第四代半潜式钻井平台

关键词：

第四代半潜式钻井平台（精选六篇）

第四代半潜式钻井平台 篇1

关键词：海洋工程,第四代半潜式钻井平台,动力定位系统,故障模式与影响分析

1 起源

动力定位 (DP) 系统最早起始于20世纪60年代的海底钻井作业。随着向更深海的不断推进, 自升式钻井驳等近海钻探装备难以满足深海作业的需要, 而深海锚链定位作业又非常复杂, 且成本高昂。由此便开始了DP系统研究和应用的技术探索。

2 定义和作用

DP系统是当环境条件发生变化时, 由集控手操或自动响应系统, 通过水动力系统的作用是船舶位置和航向保持在环境条件限定范围内。

DP系统的环境条件主要指风、浪、流等环境力。船舶在环境力的作用下, 会产生六个自由度的运动, 即纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和艏摇。

事实上, DP系统主要是控制船舶在海平面上纵荡、横荡和艏摇三个自由度运动, 由推进器产生适当大小的推力和力矩, 以抵消环境力, 从而使船舶尽可能保持预设的位置和航向。

如今, DP系统的功能已经不仅仅局限于使船舶定位于海洋石油钻探船舶和平台, 也广泛应用与布缆船、铺管船、起重船、平台供应船、科考勘探船等特种船舶。

3 入级符号

DP系统包括所有直接或间接影响船舶定位能力的设备、电缆、管路和通风等, 其安全可靠性取决于所有这些方面的冗余程度, 根据DP系统的不同冗余程度, 各船级社可授予相应的船舶符号标志, 如表1所示。

本文将DP系统设计分成系统原理设计和详细生产设计两大部分。系统原理设计, 分为动力、控制和参考基准三部分。动力部分, 分为发电、配电和推进系统;控制部分, 包括电力、推进系统的自动或手动控制, 以及位置测量控制系统;参考基准部分, 就是各种提供船舶位置、环境和状态信息的测量系统及其传感器。详细生产设计, 分为DP系统设备布置、电缆和管线路径布置两部分。

4 COSL项目DP系统设计简介

4.1 COSL项目简介

COSL项目是由烟台中集来福士为中海油服欧洲钻井公司总包承建的4座第四代深水半潜式钻井平台。该系列平台型长104.5米、型宽65米、型深36.85米, 设计吃水9.5米-17.75米, 作业水深70-750米, 生存状态最大风速51.5米/秒, 最大垂直钻井深度7500米, 最大可变甲板载荷4000吨, 额定居住人员120人, 集钻修井、居住等功能于一身。DP3动力定位系统及无人值守的机舱设计方案, 实现在驾驶室及操作室集中遥控操作, 关键设备的选配和建造均满足挪威石油安全管理局最新Ao C发证要求, 其设计和建造满足挪威石油安全管理局、挪威海事局、挪威船级社、挪威石油工业技术标准及半潜式钻井平台的相关国际平台规则, 具备在全球海况最复杂的挪威北海海域作业的能力, 同时适用于全球其他海域。

该系列平台前三座已经交付使用, 首座平台在挪威北海作业以来, 被认为是近年来首次作业各方面表现最好的新平台之一。其在同海域作业的42座平台中, 综合指示排名第四, 其中套管转速和下钻速度两项指标名列第一。

4.2 动力部分设计

上船体艉部设计3个独立的机舱, 每个机舱布置2台主机和发电机 (各3800KW) , 分别由Wartsila和Siemens提供, 下船体左右舷设计4个独立的推进器室, 房间内布置各自的推进器、推进器马达、变压器及变频器, 推进器由Wartsila提供, 其他设备由Siemens提供。机舱附近布置3个独立的高压配电盘室, 使之分别与3个机舱的6台发电机对应, 6个推进器按照1与4、2与5、3与6组合为独立的三组分别与3个高压配电盘对应。3套独立的抵押配电盘系统 (690V、440V、230V) 分别由3个高压配电盘逐级变压给各DP系统相关负载供电。3个高压配电盘和6个推进器室分别设计布置有各自的PLC信号柜以用于PMS。

上述就是DP系统动力部分的核心框架, 形成了A、B、C三套独立的DP动力系统, 总体设计框图如图2所示, 推进室布置设计及组合如图3所示。

4.3 控制部分设计

4.3.1 DP主控制站

位于驾驶室, 系统设计布置的控制设备有:1台PMS控制箱;2台DP控制箱;1台独立手动操作控制箱;2台DP控制台;1台独立手动操作控制台;1套推进器手动控制台;1台PME位置测量控制台;2台网络拓扑柜。

4.3.2 DP备用控制站

位于DP备用控制间, 用A-60分割完全独立于驾驶室, 且主/备用两个控制站的舱室位置相距不远, 系统设计布置的控制设备有:1台PMS控制箱;1台DP控制箱;1台DP控制台;1台PME位置测量控制台;2台网络拓扑柜。

