R-550D自升式钻井平台升降系统的调试

段谟簿 练博强 蓝巨滔

摘    要：R-550D自升式钻井平台中采用电动齿轮式升降系统，该系统由多个升降模块构成，均匀分布在各桩腿两侧。自升式平台在下水后，依靠其升降系统进行站桩作业，以方便码头舾装的进行。因此，升降装置需在下水后进行联调试验，以确保其尽快达到可使用状态。

关键词：升降系统;组成;调试

中图分类号：U674.38                              文献标识码：A

Abstract： The R-550D jack-up drilling platform adopts electric gear jacking system， which is composed of several jacking units and evenly distributed on both sides of each pile leg. After launching the jack up platform needs to rely on its jacking system for pile operation， so as to facilitate the outfitting at wharf. Therefore， the jacking device should be jointly commissioned after launching to ensure that it could be used as soon as possible. This paper discusses the commissioning difficulties and solutions of the jacking system of the R-550D jack-up drilling platform.

Key words： Jacking System; Composition; Commissioning

1     概述

自升式钻井平台的升降系统，一般安装在自升式平台的桩腿和平台主体的交界位置，经由升降装置驱动平台主体作升、降运行，以满足海上平台相对高度作业需要。

升降装置主要有两种型式：一种是液压顶升式升降装置;另一种是齿轮齿条式升降装置。齿轮齿条式升降系统因具备升降运行快、操作容易、井位对准简单等突出优点，已成为自升式平台升降系统的主流形式。

升降装置联合调试会受到动力、管系、控制系统等项目完工条件以及调试过程中的调试操作规范、安全措施等诸多因素的影响，需预先进行深入分析，以确保试验成功。

2     升降系统分类

2.1   液压顶升式升降系统

液压顶升式升降装置，主要由插销、插销孔、环梁和顶升液压缸等组成。其升降原理是在每1条桩腿处都设计2套液压驱动的插销和1套顶升液压缸，如图1所示。

安装在环梁上的1组环梁销插入到桩腿的插销孔中，由1组顶升液压缸同步动作可使环梁及销子带动平台主体升降1个间距;然后将固定销推入到桩腿的插销孔中，撤出环梁销，液压缸和环梁复位;再进行下一个运行轮回。

2.2   齿轮齿条式升降系统

因为海洋环境比较恶劣，所以平台升降时间对平台的安全性很重要，同时平台升降时间也与平台的到位费用紧密相关，因此升降速度较快的齿轮齿条升降方式得到了推广应用，其典型结构如图2所示。

齿轮齿条式升降系统是在平台的每根齿条上装有若干个小齿轮，经过马达驱动齿轮减速箱，然后传给与齿条啮合的小齿轮来驱使平台的升降。

齿轮齿条升降系统，从动力驱动上可分为：液压马达和电机马达两种方式。两种升降驱动方式，在设计上均能达到平台在各种工况下所要求的基本技术指标。

3    R-550D型平台升降系统组成

普通平台的电动齿轮齿条式升降系统，主要由以下几个部分构成：固桩室、动力驱动系统、传动装置、控制系统、制动控制系统及锁紧系统等。

平台升降操作通常是在中央控制台实施，在就地仅能实现有限的操作功能。除了中央控制台以外，其它升降模块都设计为各桩腿单独运行，这样可以降低各桩腿间运行的相互干涉，并能有效实现每条桩腿的独立操纵。

R-550D自升式钻井平台升降系统，具体功能及配置如下：

3.1   升降模块

升降模塊，包含了升降齿轮、行星减速箱、平行轴齿轮减速箱、电动马达、盘式刹车的总成，其中齿轮箱是实现齿轮系传递功率的关键组件，以实现扭矩大小的改变、分配及方向的转换。

R-550D自升式钻井平台选用SJ1000型升降系统，由VFD（变频驱动）54个升降单元（分布于三个桩腿，每个桩腿三个弦管，共计18台）组成，每个升降单元的提升能力如下：

3.2  电气系统及控制部分

3.2.1  电力进线配电柜

电力进线配电柜主要配有1 000 A空气断路器、230 V/230 V隔离控制变压器及其它辅助电源控制（断路器）及指示回路，主要参数如表1所列：

3.2.2  变频驱动器

升降系统变频驱动由变频驱动器（VFD）及控制器协调马达控制中心实现控制各升降单元，正常情况下通过驾驶室的中央控制台操作;对于单桩腿操作模式，可以在桩腿就地实行部分功能的操作。每个桩腿配置一组单独的变频驱动柜，实现单个桩腿的独立操作控制。

