DP3深水鉆井船閉環高壓配電系統的制作方法

本發明涉及海洋工程設備配電系統的結構改進技術， 屬于IPC分類H02J 供電或配電的電路裝置或系統技術領域，尤其是DP3深水鉆井船閉環高壓配電系統。

背景技術：

目前，海洋深水鉆井逐漸成為石油資源勘探開發的重點，例如中國南海是世界第四大石油氣聚集盆地，探明石油地質儲量已經超過400億噸，占中國石油資源的三分之一強，深水鉆井平臺也相應的發展到第六代，主要技術標準，最大作業水深已超過3000米，最大鉆深10000米以上，而且雙聯井架以及DP3等級的動力定位技術也已經普及和成熟。隨著各大石油公司競相將觸角向更深的海域推進，在可預見未來，更安全，更高效，更環保，更低運營成本的深水和超深水鉆井裝置的需求將越來越多，這是未來海洋鉆井市場發展的大趨勢之一。

相關文獻公開較少，上海中遠船務工程有限公司在中國專利申請201520029393.9中公開的鉆井船DP3閉環PMS電力推進系統，至少二個電力推進單元之間安裝A60隔離艙壁(2)，每個電力推進單元中均包括連接在同一個母線排(4)上的二臺主發電機(1)，以及各二臺的推進傳動變速器(7)、推進變頻器(8)和推進器馬達(9)，而母線排(4)上二臺主發電機(1)連接點之間安裝應急切換伺服開關(6)，各電力推進單元之間通過常開開關(5)兩兩連接，對鉆井船DP3電力系統進行PMS結構改進。

南通中遠船務工程有限公司和江蘇大學 在中國專利申請201010187913.0公開了一種超深海大型半潛式鉆井平臺配電系統的優化配置方法，由于配電系統的設計與布局直接影響鉆井平臺的正常工作，本發明通過優化全船電力系統主單線圖，強化區域供電原則，根據系統與區域原則，調整配電系統方案，優化DP3主電纜路徑：通過優化鉆井配電系統的布置并對重新優化的方案進行電力系統的負荷及平衡計算，使整個配電系統更趨于合理，減小施工難度，節省電纜與人工的成本。

中國海洋石油總公司和中海石油(中國)有限公司湛江分公司在中國專利申請 201010257896.3中公開一種海上石油平臺電力組網系統，該系統是將分布在一個海域內的多個海上石油鉆井平臺上的多個海上平臺電站通過海底電纜相連接，形成一個并網發電的小型電力系統。海底電纜為光纖電纜，其埋設于海床下0.5～2.5米。小型電力系統包括設置在電站調度管理中心的集中信息管理層及分別設置在多個海上平臺電站上的數據采集服務器、電站機組控制系統、視頻會議裝置和相應的網絡設備。

現有深海石油開發中產業需求所需的知識，并未能由包括以上文獻在內的現有技術公開的內容所涵蓋，尤其是，滿足DP3深水鉆井船生產需要的閉環高壓配電系統仍嚴重的缺乏。

技術實現要素：

本發明的目的是提供DP3深水鉆井船閉環高壓配電系統，在DP3模式下，對不同的DP冗余組設備及整個系統負荷實現閉環電力供應。

本發明的目的將通過以下技術措施來實現：包括柴油發電機、高壓配電板、電力推進系統、鉆井變頻變壓器、船用輔助變壓器和鉆井輔助變壓器；配電系統為11kV高壓供配電系統，包括： 六臺7370kWe/11kV/60Hz 柴油發電機，三部可環形連接的11kV高壓配電板，六套電力推進系統，四臺鉆井變頻變壓器，六臺船用輔助變壓器，以及三臺鉆井輔助變壓器；配電系統中柴油發電機和高壓配電板在容量和臺數上都冗余配置，且布置在至少兩個獨立的A60分割的水密艙室中；柴油發電機G1和G2、柴油發電機G3和G4、柴油發電機G5和G6分別位于不同的主機室，這三個主機室之間都是A60分割；三部高壓配電板分別位于不同的高壓配電板間，這三個高壓配電板之間都是A60分割；柴油發電機G1和G2、柴油發電機G3和G4、柴油發電機G5和G6分別給三部高壓配電板的母排A或B供電。

進一步的，所述三部可環形連接的11kV高壓配電板相互獨立，該三個11kV高壓配電板相互之間通過主/從聯絡斷路器和電纜連接，三部高壓配電板兩兩相連，形成環形回路；每個高壓配電板有兩段母排，這兩段母排之間通過母聯開關連接。

進一步的，所述柴油發電機中性點高電阻接地，將每臺發電機的接地故障電流限制在不大于1.5A的范圍內。

進一步的，所述柴油發電機采用短路保護(ANSI 50)設定，柴油發電機短路保護(ANSI 50)通過高設置過電流(ANSI 50) - 階段1來使母聯和主/從聯絡斷路器跳閘，對于外部故障，柴油發電機短路保護(ANSI 50)采用阻塞輸入來禁止跳閘。

