近日，煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司自主建造的超深水雙鉆塔半潛式鉆井平臺(tái)“藍(lán)鯨2”號(hào)完成試航。試航中，中集來福士在動(dòng)力定位系統(tǒng)（DP）操作模式下完成了電力管理閉環(huán)試驗(yàn)。
這是國(guó)內(nèi)首次破解深水鉆井平臺(tái)DP系統(tǒng)電力閉環(huán)實(shí)驗(yàn)這一技術(shù)難題。此次試驗(yàn)的成功，標(biāo)志著我國(guó)海洋工程能源及動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)取得關(guān)鍵性突破，極大地促進(jìn)了該核心技術(shù)的本土化，將有力推動(dòng)我國(guó)深水鉆井平臺(tái)閉環(huán)系統(tǒng)在深水裝備上的應(yīng)用，并提高我國(guó)海工裝備產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)水平。
海工裝備的“定海神針”
一直以來，如何保持海工裝備尤其是深水鉆井平臺(tái)在海上的穩(wěn)定性，是海洋工程領(lǐng)域面臨的技術(shù)難題。隨著DP系統(tǒng)的誕生，該難關(guān)被攻克。
DP系統(tǒng)是指在風(fēng)、浪、流的干擾下，無需借助錨泊系統(tǒng)，而是利用浮動(dòng)裝置自身的推進(jìn)器使該裝置保持一定位置、艏向或者按照預(yù)定軌跡運(yùn)行的定位控制系統(tǒng)，被稱為海工裝備的“定海神針”。目前，DP系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛，已成為深水海洋工程船舶的標(biāo)準(zhǔn)配置。
據(jù)專家介紹，當(dāng)風(fēng)、浪、流沖擊海工裝置平臺(tái)時(shí)，DP系統(tǒng)傳感器可以確定波風(fēng)、浪、流的參數(shù)，其計(jì)算系統(tǒng)可快速建立數(shù)字模型，并計(jì)算出相應(yīng)的力度和預(yù)測(cè)平臺(tái)的反應(yīng)，DP系統(tǒng)控制器則根據(jù)這些預(yù)測(cè)信息，控制每個(gè)推力器施加相反作用力進(jìn)行補(bǔ)償。“這就好比一個(gè)人被外力推了一下，大腦會(huì)快速估算并傳達(dá)信息給身體，身體就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的抵抗力以避免傾倒。”該專家表示。
根據(jù)定位需求、定位效果的不同，國(guó)際海事組織（IMO）將DP定位系統(tǒng)分為DP-1、DP-2、DP-3三個(gè)級(jí)別。DP-3為最高動(dòng)力定位級(jí)別，可依靠自控系統(tǒng)和衛(wèi)星定位自動(dòng)測(cè)定風(fēng)向等海況，精準(zhǔn)度最高、抗風(fēng)險(xiǎn)能力最強(qiáng)，即使艙室發(fā)生火災(zāi)或進(jìn)水，均不會(huì)影響海工裝置平臺(tái)的位置和艏向。
此次中集來福士進(jìn)行的電力系統(tǒng)閉環(huán)試驗(yàn)即是在DP-3運(yùn)行模式下完成的，該公司此前已交付的“中海油服興旺”號(hào)深水半潛式鉆井平臺(tái)和“藍(lán)鯨1”號(hào)超深水半潛式鉆井平臺(tái)也都安裝了DP-3系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了集成應(yīng)用。
閉環(huán)電力系統(tǒng)助穩(wěn)定
海工鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)主要由電力系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)和DP定位控制系統(tǒng)等組成，電力管理閉環(huán)系統(tǒng)是保障“定海神針”DP定位系統(tǒng)順利運(yùn)作的關(guān)鍵，對(duì)提高平臺(tái)的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。
DP閉環(huán)電力系統(tǒng)由西門子有限公司在2010年推出，是目前最先進(jìn)的動(dòng)力技術(shù)。配電系統(tǒng)運(yùn)行于閉環(huán)結(jié)構(gòu)，不同配電盤組之間通過母聯(lián)開關(guān)連接，使不同發(fā)電機(jī)組在同一個(gè)供電系統(tǒng)中運(yùn)行。電網(wǎng)運(yùn)行主機(jī)的數(shù)量由電力管理系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)在線負(fù)載情況進(jìn)行管理控制，當(dāng)電網(wǎng)載荷低時(shí)，自動(dòng)減少在線運(yùn)行主機(jī)數(shù)量；電網(wǎng)載荷高時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)備車以保證電網(wǎng)供電安全，以保障每臺(tái)主機(jī)都運(yùn)行在均勻的經(jīng)濟(jì)載荷條件下。該系統(tǒng)操作靈活、節(jié)能環(huán)保，可以縮減35%左右的主機(jī)運(yùn)行時(shí)間，有效降低鉆井平臺(tái)油耗，節(jié)省設(shè)備維護(hù)成本，同時(shí)還能減少排放量，其中，氮氧化物減少約35%，二氧化碳減少約20%。