4.3.3 网络拓扑结构

VSC、DP系统共用一个网络, 由两套环形光纤网络NET A和NET B组成, 并且将6个推进器的信号采集站也串联在网内, 以便提供推进器相关信号的传输效率。

4.4 参考基准部分设计

DGPS查分全球定位系统, DP主和备用控制间各布置1套, 主桅杆和远离主桅杆的舷侧各布置1套天线。

声呐位置测量系统, DP主和备用控制间各布置1套, 2套HIPAP (可伸缩声呐收发器) 分别布置在左右舷浮筒的舯部, 通过安装在海底的反应器收发声频信号, 从而计算出收发器与反应器之间的距离和平台的方位数据, 用于DP系统位置参考计算。

电罗经系统, 能够反映精确地平台艏向位置数据, 电罗经和数字复试器, 在驾驶室布置2套, 在DP备用控制室布置1套, 顶甲板左右舷各布置1台电罗经方位方位复试器。

风速风向仪系统, 可以持续的为DP系统提供风速和风向信息, 从而计算出平台受到的风力。驾驶室2套, DP备用控制室布置1套, 主桅杆上布置1套风速风向仪, 另2套布置在远离主桅杆的舷侧。

VRU (垂直参考装置) 系统, 用来测量纵荡、横荡和艏摇三个自由度运动的大小, 测量数据用于平台运动补偿力大小的计算, 在驾驶室室布置2套, DP备用控制室布置1套。

4.5 故障模式与影响分析FMEA

只有DP-2和DP-3需要做FMEA, FMEA的目的在于说明与DP系统功能有关的设备, 包括相关电缆和管系的不同故障模式, 以帮助评定DP系统的冗余程度。对于系统中的某一设备可能有多种故障模式, 从而对DP系统产生多种不同影响, 在FMEA分析时应特别注意。

在DP船舶的全生命周期内, 都需要尽可能在实际情况下, 对DP系统所有操作模式进行测试。测试通过后, 由第三方来模拟测试故障模式, 并对测试数据结果进行纪录备案。最后, 对DP系统进行总体的性能评估。

除了DP各系统单线图和技术说明, 以及负荷计算书等之外, FMEA报告 (包括冗余试验程序) 也需要提交船级社审查认可。

4.6 电缆和管系的布置以及DP路径的详细生产设计

除上文中描述的系统和设备外, 对DP系统至关重要的燃油、滑油、液压油、冷却水管等, 以及电缆的布置, 都应充分的考虑DP等级的冗余的要求, 系统的设计、设备的布置、电缆和管系路径的设计, 都必须严格遵循规范里DP系统要求

该平台设计为DP-3, 因此需要设计各DP系统的独立A-60通道。COSL项目为四个立柱结构, 艏部两个立柱各设计了一套DP通道, 艉部两个立柱各设计了两套DP通道, 两套DP路径中间做A-60防火等级分割。四个立柱的DP通道上下分别延伸至双层底和浮筒内, 连接到各自DP系统的机舱和推进器室。在生活区, 左右舷侧附近分别设计了2个A-60级的DP通道, 上下分别连接到DP主、备用控制室。

因此, 这便保证了整个平台的DP A、B、C三套系统之间, 是按照规范的要求用A-60防火等级完全分开的, 符合DP-3的设计要求。

5 结束语

DP系统是船舶、平台不需要传统的系泊形式定位, 因而具有不受水深限制的优点, 并且可适用于各种恶劣海况, 开发设计高效率、高可靠性的DP系统对于人类向更深海扩展具有重要意义。本文以COSL半潜式钻井平台为例, 力求全面概括介绍DP系统相关的各个方面, 以供大家了解和参考。

参考文献

[1]IMO/MSC Circular 645 Guidelines for Vessel with DP[S].1994

[2]IMCA M103.IMCA Guidelines for the Design and Operation of Dynamic Positioned Vessels[S].2007.

[3]DNV Rules for Classification of Shop[S].2008 Part 6, Chapter 7.

[4]CCS Guidelines on Surveys for Dynamic Positioning System[S].2002

第四代半潜式钻井平台 篇2

随着海洋油气开采逐步由浅水大陆架海区向深水领域迈进,各种新型深水海洋平台相继应运而生,深水半潜式钻井平台在我国海域的应用越来越广泛。

国外对于浮式平台的研究起步较早,1950年John[1]等学者对浮式平台的运动响应进行了研究; Wu[2]等学者对规则波下半潜式平台的浮体和锚泊系统的作用力进行了数值计算; 近年来,随着半潜式平台的广泛使用,国内学者关于半潜式平台的研究也日渐增多,2007年,孙金丽[3]等人在时域内数值模拟了波浪作用下锚泊系统的动力响应; 2010年周素莲[4]等人研究了不同的系泊方式对锚泊系统的运动影响; 2011年,翟钢军[5]等人对风浪联合作用下深水半潜式平台运动响应模型进行了研究分析。海洋环境复杂多变,只考虑波浪或者风浪的影响会导致分析结果的片面性,在风、浪、流联合作用下锚泊系统运动响应的大小决定了结构物的安全稳定和工作性能,因此有必要研究风、浪、流联合作用下深水半潜式平台的动力响应,本文对深水半潜式平台在考虑非线性影响下采用时域计算方法进行时域耦合分析、定位及安全性能分析。