每套变频驱动器主要配有四个进线断路器（两组并联）、主回路整流单元（集成）、逆变单元（集成）、电抗器、PLC逻辑控制器等，其主要参数见表2：

3.2.3 马达控制中心

电机马达控制中心是驱动系统的最后输出阶段，通过现场总线与变频驱动器及主控制器连接。其主要功能有：升降模块电机马达驱动输出执行、电机马达空间加热、升降单元刹车器输出执行、刹车空间加热、升降电机马达超速监控、电机负载监控、控制回路监控等。

马达控制中心主要配置了对应桩腿（弦管）的18组电机的保护单元回路，以及18组刹车盘的电源保护回路，此外还有I/O单元，用于监测来自升降单元本体关于马达、刹车片状态的的实时监控，其主要参数见表3。

3.2.4 中央控制台

整个平台升降系统的操作主要在中央控制台，在升降中央控制台上通过升、降命令实施平台的升、降操作。控制台上安装有物理水平仪和电子水平仪，用于监测升降操作时平台的倾斜度是否在设计可控范围内;控制台上装有三组显示器，用来显示每个桩腿3个弦管升降齿轮承受的动态负荷、桩腿的总动态负荷、以及升降电机马达的工作电流、功率及桩腿高度等，其中电子水平仪可在显视屏上模拟显示平台水平状态。

中央控制台配有各桩腿升、降操作指令按钮、一台主控制器、相关I/O单元，及电子水平仪、监控操作屏等，其主要参数见表4。

3.2.5 相位偏差就地控制站

相位偏差就地控制站，通过监测平台桩腿的各弦管高度来计算得出相位差，即桩腿弦管相对于平台主体高度位置的位移累积差值。

齿条相位差就地控制台共有3处，分布于首部、左舷及右舷桩腿处，并配置有各自独立的位置高度编码器;每条桩腿升降基础上有一个高度检测齿片，齿片与桩腿齿条相啮合，当平台升降时高度检测齿片会跟随转动，通过公式计算可将其转动的距离转换为平台高度信息，并显示在人机界面HMI上，以便于操作者监控和操作;此外，还配置有ProfiBus-DP通讯模块采集来自高度监测编码器信号，并反馈主控制器，其主要参数见表5。

4    调试技术难点分析

R-550D型自升式钻井平台升降控制系统对安全性和可靠性极为重要，在调试阶段需要进行重点分析和监控。

根据对各种型号升降系统的常规应用和比较分析，升降装置的控制系统对于升降操作必须要有完备的保护和逻辑连锁，才能实现根本的安全;其次才是设备执行器层面的逻辑功能实现。因此对于调试而言，主要难点为在保证其安全性的基础上实现各项操作功能。

4.1   操控功能

操控功能除了升降、停止的外部操作外，还有升降主控制器与变频驱动控制器的逻辑、指令，以此为基础实现变频驱动装置的启动和调速命令的执行。

（1）R-550D型自升式钻井平台升降系统的通讯网络采用了ProfiBus-DP协议，是广泛应用于海工船舶及平台设备监控、数据通信和控制的一种现场总线技术;ProfiBus协议可选波特率支持9.6 kB/s至12 MB/s，总线循环时间<10 ms，总线上最多可连接126个设备，支持多点通讯，传输介质可用金属双绞线或光纤。本项目桩腿现场至控制器I/O，采用了62.5/125的多模光纤连接，而在控制柜内部采用了标准ProfiBus-DP线连接;

（2）通讯网络ProfiBus-DP协议总线技术是多主站方案，能够执行多个控制、配置和可视化系统在一条总线上互相操控;但对于升降系统的通讯网络，采用了冗余DLR环网的方案，因此对于一个环网而言只有一个主站，而对于整个控制系统有两个主站，分别位于驾驶室中央控制臺和配电板间，两者互为冗余，当其中一台主控制站出现故障时能实现自动切换和接管;