由于不同發(fā)電機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單點(diǎn)失效故障時(shí)，若電力管理和保護(hù)系統(tǒng)不能及時(shí)、準(zhǔn)確、有效地隔離故障點(diǎn)，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)失效, 因此，DNV GL等各大船級(jí)社對(duì)閉環(huán)電力管理和保護(hù)系統(tǒng)的要求極高。閉環(huán)電力管理系統(tǒng)需要具備多級(jí)保護(hù)能力，并通過實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證。
核心技術(shù)本土化
近年來，中集來福士一直致力攻克深水鉆井平臺(tái)電力管理閉環(huán)系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)、實(shí)施應(yīng)用技術(shù)。在研發(fā)設(shè)計(jì)階段，中集來福士與西門子有限公司、康斯伯格汽車部件有限公司、瓦錫蘭集團(tuán)以及DNV GL分別進(jìn)行協(xié)同技術(shù)交底。
在各方的共同推進(jìn)下，2014年，DNV GL發(fā)布了閉環(huán)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)指引。2015年，西門子與中集來福士共同成立了全球首個(gè)DP-3閉環(huán)數(shù)字實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了西門子技術(shù)平臺(tái)大數(shù)據(jù)與中集來福士深水平臺(tái)集成設(shè)計(jì)建造大數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。通過數(shù)字化模擬，該實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)力管理系統(tǒng)可持續(xù)實(shí)時(shí)顯示平臺(tái)油耗、成本、運(yùn)營(yíng)時(shí)間、排放等數(shù)據(jù)，還能演示DP-3對(duì)模擬故障作出的反應(yīng)。
2016年，在“藍(lán)鯨1”號(hào)的試航中，中集來福士首次對(duì)開展閉環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行了嘗試。在此次“藍(lán)鯨2”號(hào)的試航中，中集來福士順利完成了DP-3運(yùn)行模式下的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。
根據(jù)試驗(yàn)程序，中集來福士團(tuán)隊(duì)首先進(jìn)行了高級(jí)發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（AGS）的性能測(cè)試，測(cè)試了在不同工況下70多種組合的電壓和頻率失效情況，成功驗(yàn)證了發(fā)電機(jī)管理系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓、頻率失效和潛在失效的一級(jí)和二級(jí)保護(hù)功能。
完成AGS測(cè)試節(jié)點(diǎn)后，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)進(jìn)行了短路試驗(yàn)，在電網(wǎng)高壓側(cè)制造接地和三相短路故障，驗(yàn)證配電盤的快速隔離保護(hù)能力以及推進(jìn)器電壓穿越能力，保證故障發(fā)生后電力系統(tǒng)能夠正常工作，DP定位系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，發(fā)揮定位作用。這在整個(gè)試驗(yàn)中，風(fēng)險(xiǎn)極高、難度最大。該試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)仔細(xì)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，做足預(yù)防措施準(zhǔn)備，進(jìn)行多次嘗試，克服種種困難，最終突破關(guān)鍵技術(shù)完成了閉環(huán)試驗(yàn)。
