洋環(huán)境且有較高的抗腐蝕性。

電控系統(tǒng)設(shè)備在海洋環(huán)境下的設(shè)計(jì)壽命為25年。

供電電制

系統(tǒng)電源采用國家標(biāo)準(zhǔn)，電源等級(jí)為：

690V AC 3Ph 3W 50Hz：負(fù)載為絞車電機(jī)、轉(zhuǎn)盤電機(jī)和泥漿泵電機(jī)；

400V AC 3Ph 3W 50Hz：負(fù)載為灌注泵、混合泵、攪拌器和空調(diào)風(fēng)機(jī)等等；

230V AC 3Ph 3W 50Hz：負(fù)載為照明、電伴熱和插座等等；

115V AC 1Ph 2W 50Hz：負(fù)載為火氣、通訊和控制電源等等。

三、供配電系統(tǒng)

JZ25-1WHPB平臺(tái)的6.3kV母線為鉆機(jī)提供兩路主動(dòng)力電源，通過兩臺(tái)6.3kV/ 0.69kV/5000kVA的降壓變壓器為690V母線提供動(dòng)力。整個(gè)690V母排被分成LA6和LB6兩段，為模塊鉆機(jī)的主要負(fù)載（絞車、高壓泥漿泵、轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)）供電，同時(shí)為了確保鉆井期間的供電穩(wěn)定性，模塊鉆機(jī)配置了1臺(tái)690V、1500kW備用柴油發(fā)電機(jī)。

為減少模塊鉆機(jī)電力系統(tǒng)的諧波電流畸變，電控變頻系統(tǒng)采用IGBT有源整流裝置，使電流畸變率符合相關(guān)規(guī)范的要求。

系統(tǒng)總單線原理圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總單線原理圖

1.正常電源供電

6.3kV 4300kW 2路：平臺(tái)提供主電源；

690V 4300kW 2路：模塊鉆機(jī)通過兩臺(tái)6.3kV/690V干式變壓器自變；

400V 1000kW 2路：模塊鉆機(jī)通過兩臺(tái)0.69kV/0.4kV干式變壓器自變；

230V 130kW 2路：模塊鉆機(jī)通過兩臺(tái)0.4kV/0.23kV干式變壓器自變；

中性點(diǎn)接地方式采用中性點(diǎn)絕緣。

2.應(yīng)急電源供電

在主電源因故障突然失電的情況下，模塊鉆機(jī)需要應(yīng)急電源，確保井下安全、應(yīng)急情況下基本的鉆井作業(yè)和極端情況下的人員逃生。

690V 1500kW 1路：模塊鉆機(jī)自備柴油發(fā)電機(jī)滿足臨時(shí)應(yīng)急主動(dòng)力電源；

400V 100kW 1路：平臺(tái)提供應(yīng)急輔助動(dòng)力電源；

230V 30kW 1路：平臺(tái)提供應(yīng)急照明及小功率電源；

230V 30kW 1路：平臺(tái)提供應(yīng)急電伴熱電源。

3. UPS電源供電

UPS交流不間斷電源為單相115V 50Hz電源，以便在主電源和應(yīng)急電源發(fā)生故障時(shí)，給通迅設(shè)備、火災(zāi)探測(cè)、儀表控制以及電氣脫扣等系統(tǒng)供電；

115V 8kW 1路：平臺(tái)提供UPS電源。

4.干式變壓器

變壓器間內(nèi)安裝有兩臺(tái)5000kVA-6.3kV/ 0.69kV主動(dòng)力變壓器，兩臺(tái)1250kVA-690V/ 400V動(dòng)力變壓器，一臺(tái)160kVA-400V/230V照明及小功率設(shè)備變壓器和一臺(tái)160kVA- 400V/230V電伴熱變壓器。變壓器的防護(hù)等級(jí)為 IP23，絕緣等級(jí)為F級(jí)，溫升等級(jí)為B級(jí)。變壓器帶帶風(fēng)冷裝置（含溫度控制器）

提供的變壓器一次側(cè)設(shè)計(jì)并配置2X±2.5%的抽頭。

變壓器進(jìn)出線方式為下進(jìn)下出。

1） 5000kVA 6.3kV/0.69kV變壓器

基本參數(shù)

類型：干式變壓器；

數(shù)量：2臺(tái)；

阻抗：8%；

組別：Dy11；

長寬高：3400*2000*2500mm。

690V母排A段與400V母排A段聯(lián)接一個(gè)變壓器，690V母排B段與400V母排B段聯(lián)接另一個(gè)變壓器，兩臺(tái)變壓器都使用在正常的供電系統(tǒng)中，向DSM和DES的MCC系統(tǒng)及平臺(tái)輔助設(shè)備提供動(dòng)力電源。

2） 1250kVA 690V/400V變壓器

基本參數(shù)