進一步的，所述高壓配電板對推進系統、鉆井系統和輔助系統進行系統保護，對于母排采取定向定時分區域保護，對于柴油發電機和主/從聯絡斷路器采取分區域差動保護。

進一步的，所述高壓配電板環形回路時，母排上安裝定向定時過電流保護繼電器，包括用于母聯和主/從聯絡斷路器的電流互感器和正向/反向定時過電流繼電器，以及用于發電機和饋電開關的多功能保護繼電器的高設置雙向定時保護元件，以實現多母排區域過電流定向定時保護。所述主/從聯絡斷路器連接電纜上的差動保護繼電器，當主/從聯絡斷路器探測到了故障，其相應的主/從聯絡斷路器跳閘，隔離有故障的電纜。

進一步的，所述鉆井變頻變壓器、船用輔助變壓器和鉆井輔助變壓器采用移相變壓器，形成虛擬24脈沖。

進一步的，所述配電系統保護允許無故障的部分在不斷電的情況下繼續運行；

對于母線故障，分3級跳閘：

第一級：主/從聯絡斷路器和母聯跳閘，使11kV高壓配電板/母排分列運行；第二級：發電機短路保護(ANSI 50)再次發出信號使主/從聯絡斷路器和母聯跳閘；第三級：當故障被隔離但是未清除，發電機短路保護（第二級）設定使發電機斷路器在跳閘時短路電流在母排內部電弧故障等級之內；

對于母線相位故障，分3級跳閘：

第一級：主/從聯絡斷路器和母聯跳閘（250msec），使11kV高壓配電板/母排分列運行；第二級：發電機短路保護(ANSI 50)再次發出信號使主/從聯絡斷路器和母聯跳閘；第三級：當故障被隔離但是未清除，發電機短路保護（第二級）設定使發電機斷路器跳閘（400msec），使短路電流在母排內部電弧故障等級之內；

對于母線接地故障，分5級跳閘：

第一級：母聯斷路器跳閘（1 sec）；第二級：如果沒有阻塞，為了隔離有故障部分，主/從聯絡斷路器跳閘（1.5 sec）；第三級：作為主/從聯絡斷路器備用保護，發電機保護繼電器發出信號使主/從聯絡斷路器跳閘（3 sec）；第四級：發電機保護繼電器使發電機斷路器跳閘（3.5sec）；第五級：最為最后的備用保護，發電機接地高阻的保護繼電器發出信號使相關的發電機斷路器跳閘（4sec）；如上配電系統保護是允許無故障的部分在不斷電的情況下繼續運行。

本發明的優點和效果：在DP3模式下，對不同的DP冗余組設備及整個系統負荷實現閉環電力供應，可以有效減少主機運行和維護時間，提高主機操作靈活性和燃油經濟性，減少有害氣體排放。經實踐檢驗，此技術可以降低11%油耗，減少35%氧化氮和20%二氧化碳排放，降低50%主機維修費用。更加安全、高效、環保和節能。邏輯控制明確，同時還檢驗電力系統供電穩定性，實現安全可靠運行和管理智能化，設計建造周期大大縮短，增強抵抗事故能力，提高供電可靠性，減少備用機組量，提高閑置資產利用率，節省投資及運行維護成本，有效降低新油氣田的開發投資成本，提高經濟效益，降低能源消耗。

附圖說明

圖1為實施例1中高壓配電系統示意圖

圖2為實施例1中發電機中性點高阻接地(NER) 示意圖

圖3為實施例1中發電機屏保護示意圖

圖4為實施例1中主/從聯絡斷路器和電纜的分區域差動保護示意圖

圖5為實施例1中高壓配電板環形回路時母排定向定時保護 的 11kV高壓配電板1示意圖

圖6為實施例1中高壓配電板環形回路時母排定向定時保護的 11kV高壓配電板2示意圖

圖7為實施例1中高壓配電板環形回路時母排定向定時保護的 11kV高壓配電板3示意圖

圖8為實施例1中輔助變壓器保護示意圖

圖9為實施例1中12脈沖推進器變壓器保護方案或12脈沖鉆井變壓器保護示意圖。

具體實施方式

本發明技術方案的設計滿足美國船級社（ABS）船檢規范規則以及相關平臺規范規則（MODU），同時，艙室和管線布置依據DP3的要求進行相應處理，具有DP3等級的設備出現任意單一故障或所在艙室失火或浸水時，DPS系統也不失效。

本發明包括： 柴油發電機、高壓配電板、電力推進系統、鉆井變頻變壓器、船用輔助變壓器和鉆井輔助變壓器。

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

實施例1：如附圖1所示，配電系統為11kV高壓供配電系統，包括： 六臺7370kWe/11kV/60Hz 柴油發電機，三部可環形連接的11kV高壓配電板，六套電力推進系統，四臺鉆井變頻變壓器，六臺船用輔助變壓器，以及三臺鉆井輔助變壓器；配電系統中柴油發電機和高壓配電板在容量和臺數上都冗余配置，且布置在至少兩個獨立的A60分割的水密艙室中；柴油發電機G1和G2、柴油發電機G3和G4、柴油發電機G5和G6分別位于不同的主機室，這三個主機室之間都是A60分割；三部高壓配電板分別位于不同的高壓配電板間，這三個高壓配電板之間都是A60分割；柴油發電機G1和G2、柴油發電機G3和G4、柴油發電機G5和G6分別給三部高壓配電板的母排A或B供電。