采用中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》的设计要求,对平台进行结构设计,选取合适的系泊缆,建立目标平台受风、浪、流的共同作下的水动力模型; 分析目标平台所承受海洋环境载荷的组成及分类,研究深水半潜式海洋平台的动力特性。

1 半潜式平台水动力模型

建立深海半潜式钻井平台在1 200 m工作水深的水动力模型,包括用来模拟水面以下平台形状的湿表面模型和模拟平台质量的质量模型。动力湿表面模型如图1( a) 所示,表1为目标平台的主要设计参数; 利用频域计算的结果,对半潜平台及其系泊系统进行非线性时域耦合分析。图1( b) 系泊缆布锚方式及风、浪、流载荷施加方向,系泊系统采用8条缆对称的布锚方式,钢丝绳模拟系泊缆,系泊缆长1 290 m,直径924 mm,轴向刚度EA7. 846×108,最小破断力8. 396×106N,湿质量35. 3kg / m。

2数值计算理论

平台运动响应的数值计算采用AQWA软件,其计算理论主要基于经验公式Morison法和三维势能理论。Morison法主要考虑波浪对结构物的粘滞效应和附加质量效应,对于尺度大于0.2的海工结构物,波浪对结构物的作用主要是附加质量效应和绕射效应,主要采用三维势流理论计算波浪对结构物的作用力。对于半潜式平台的浮体和立柱采用势流理论计算波浪力,对于横撑和系泊缆则采用Morison方程计算,由Morison方程计算得到的粘性阻尼增加到由势流理论得到的阻尼项中,得到更加精确合理的结果,以下为Morison方程的计算公式( 即作用在长度为DZ的垂直刚性圆柱切片上的水平力) :

式中: 力的正方向为波浪的传播方向; ρ0为水的密度; D为圆柱直径; u和a1分别为切片中未受扰动流体的水平流速和加速度; CM和CD为质量系数和阻力系数。

3 环境载荷

3. 1 风、流载荷的计算

作用于平台的风载荷由风力FW和力矩Mw组成,其一般表达式为:

式中: Cw为风力系数,由于本半潜式平台船体属于大结构物,本计算取值为1; ρ0为20°时的空气密度,取1. 224×10- 3Kn·S2·m- 4; A为平台在迎风方向的投影面积; L为风力作用点到平台重心的距离。

流载荷的计算方法跟风载荷类似,其一般表达式为:

式中: Cc为流体的阻力系数,由于本半潜式平台船体属于大结构物,本计算取值为1; ρc为海水密度; A为平台在流速方向的投影面积; L为流力作用点到平台重心的距离。

3. 2 环境载荷的施加

自存工况采用中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》的设计载荷进行模拟分析,设计水深1 200 m,综合考虑系泊缆动力学和风、浪、流的共同作用,取波浪( 规则波和不规则波) 幅值均4. 16 m,周期均为10 s; 风速取自存状态51. 5 m/s; 流速取1. 5 m/s。本文针对风、浪、流同向( 沿x轴正向) 的海况进行研究,均按迎浪方向考虑,仿真时间为5 000 s。

4 计算结果及比较分析

4. 1规则波与不规则波对平台( 系泊缆无预紧力) 的影响研究

在相同的风、流作用下,研究半潜式平台规则波与不规则波( 相同波高和频率) 作用下的运动响应,以下从平台的垂荡、纵荡、纵摇三个方面来进行分析。由图2( a) 规则波下平台的垂荡运动平均幅值在1. 4 m,以简谐波的形式变化。与图2( b) 不规则波下的运动响应比较可得,不规则波下的垂荡运动平均位移为 - 3 m,幅值相对规则波的幅值稍小,平稳后最大幅值为0. 9 m,但是变化不均匀;规则波下的纵荡位移和不规则波下的纵荡位移都在20 m左右,但是不规则波下的纵荡运动幅值较大,稳定性差; 规则波作用下的平台纵摇角度最后稳定在 - 2. 6°左右,而不规则波下的纵摇角度在 - 4. 7° - 0. 1°之间以简谐波的形式变化。

4. 2规则波与不规则波对平台( 系泊缆有预紧力) 的影响研究

对每根系泊缆施加5. 5×106N的预紧力,相同的风、浪作用下平台对规则波和不规则波的响应如图3( a) 、图3( b) 所示。规则波下带有施加预紧力的系泊缆的平台的垂荡平均幅值在0. 5 m左右,不规则波下带有加预紧力的系泊缆的平台的垂荡位移在 - 4. 1 m左右,但是运动幅值变化相对较大; 规则波下的纵荡位移在7. 7 m左右,不规则波下的纵荡位移在8 m左右,不规则波下的纵荡运动幅值较大,稳定性差; 规则波作用下的平台纵摇角度最后稳定在 - 2. 3°左右,而不规则波下的纵摇角度在 - 4. 6° ~ 0.1°之间以简谐波的形式变化。