類型：干式變壓器；

數(shù)量：2臺(tái)；

阻抗：5%；

組別：Dy11；

長寬高：2200*1350*2100mm。

690V母排A段與400V母排A段聯(lián)接一個(gè)變壓器，690V母排B段與400V母排B段聯(lián)接另一個(gè)變壓器，兩臺(tái)變壓器都使用在正常的供電系統(tǒng)中，向DSM和DES的MCC系統(tǒng)及平臺(tái)輔助設(shè)備提供電源。

3） 200kVA 400V/230V變壓器

基本參數(shù)

類型：干式變壓器；

數(shù)量：2臺(tái)；

阻抗：4%；

組別：Dy11；

長寬高：1500*1000*1400mm。

在400V母排A段和DSM中的230V母排之間，主要給正常照明及小功率設(shè)備和管線的電伴熱等負(fù)載提供電源。

5. MCC及低壓配電系統(tǒng)

電控柜內(nèi)部連接線使用絕緣等級(jí)為690V/1000V的船用銅絞線，截面積不小于1.5mm2、所有電纜為船用鎧裝電纜，正常供電回路為HOFR（耐熱、耐油、阻燃型），應(yīng)急供電回路為FS（防火型）電纜、柜體內(nèi)的連接線采用線管或者線槽整齊布線，線管或線槽預(yù)留20%空間，以滿足后期增加電纜的使用要求。

配置足夠數(shù)量和容量的交流電機(jī)啟動(dòng)供電回路，并按20%供控制和供電回路備用[3]。所有交流電機(jī)均需可集中控制，兩地操作。MCC系統(tǒng)采用抽出式柜體，啟動(dòng)裝置放在MCC房間內(nèi)，在電機(jī)旁設(shè)置就地控制按鈕。

6.電力系統(tǒng)潮流分析

本項(xiàng)目多傳動(dòng)變頻方案采用IGBT整流[3]，在計(jì)算中考慮部分整流單元故障情況，對(duì)母線貢獻(xiàn)部分短路電流，在模型中進(jìn)行等效。發(fā)電機(jī)的參數(shù)如表1所示：

表1

計(jì)算基礎(chǔ)以及公式基于牛頓-拉夫迅算法 ETAP11.1.1電力系統(tǒng)分析計(jì)算軟件。以下操作工況被考慮：

（a）鉆機(jī) 690V 斷路器 ACB4 處于閉合狀態(tài)

（b）鉆井工況：高泵載工況

（c）鉆機(jī) 400V母聯(lián)斷路器ACB16處于閉合狀態(tài)

（d）鉆機(jī)變壓器AB一次側(cè)分接頭調(diào)節(jié)至-0.5%

（e）鉆機(jī)變壓器CD一次側(cè)分接頭調(diào)節(jié)至-2.5%

結(jié)果：根據(jù)圖2潮流計(jì)算分析，本計(jì)算中最高電壓降來自于高泵載鉆井工況，電壓降為2.79%，該值滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 潮流分析結(jié)果

四、PLC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

PLC控制器選用西門子公司的SIMATIC S7-400H產(chǎn)品，組態(tài)軟件WinCC7.3。

PLC采用模塊化程序指令集進(jìn)行組態(tài)，具有自診斷功能，能夠?qū)ο到y(tǒng)狀態(tài)與報(bào)警信號(hào)進(jìn)行顯示及故障分析；采用光纖通訊和通訊電纜通訊；鉆井電機(jī)具有手動(dòng)控制和PLC自動(dòng)控制功能，并可互相切換；PLC具有故障記錄、重要參數(shù)修改記錄功能，并可以從PLC上進(jìn)行讀?。?/p>

鉆機(jī)控制系統(tǒng)以觸摸屏作為信息顯示及操作載體，對(duì)整個(gè)模塊鉆機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控絞車、泥漿泵和轉(zhuǎn)盤等設(shè)備，通過畫面顯示鉆機(jī)中各設(shè)備運(yùn)行狀況，并提供各種設(shè)備的故障診斷和報(bào)警信息。創(chuàng)建了一個(gè)智能化、信息化和數(shù)字化的管理平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和故障診斷及監(jiān)控，優(yōu)化控制和檢測(cè)整個(gè)鉆井工作。

PLC綜合控制柜網(wǎng)絡(luò)如圖3。

圖3 綜合控制柜網(wǎng)絡(luò)

五、結(jié)束語

錦州25-1WHPB平臺(tái)7000米模塊鉆機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，順利通過了中國船級(jí)社的檢驗(yàn)。如今已建造完成，到了鉆井使用階段，得到了作業(yè)公司的好評(píng)！該項(xiàng)目是我國在海洋石油工業(yè)獨(dú)立自主的進(jìn)一步實(shí)踐。在走向深水勘探的路途中，我們海油人應(yīng)該更加努力，不斷超越自我，爭做世界能源公司的排頭兵！