（3）R-550D平台使用了备份的ET200M远程I/O站来实现数据、状态采集及执行，从而使数据、状态采集的时效性、可靠性得到了保障。该模块是一套被动装置，没有总线寻问权，只对收到的信息进行确认;另外，当主站请求时进行数据发送;通过ProfiBus协议连接起升降系统中央控制台、各桩腿马达控制中心、变频控制单元、相位偏差就地控制站等主要控制设备，以实现终端设备层到中央控制台监控的分散式数字控制和现场通信网络;相位偏差就地控制站同样采用了现场总线技术，使用ProfiBus电缆连接桩腿上所有弦管编码器，将数字通信的方式取代编码器的脉冲信号。

4.2   监测报警

监测报警系统通常实时监测各I/O模块的状态，并以此作为程序逻辑功能块的触发条件，比如：刹车释放信号、马达接触器状态、工作电源回路断路器状态;此外，桩腿弦管高度监测也是升降控制系统监测系统的重要功能逻辑，包括了桩腿高、低位极限警告及停车。

根据升降系统基本设计的设备配置，其主要故障点（并不限于这些）如表6所列。

根据升降系统的设备配置及故障点分析，控制逻辑对以下主要故障点（并不限于这些）进行了检测和应急停车设置，见表7。

4.3   升降控制系统安全保障

因为升降系统的工作状况很复杂，并且升降系统直接影响到整个平台的安全，因此在前期设计、过程建造、试验阶段中，对于升降机构传动装置的安全可靠性等方面要求非常苛刻。关键在升降时刹车装置失效、出现超车危险情况时，整个传动装置将由减速变为增速传动过程，将会对设备和人员造成很大的危害。

为保证升降系统的安全可靠运行，当出现故障时，系统可以采用降速停止及应急停止。因此在调试前期，必需确测试安保（降速、应急停止）功能，确保各安保功能正常后方可进行整个平台的升降试验，并且只有当故障报警点消除及相关报警状态复位后，升降系统才能重新启动，以确保系统的的每次升降是满足所有安全控制逻辑的要求。根据设备构成及其分布，可以从升降中央控制台、各桩腿马达驱动中心实施手动应急停止。

不同级别的应急停止所应用的控制逻辑是不一样的，这是出于升降装置的当前状况直接影响到平台的姿态和安全考虑的。对中央控制台的应急停止指令，是最高的级别，整个升降系统会被应急切断，包括所有的升降马达控制中心;但对于来自于各桩腿马达驱动中心的应急停止指令，只使对应的桩腿升降马达控制中心的安全控制回路切断，而不会使整个平台升降系统被应急切断，这种设计能综合应急响应的动作，保证其它桩腿升降马达控制中心正常工作，规避事故恶化以及对系统造成冲击。

同样，对安全控制回路设置了严格的条件，一旦任何一处的应急停止指令触发，都会直接使控制电源回路继电器动作，从而在硬件上实现闭锁，然后在PLC程序上对桩腿的马达控制中心（单独）的电气执行器件控制作为输入条件，实现对该桩腿所有马达电源、刹车器电源、变频器电源的电气闭锁。这些控制条件至少有：中央控制台应急停止、各桩腿马达驱动中心应急停止、各桩腿相位偏差就地控制站应急停止。

除了以上安全控制措施，还对部分设备进行了连锁保护。连锁保护功能是对于故障、误操作、紧急情况下的升降装置所必须采取的内部措施，以遏制事故的进一步扩大。通常采取的方法是降速停止或应急停止，并且只有当重要故障报警被从系统中复位后，升降系统才能解开闭锁，恢复正常的启动、操作。

5     结论

自升式钻井平台升降装置是连接桩腿和平台主体的关键系统，其可以驱动平台主体沿桩腿做升、降动作，并可将平台主体固定于桩腿作业所要求的任一位置，以确保平台主体在作业时位于海面上方，保证平台有足够的气隙高度，保护平台设备不被海浪损坏。因此通过对升降系统组成及工作原理进行分析，梳理相关技术难点，掌握完备的保护及逻辑连锁要求，重点关注硬件设备执行层面的逻辑功能，才能保证其安全，为调试工作的顺利进行打好基础。

参考文献

[1]袁飞晖，张纪昱.基于变频驱动的自升式钻井平台升降控制系统[J]. 船舶与海洋工程，2017（1）.

[2] 黄维学，刘放.自升式海上钻井平台升降系统技术特点分析[J]. 一重技术，2011（2）.