4. 3 带预紧力的系泊缆对平台的影响研究

由图2( a) 规则波下的平台运动响应时程曲线和图3( a) 规则波下的平台运动响应( 系泊缆预张紧) 时程曲线比较可得,带有预张紧系泊缆平台的垂荡平均幅值较小,纵荡位移和纵摇都较小; 图2( b) 规则波下的平台运动响应时程曲线和图3( b) 不规则波下的平台运动响应( 系泊缆预张紧) 时程曲线比较与规则波相似,由此可得,带有预紧力的系泊缆对平台的稳定性影响更大,尤其是在限制平台的纵荡运动方面尤为突出。

5 结果分析与讨论

建立1 200 m水深锚泊系统水动力模型,采用中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》的设计载荷进行设计与分析,综合风、浪、流的联合作用对半潜式海洋钻井平台进行锚泊系统时域耦合分析。分析中考虑了在相同的风、浪、流以及系泊缆预紧力的影响因素,得到以下结论:

1) 三维水动力时域耦合分析能够充分考虑系泊缆和浮体之间的相互影响,实时分析浮体在风、浪、流联合作用下所承受的弯矩、剪力和扭矩,实时反映平台的运动响应。

2) 在同等波高、频率的规则波和不规则波下,半潜式平台的运动响应均满足设计及规范要求,并且在规则波作用下运动相对平稳,符合运动趋势。

3) 在相同的风、浪、流联合作用下,通过对平台 ( 系泊缆有无预紧力) 对比分析,带有预紧力的系泊缆能明显抑制平台的运动,尤其是半潜式平台的纵荡响应,即可以通过人为的增加平台阻尼来限制半潜式平台的定位精度,对深水半潜式海洋钻井平台的耐波性设计具有指导意义。

摘要：采用中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》的设计要求,对工作水深为1200m的深水半潜式钻井平台进行了结构设计,分析了目标平台所受海洋环境载荷的组成及分类,在风、浪、流的联合作用下对平台进行了时域耦合分析,研究规则波与非规则波下的平台运动响应;对比分析了系泊缆预紧力对平台运动的影响,结果表明,带有预紧力的系泊缆能明显抑制平台的运动,即可以通过人为的增加平台阻尼来限制半潜式平台的定位精度,对深水半潜式海洋钻井平台的耐波性设计具有指导意义。

第四代半潜式钻井平台 篇3

由于半潜式海洋钻井平台工作条件恶劣,对电力系统的可靠运行提出了更高要求,电力系统的控制、监视和跟踪管理极为重要。平台的电力管理系统是平台动力智能自动化控制的核心,对平台的安全运行和经济效益有重要的影响,其供电的连续性、可靠性和供电品质将直接影响平台的经济指标,技术指标和生命力[3]。本文结合已交付半潜式钻井平台,对电力管理系统设计提出介绍,并对失电防范问题,提出系统设计的解决方案。

1 电力管理系统

半潜式钻井平台电力管理系统(PMS,Power Management System)是全船自动化的一部分,集控制、监测、保护和管理于一体的综合系统,主要包含能量的优化分配和管理、发电系统柴油发电机的监控和智能化管理、输配电系统的监控保护、配电开关集中控制和大功率负载的管理。通过发电系统柴油发电机的控制和配电盘的控制实现平台动力的智能化管理,确保平台安全、可靠、经济运行[4]。

1.1 柴油发电机控制

PMS对于柴油发电机的控制和管理常见有以下功能:遥控启动/ 停止、启动/ 停止抑制和柴油发电机状态监控故障机安全停车等。

1.1.1 柴油发电机启动/ 停止

柴油发电机的启动包括:遥控启动、在线负载超过机组容量备用机组自动启动、大功率用户启动前机组自动启动、失电恢复时柴油发电机自动启动、故障机组减载备机自动启动。柴油发电机遥控停止包括:遥控停车、故障减载停车、安全保护应急停车等。

1.1.2 柴油发电机启动/ 停止抑制

遥控启动抑制条件有:本地控制、本地互锁未取消、发电机轴承温度报警、启动空气压力低等。遥控停止抑制条件有:本地控制、负载大于在线机组容量等。

1.1.3 柴油发电机状态监控和安全停车

柴油发电机状态监控包括:气缸温度、涡轮增压气速度/ 排气温度、滑油压力和温度、高温水压力和温度、燃油压力和温度、启动空气压力、发电机轴承温度等。柴油发电机安全停车包括:滑油压力低低、高温水温度高高、油雾关断、超速、轴承温度高高等。机组在线运行时,当机组出现故障报警后,备用机组会自动启动投入,备用机组投入后,故障机组会自动减载退出电网,其顺序如下:

1.2 配电盘监控和控制

电力管理系统对配电系统管理有如下功能:配电盘监控和报警提示、配电盘负载开关的控制、电网在线柴油发电机负载分配、高压盘间并网频率调节、机组基于在线负载自动投入并车、分网时负荷自动转移盘间开关操作、重负载控制、失电防范以及失电自动恢复等[6]。

1.2.1 负载分配

机组投入时电力管理系统PMS通过控制并网机组调速器(Governor)来调节并网机组速度升/ 降,当并网机组频率和电网频率差在允许范围内时配电开关闭合实现机组投入并网,机组并网以后在网运行的机组通过本身调速器特性维持机组间有功功率的负载分配。半潜式钻井平台机组发电机的电压调节是通过电压调节器AVR(Automatic Voltage Reg-ulators)自调实现的,电力管理系统一般不参与其控制[7]。

(1)机组手动调载

在网运行的机组操作者可以选用手动调载模式,通过控制机组调速器来调节速度升/ 降,实现机组负载变化。

(2)平衡负载分配(Symmetric load sharing)

机组的投入是通过电力管理系统来控制实现,并网后机组负载通过机组调速器来维持各机组负载平均分配,通常情况下机组间有功功率偏差在 ±4%。如图1,机组1,2,3 机组在网运行,机组负载的变化趋势跟随着电网波动趋势,每台机组负荷相同。

(3)经济不对称负载分配(Asymmetric load shar-ing)

柴油发电机在80% 负荷运行是经济运行工况。半潜式平台工作时为了确保安全,会出现多台机组低载运行的工况,这种工况下可以设定Asymmetric模式。该模式下电力管理系统可以通过调节Asymmetric模式下运行机组的调速器实现该机组运行在80% 负荷,剩余在网机组平均分配剩余负荷,运行一段时间后自动切换到下一台柴油发电机组。为了避免机组在太低负载运行,当剩余机组负荷低于25% 时,Asym-metric模式运行柴油发电机负载将降低,负荷转移到其余在线机组;为了避免失电发生,当剩余机组负荷大于80% 时,Asymmetric模式运行的柴油发电机将和其余在线机组平均分配电网负载。如图2 中1 号机组运行在Asymmetric模式下负荷固定在80%,2、3 号机组平均分配剩余负载,其负荷随着电网负载变化而变化。

(4)固定负载分配

机组在维护保养时,机组有时需要恒定在某个负荷运行。电力管理系统PMS可以控制机组调速器来实现,其余负载有剩余机组平均分配。

如图3,1 号机组在固定负载模式运行,2、3 号机组平均分配剩余负载,其负荷随着电网负载变化而变化。

1.2.2 失电防范

半潜式钻井平台工作时,必须确保动力的持续供应维持动力定位系统持续工作保持平台位置,因此电力管理系统需具有防范失电发生及电网快速恢复的能力。失电情况的常见原因如下:在网发电机组容量不能满足负荷升高的要求,超过在网机组允许的范围;机组应急切断或配电开关过载脱扣。

当电网机组容量不能满足负荷升高要求,电力管理系统具有激活在网钻井功率限制和推进器功率限制,同时启动备用机组。常见的功能如下:

(1)重负载启动控制

半潜式钻井平台大功率设备,系统配电开关合闸申请后电力管理系统基于电网可利用功率,对其管理。如果电网余量不能满足设备要求,系统启动将被抑制,备用机组将会自动启动投入电网。其启动顺序如下:

(2)机组自动投入

电力管理系统会基于电网有功功率变化,基于设定的机组优先顺序自动增加或减少机组;备用机组启动成功后自动投入电网同步合闸,机组入网后自动进行负载转移平均分配。某平台有6 台主机,分别布置在3 个独立机舱,下表为某半潜式钻井平台机组控制的设定[8]:

3)钻井用户和推进器功率限制

半潜式钻井平台的电力系统基于平台的设计要求布置于不同的独立的机舱,每个机舱对应相应的独立的配电系统,每段配电系统之间可以通过配电开关连接成一段。PMS基于电网反馈状态信息,对每一部分电网进行独立控制,当电网故障或在线负载超过电网限制条件时,为了避免失电发生,电力管理系统会降低该段钻井用户可利用功率和限制推进器的功率来实现降低负荷,电网备用机组投入后,推进器功率和钻井可利用功率恢复[9]。

PMS电网失电防范功率限制功能包含如下:基于在线主机容量限制负载用户升高、基于电网母排负荷降低在线负载、基于单机负载降低负荷、基于单机电流降低负荷、基于母排频率降低负荷、在线机组脱扣降低负荷。

PMS基于电网状态反馈信息,计算电网负荷和实时推断电网用户可利用功率,确保电网健康运行。电网用户可利用功率计算如下:

△ P:单段电网用户可利用功率,即用户可以增加的负荷。

K1 :电网安全系数百分比权衡,该参数基于在线运行用户推断。

K2:单段电网可利用功率允许百分比,最大设置80%。

P:单段电网在线机组容量。

P:负载允许限制百分比。

P1:单段电网实际负荷。

K3:另外机舱电网可利用功率允许百分比,最大设置50%。

P’:另外段电网在线机组容量。

P1’:另外段电网在线负荷。

机组过载计算:

PMS实时监控机组负载状态,计算机组负载功率。基于电网功率反馈,最大允许主机负载设定在(105-115%),最大允许电流设定在(110-115%),其过载功率计算如下:

( △P:机组过载功率计算值,△ I:过电流值,U:电网电压)

通过比较电网反馈的功率信号对应的功率值和计算所得功率值大小,确定其中的最大值。PMS依据机组最大过载功率或最大过载电流, 来确定负载用户的功率限制。钻井用户的功率限制条件包含如下:电网功率大于95%、机组功率/ 电流超过100%、或电网频率低于58HZ;推进器的功率限制条件包含如下:电网功率大于100%、机组功率超过105% 或/ 电流超过110%、电网频率低于58HZ。

钻井用户和推进器的的功率限制顺序如下:

(4)非关键用户脱扣

当电网过载发生时为了确保动力定位能力,减少推进器功率限制, 脱开一些非关键用户。

1.2.3 失电自动恢复

半潜式平台工作时其位置的保持是通过动力定位系统实现的,失电导致的后果是平台定位位置的失效,这对于半潜式钻井平台来所说是极其危险的。如何保证海洋平台的电网故障后快速恢复尤其重要,从而能保障人员和设备安全,避免事故发生,减少财产损失[10]。电力管理系统在电网失电后能快速启动备用柴油发电机投入电网,恢复电网供电,电网恢复后电力管理系统依据设备失电前状态自动操作开关,启动主机/ 推进器相关辅助设备,启动推进器恢复动力定位系统。

失电后推进器自动恢复步骤如下:

2 结束语

电力管理系统是半潜式钻井平台安全、可靠运行的保障,本文详细介绍了半潜式钻井平台电力管理系统主要功能,分析了钻井平台电力系统失电防范和失电恢复的设计方案;对半潜式钻井平台电力管理系统设计和应用提供参考。

摘要：本文阐述了深水半潜式钻井平台电力管理系统主要功能,介绍了电力管理系统对柴油发电机组的控制和电网配电盘的控制要点,并详细介绍了电网机组失电预防、保护措施。

关键词：电力管理系统,负载分配,功率限制,失电恢复

参考文献

[1]窦培林,袁洪涛,宋金杨,孔维问,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,28(4):2010:117-121。

[2]刘海霞,深水半潜式钻井平台的发展[J]。船舶,18(3):2007:6-10。

[3]张用德,袁学强.我国海洋钻井平台发展现状与趋势[J].石油矿场机械,2008,09:14-17.

[4]高文.海洋钻井平台综合监控系统研究[D].江苏科技大学,2011.

[5]周静雅.半潜式平台电力监控系统设计与实现[D].江苏科技大学,2012.

[6]张辉.深水半潜式钻井平台电力系统的设计研究[J].电工技术,2010,04:43-44+62.

[7]张辉.深水半潜式钻井平台电力系统的设计研究[J].电工技术,2010,04:43-44+62.

[8]KONGSBERG Functional Design Document[S],2006.

[9]DET NORSKE VERITAS.RULES FOR CERTIFICATION OF MOBILE OFFSHORE UNITS 2008[M].　DNV船级社:2008。

第四代半潜式钻井平台 篇4

关于深水半潜式钻井动力定位的研究,国际上已经相当的成熟,我国还正处于初步发展阶段,我国重点发展海洋战略,该研究对于海洋研究以及资源开发有很大的影响,是国家重点发展的行业。动力定位系统目前主要应用于海洋石油平台的定位、管道或线缆铺设及维修、海底钻探和取芯、海上吊装安装、海洋调查科考、海上消防及救助、挖泥船作业,游轮以及其他需要海上定位作业的多用途船等。

2 动力定位的工作原理及实现

动力定位系统可以分成平台未发生移动和平台已经发生移动两种情况来考虑:

1)平台未发生移动但考虑到风载荷、水流载荷和波浪漂移力,利用风速风向传感器和压力传感器获取作用在平台上的外力的大小及方向,使之变成电信号传输给处理系统。由处理系统向执行系统(电机和螺旋桨组成)发出执行命令,电机带动螺旋桨按照执行命令按照一定的方向及转速转动,抵消加在平台上的外力,使平台保持不移动状态。

2)考虑若平台发生了移动,利用GPS卫星定位系统,计算平台的偏移量,把偏移量传送给处理系统,由处理系统向执行系统(电机和螺旋桨组成)发出执行命令,电机带动螺旋桨按照执行命令按照一定的方向及转速转动,使平台回到原来的坐标。