前述中， 三部可環形連接的11kV高壓配電板相互獨立，該三個11kV高壓配電板相互之間通過主/從聯絡斷路器和電纜連接，三部高壓配電板兩兩相連，形成環形回路；每個高壓配電板有兩段母排，這兩段母排之間通過母聯開關連接。可以根據實際工況，該三個11kV高壓配電板分列運行、直線運行或環形運行。母排提升屏用來指示和控制右手邊的母排。

前述中，如附圖2所示， 柴油發電機中性點高電阻接地（NER），將每臺發電機的接地故障電流限制在不大于1.5A的范圍內。以保持低的接地故障電流，通過高電阻的電流由發電機保護回路來監測，作為靈敏接地故障保護。

前述中，如附圖3所示，柴油發電機采用短路保護(ANSI 50)設定。柴油發電機短路保護(ANSI 50)通過高設置過電流(ANSI 50) - 階段1來使母聯和主/從聯絡斷路器跳閘。對于外部故障，柴油發電機短路保護(ANSI 50)采用阻塞輸入來禁止跳閘。柴油發電機短路保護(ANSI 50)設定，使得發電機斷路器在跳閘時，短路電流在母排內部電弧故障等級之內，此外，母排的分區域保護也用到所述的定向定時過電流繼電器。

前述中，如附圖4所示， 11kV高壓配電板采用施耐德Sepam 80系列多功能保護繼電器，11kV高壓配電板對推進系統、鉆井系統和輔助系統進行系統保護，對于母排采取定向定時分區域保護，對于柴油發電機和主/從聯絡斷路器采取分區域差動保護。

前述中， 如附圖5、6、7所示，高壓配電板環形回路時，母排上安裝定向定時過電流保護繼電器，包括用于母聯和主/從聯絡斷路器的電流互感器和正向/反向定時過電流繼電器，以及用于發電機和饋電開關的多功能保護繼電器的高設置雙向定時保護元件，以實現多母排區域過電流定向定時保護。所述主/從聯絡斷路器連接電纜上的差動保護繼電器，當主/從聯絡斷路器探測到了故障，其相應的主/從聯絡斷路器跳閘，隔離有故障的電纜。這種分區域差動保護使有故障的部分隔離，無故障部分繼續運行。

前述中，如附圖8、9所示，鉆井變頻變壓器、船用輔助變壓器和鉆井輔助變壓器采用移相變壓器，形成虛擬24脈沖，可以有效地抑制諧波。

本發明實施例中，高壓配電板的制作符合IEC 62271-200的要求，每屏頂部具有泄弧通道,以泄放掉故障電弧產生的有害氣體和金屬離子。通過內部燃弧等級為IAC, AFLR, 31.5kA, 0.5 Seconds的實驗，并取得證書。根據DP3的要求，配置功率管理系統（PMS），確保電站的安全和可靠。

本發明實施例中，配電系統保護允許無故障的部分在不斷電的情況下繼續運行。對于母線故障，分3級跳閘：

第一級：主/從聯絡斷路器和母聯跳閘，使11kV高壓配電板/母排分列運行；第二級：發電機短路保護(ANSI 50)再次發出信號使主/從聯絡斷路器和母聯跳閘；第三級：當故障被隔離但是未清除，發電機短路保護（第二級）設定使發電機斷路器在跳閘時短路電流在母排內部電弧故障等級之內。

對于母線相位故障，分3級跳閘：

第一級：主/從聯絡斷路器和母聯跳閘（250msec），使11kV高壓配電板/母排分列運行；第二級：發電機短路保護(ANSI 50)再次發出信號使主/從聯絡斷路器和母聯跳閘；第三級：當故障被隔離但是未清除，發電機短路保護（第二級）設定使發電機斷路器跳閘（400msec），使短路電流在母排內部電弧故障等級之內。

對于母線接地故障，分5級跳閘：

第一級：母聯斷路器跳閘（1 sec）；第二級：如果沒有阻塞，為了隔離有故障部分，主/從聯絡斷路器跳閘（1.5 sec）；第三級：作為主/從聯絡斷路器備用保護，發電機保護繼電器發出信號使主/從聯絡斷路器跳閘（3 sec）；第四級：發電機保護繼電器使發電機斷路器跳閘（3.5sec）；第五級：最為最后的備用保護，發電機接地高阻的保護繼電器發出信號使相關的發電機斷路器跳閘（4sec）；如上配電系統保護是允許無故障的部分在不斷電的情況下繼續運行。

本發明的高壓配電系統并不限于上述具體實施方式，本領域技術人員根據本發明的技術方案得出其他的實施方式，同樣屬于本發明的技術創新范圍。