半潜式钻井平台动力控制系统及其能源管理系统

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2000）

摘 要： 半潜式钻井平台相关技术应用有助于推进远洋深海的海底资源开发。为半潜式钻井平台提出动力控制系统设计方案，对工况切换、发电机组启动、配电盘监控、负载分配、重载启动等子系统进行控制设计。结合子系统控制设计，构建基于动力控制系统的能源管理系统（PMS），保障船舶总体运行稳定性、设备安全可靠性，并最大限度地节约能源。丰富了现有能源管理系统的功能，也为半潜式钻井平台的动力控制系统集成提供了一个可行的思路。关键词： 半潜式钻井平台；动力控制系统；能源管理系统；工况；负载

中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 (2020) 02-001-06工业技术创新 URL: http: //www.china-iti.com DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.02.001

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

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

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(a) 模式1：闭环—正常钻孔/施工；模式4：闭环—过渡；模式5：闭环—待机

(b) 模式2：二分—正常钻孔/施工

(c) 模式3：四分—在恶劣天气条件下钻井；模式6：四分—紧急（停电重启）

(d) 模式7：单个分环（黑启动从死船开始）

图1 工况切换控制图

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。

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先进的发电机监控系统（AGS）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值，AGS将使发生故障的发电机跳闸。

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，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

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。

图2 先进的发电机监控系统（AGS）

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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。

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。

设置。启动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

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。每个定义的重载都将有指定启动的参数

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。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

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。

图3 基于分布式动力控制系统的能源管理系统

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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。

3 结束语

本文为半潜式钻井平台设计了动力控制系统，并在此基础上构建了能源管理系统，既综合了能源优化分配方案，也实现了动力控制系统的智能化和集成化。本文提出的控制方案加强了对平台设备和仪表的监控，减少了现场巡查与运维成本，提高了工作效率。同时，有效地监控系统运行状况，为事故的预判与应对提供了保障。参考文献

[1] 窦培林, 袁洪涛, 宋金杨, 等. 深水半潜式钻井平台DP3动

力定位系统设计和应用[J]. 海洋工程, 2010, 28(4): 117-121.

[2] 刘海霞. 深水半潜式钻井平台的发展[J]. 船舶, 2007,

18(3): 6-10。

[3] 赵同宾, 刘张超, 李策略, 等. 绿色船舶动力系统集成技术

创新及应用[J]. 船舶与海洋工程, 2018, 34(3): 33-38.[4] 陈永道. 船舶动力系统现状及发展趋势[J]. 机械制造与自

动化, 2013, 42(2): 1-166.

[5] 杨宝玉. 深水半潜式钻井平台电力管理系统设计研究[J].

信息技术与信息化, 2015(12): 35-39.

2.2 系统监测与故障报警

通过能源管理系统对电力系统中的各个设备进行运行状态监测，实时掌握设备运行状况，当检测参数多次超过警戒值时，进行报警处理，既确保了故障的准确检测，也防止了误报警。最后，及时记录报警和消警操作。

2.3 输配电系统保护

为保护船舶电力系统的稳定持续运行，设定分级卸载功能，通过分级减少系统负载，保证系统的动态稳定运行。对不同配电系统的主要配电开关进行集中的状态监测以及安全运行保护。

作者简介：

孙玉海（1983—），男，高级工程师，2009年毕业于江苏科技大学轮机工程专业。现从事海洋工程装备研发设计工作。

姚竞争（1977—），通信作者，男，汉族，黑龙江哈尔滨人，博士，副教授，硕士生导师。研究方向：数字化造船、船舶设计与制造技术研究、一体化数据转换研究。E-mail: yaojingzheng@hrbeu.edu.cn

（收稿日期：2020-01-06）

2.4 主要用电设备监控管理

能源管理系统对主要的大型用电设备进行监控管理，包括重载启动时对系统负荷能力进行查询以及对运行功率进行控制，保证整个船舶电力系统的供电稳定。同时，保证系统在发生故障时及时卸载负荷，达到保护系统的效果。

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Power Control System of Semi-submersible Drilling Platform and its Power

Management System

SUN Yu-hai, BAO Ning, HAN Hua-wei, YAO Jing-zheng(Yantai CIMC Raffles Offshore Limited, Yantai 2000, China)

Abstract: The application of related technologies of semi-submersible drilling platform is helpful to

promote the exploitation of deep sea resources. A design scheme of power control system is proposed for the semi-submersible drilling platform, and related control design is carried out for the subsystems such as condition switching, generator unit start-up, distribution board monitoring, load distribution, heavy load start-up. Combined with the control design of the subsystems, the Power Management System (PMS) based on the power control system is constructed to ensure the ship overall operation stability, the equipment safety and reliability, and to maximize the energy saving. It not only enriches the functions of the existing power management system, but also provides a feasible idea for the dynamic control system integration of semi-submersible drilling platform.

Key words: Semi-submersible Drilling Platform; Power Control System; Power Management System;

Condition; Load

国家新闻出版署发布

《学术出版规范——期刊学术不端行为界定（CY/T󰀃174—2019）》

国家新闻出版署于2019年5月29日发布了新闻出版行业标准《学术出版规范——期刊学术不端行为界定（CY/T󰀃174—2019）》（以下简称《规范》），《规范》已于2019年7月1日起正式实施。

正式实施的《规范》，界定了学术期刊论文作者、审稿专家、编辑者所可能涉及的学术不端行为，适用于学术期刊论文出版过程中各类学术不端行为的判断和处理。

《规范》指出，论文作者学术不端行为类型包括：剽窃、伪造、篡改、不当署名、一稿多投、重复发表、违背研究伦理等；审稿专家学术不端行为类型包括：违背学术道德的评审、干扰评审程序、违反利益冲突规定、违反保密规定、盗用稿件内容、谋取不正当利益等；编辑者学术不端行为类型包括：违背学术和伦理标准提出编辑意见、违反利益冲突规定、违反保密要求、盗用稿件内容、干扰评审、谋取不正当利益等。

《工业技术创新》编辑部全体人员已对《规范》进行了认真学习，请各位作者、编委、审稿专家高度重视，坚守诚实诚信、严格执行审核论文流程，杜绝学术不端行为的发生。

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