3 半潜钻井平台环境外载荷采集

深水半潜式钻井平台受到的外载荷主要有:风载荷、洋流载荷和海浪载荷。对于每一种载荷,都可以通过相关传感器,测得相应的力的大小,根据受力面积计算出数据,建立起模型,计算其在平台海洋状况下所需要承受到的风浪外部扰动作用力。把相关数据送给中央处理器,使之给执行系统发送相关指令,客服外力在平台上的作用。

3.1 风载荷对平台受力数据采集

风载荷对平台受力数据可以通过风向风速传感器获得。风向风速传感器要实现最准确的反应出风力的大小,首先,要保证准确的指向风吹的方向。使用风向标和角度传感器就可以满足这一需求。其次,要准确的测出风力的大小,利用三环风轮和转速传感器就可以实现。2CW35风向风速传感器可以满足上述要求,准确采集瞬时风速和风向。图2为2CW35风向风速传感器的结构图。通过风向标、三杯风速仪、角度传感器和转速传感器分别测得瞬时风向和风力。这种机械式风向风速传感器造价低、易维护,目前在测量风向风速中仍在广泛应用。

3.2 海浪洋流载荷对平台受力数据采集

海浪洋流载荷对平台受力数据可以通过压力传感器获得。利用压力传感器采集外力作用在平台上的力的大小,为了解决受力方向问题,在平台的四周水面以下平均布置16个这样的压力传感器,每个传感器的角度为22.5度,这样当不同方向的海浪洋流对平台受力都能使用不同的压力传感器检测到,这样当平台受到任何方向的力的作用都可以传送到中央处理器,中央处理器根据受力情况给执行系统发送运行指令。安装时可选用ANYLOAD水压力传感器,该传感器灵敏度高,接线方便,便于使用和安装。

4 中央处理及控制系统

中央处理及控制系统主要完成对各种传感器传输过来的数据进行分析,判断出整个平台受力的大小和方向,并向执行系统中的电机发送运转指令。

中央处理系统采用的是DP-3操纵系统,DP-3操纵系统是国际海事组织和各大船级社对具有DP-3附加标志的动力定位系统的规范要求设计并搭建了DP一级动力定位操纵系统。操纵计算机组作为动力定位系统的计算中心,实时性要求很高,采用基于优先级抢占的多任务调度实时操作系统Vxworks,每台机器须在每一个操纵节拍内接收来自所有传感器的数据,对数据进行信号处理、滤波估计以获得最优的操纵输入,该系统可以结合外界环境的影响以及操作人员的操作指令计算出当前抵抗外界作用在平台上的力而需要的相反力和力矩,通过推力分配系统将相反力与力矩分配给各个推进器,推进器接收到指令后,按照指令做出相应方向的转动。

5 执行系统

执行系统是动力定位系统其中的一个重要组成部分,用于产生使海洋平台保持静止的力和力矩,抗衡作用于平台上的干扰力和干扰力矩。当执行系统接收到中央处理系统发送的指令后,由多个电机带动多个方位推进器按照指令中的方向和转速运转。方位推进器是一个可以改变螺旋桨轴在水平面内方位的推进器。一般是带有导管的导管螺桨。螺旋桨就是可调螺距的。

6 GPS卫星定位系统

在平台发生移动的时候,GPS能精确的测量出发生移动的方位以及距离,将收集到的数据传送至中央处理器。中央处理器向执行系统发出相应的指令,使平台准确的回到原来的位置。钻井平台最经常使用的导航系统是美国的Navstar GPS系统,它覆盖面积能够到达全球。精确度高,平台产生微小的位移,GPS系统都能够发现,并能把最新的接收端坐标传送给接收端。中央处理器可以根据不同的坐标值计算出偏移量,向执行系统发出相应的指令,使平台准确的回到原来的位置。

摘要：文章通过传感器采集钻井平台周围风浪海流等环境外载荷,把采集数据送入信息处理及控制系统,信息处理及控制系统对采集数据进行分析处理,获取外力合力的大小,并给执行系统发送指令。执行系统中的电机按照指令中的转速和方向带动螺旋桨转动,产生推力,抵消平台环境外载荷的推力,使平台静止。若钻井平台发生了移位,GPS卫星定位系统发现移位并把位移数据传给信息处理及控制系统,信息处理及控制系统根据坐标计算出移位距离及方向,给执行系统发送指令,执行系统中的电机带动螺旋桨产生推力使平台回到原位。

关键词：半潜式钻井平台,推力系统,信息处理,动力定位

参考文献

[1]孙丽萍.深水半潜式钻井平台DP3动力定位能力分析[D].北京:中国测试技术,2012.

第四代半潜式钻井平台 篇5

半潜式钻井平台在波浪作用下,除前后左右发生摇摆外,还将产生上下升沉运动,这种随波浪周期性上下运动将引起钻柱和隔水管系统周期性的上下运动[1,2,3]。钻柱周期性上下运动将使大钩拉力增大或减小,直接影响井底钻压的变化;井底钻压的变化不利于钻井,而且当钻压降到一定限度时,将使钻头脱离井底,无法连续钻进。隔水管系统周期性上下运动将使其失效或井口装置脱离井底。半潜式钻井平台由于下体都浸没在水中,其横摇与纵摇的幅值都很小,有较大影响的是垂荡运动,即上下升沉运动,它是影响钻压变化的主要因素[4]。

1 实验原理

在实验条件下,利用液压站(包括液压泵、交流电机、油箱、溢流阀、节流阀及换向阀)和液压缸构成主动式液压升沉补偿系统,通过模拟海浪周期性上下升沉运动,由可编程控制器(PLC)对死绳拉力传感器检测出的信号进行采集及处理,利用处理结果实时控制液压缸进油与排油。当无海浪扰动时钻具正常钻进,死绳拉力传感器信号保持在给定值,PLC控制补偿液压缸停止进油与排油,钻头保持在给定位置上,钻压不变;当钻井平台随海浪上升时,钻头离开岩石,钻具重量完全作用在死绳拉力传感器上,死绳拉力传感器信号大于给定值,钻头高于给定位置,这时PLC会控制液缸中的有杆腔出油、无杆腔进油,对钻头的上升运动进行补偿,使钻头保持在给定位置,维持钻压不变;当钻井平台随海浪下降时,钻头完全接触岩石,钻具重量部分作用在死绳拉力传感器上,死绳拉力传感器信号小于给定值,钻头低于给定位置,这时PLC会控制液缸中的无杆腔出油、有杆腔进油,对钻头的下降运动进行补偿,使钻头保持在给定位置,维持钻压不变;通过对液缸有杆腔和无杆腔的进油、排油进行控制,从而实现了对半潜式钻井平台的升沉运动进行补偿,保持钻压恒定[5]。恒钻压控制系统实验原理如图1所示。

2 液缸补偿系统

液缸补偿系统主要由液压站、步进驱动系统、联轴器及节流阀组成。升沉补偿控制主要是根据大钩载荷变化与给定平衡位置进行比较,PLC获得控制信号控制步进系统对补偿液压缸环油腔或中油腔进行供油,推动补偿缸活塞运动以补偿钻柱的升沉位移[6]。液压补偿系统如图2所示。

3 PLC控制系统

PLC控制系统主要由西门子S7-200、步进驱动器、步进电机组成。工作过程如下:当按下启动按钮I0.0时,绞车电机启动,继电器M0.6自锁,Q0.0置位,当接收到I2.1的信号后,Q0.0和M0.6同时复位,电机停止转动,时间继电器开始计时;时间继电器T47接通后,Q0.0、Q0.2置位,电机反转,当接收到I2.0的信号后,Q0.0和Q0.2复位,电机停转,之后计时继电器开始工作。以此来实现起下钻的自动循环。在正常钻进的过程中,拉力传感器时刻接收大钩载荷的变化,并将其与给定值进行比较,通过比较后差值的变化来选择子程序。PLC控制系统接线图及控制主程序如图3和图4所示。

4 结束语

由步进电机、节流阀组成的升沉补偿控制系统,采用了死绳拉力传感器、步进系统、PLC控制调节补偿液缸的进油与排油,去掉了液压比例阀及液压伺服阀,是一种全新概念的升沉补偿装置。通过实验得知,大钩的动态响应能够稳定在要求的变化范围内,在理论上能够满足钻井工艺的要求。

参考文献

[1]廖漠圣.海洋石油开发[M].北京:中国石化出版社,2006.

[2]方华灿.海洋钻井绳索作业时升沉补偿问题的研究[J].华东石油学院学报,1980(3):20-32.

[3]白鹿,张彦廷,张作龙.钻柱液压升沉补偿系统参数计算及比较分析[J].石油矿场机械,2009,38(3):10-13.

[4]张彦廷,刘振东,姜浩,等.浮式钻井平台升沉补偿系统主动力研究[J].石油矿场机械,2010,39(4):1-4.

[5]方华灿.海洋钻井船升沉补偿装置的设计[J].石油矿场机械,1976,5(5):25-38.

第四代半潜式钻井平台 篇6

上海外高桥造船有限公司生产的世界最先进的、也是我国第一艘第六代3 000m深水半潜式钻井平台“海洋石油981”, 2011年3月将在上海出坞, 下海进行最后的海上试航和调试, 并于2011年6月交付使用。

这艘钻井平台总造价约60亿元, 中海油拥有船型设计的知识产权。它“身高”136m, “体重”超过3万t, 兼具勘探、钻井、完井与修井作业等多种功能, 钻井深度可达1万m。和世界上其他深水钻井平台相比, “981”平台首次采用200年一遇的环境参数作为设计条件, 稳性和强度针对我国南海的恶劣海况设计, 它未来的工作区域也锁定于此。从设计的安全性、动力定位等方面看, 已跻身世界前三名。

(开颜摘自http://news.cnpc.com.cn 2011-01-17)