C海洋石油基地加水岸电工控系统设计要素与应用效果分析

田振江 TIAN Zhen-jiang；温晓桦 WEN Xiao-hua；王颖 WANG Ying；伍永畅 WU Yong-chang

（中海油能源物流有限公司物流研究所，天津 300452）

0 引言

C海洋石油基地码头，是专门为石油探勘开发提供后勤服务的综合性码头。基于石油勘探开发特点，后勤物资具备形态多种、类型多样、规格尺寸多，难以统一的特点。从海上生产作业需求出发，码头服务需要提供装卸船、船舶补水、船舶输灰、船舶补油、船舶岸电、船舶带缆等服务。近40年的后勤发展历史和经验积累，形成目前的作业方式，概述为人机配合、现场操控、综合协调三个特征属性。

1 海洋石油基地码头特点

C海洋石油基地码头，专门为石油探勘开发提供后勤支持综合服务，因此其设备设施数量和种类较多，用电需求较大。尤其是近些年，伴随着海洋石油工业发展，石油基地码头不断成长，以服务上游勘探开发为主业，借鉴国内外先进港口发展经验和技术，通过自我革新、场景化提升改造，来提升自身服务效能，为海上生产提高基础保障。

C海洋石油基地码头天气特点是，平均气温28摄氏度，平均潮差8米，每年台风2次，最大风力12级。最高气温45摄氏度，相对湿度90%以下。现场环境具备高温、高湿、高腐蚀的特点。

1.1 作业性质

①杂货物资。基于石油勘探开发工业需要，后勤物资主要包括钻完井工具、油田化学材料、固井材料、测井设备、管材等物资，这些物资具备形态多种、类型多样、规格尺寸繁杂的特点。另外由于其特点决定了承载器具及装卸工属具多类型匹配，码头吊机采用门座式起重机，物资装卸高度依赖人工操作，对协调性要求高。

②交叉作业。从海上生产作业作业需求出发，码头服务需要满足装卸船、船舶补水、船舶输灰、船舶补油、船舶岸电、船舶带缆等需求。近40年的后勤发展历史和服务经验，形成了以交叉作业为主的作业形式。当前的作业以人工为辅，自动化为主的方式展开，采用了人机配合、现场指挥、综合协调来完成各项服务。

1.2 作业环境

①天气环境。海洋石油基地码头地处南海区域，属亚热带海洋性季风气候，年均气温28摄氏度，气候温和，对码头设备运维以及人工作业的影响较小。

②水文环境。海洋石油基地码头潮差-8米。本地区相对湿度比较大，多年平均相对湿度为78%，一般每年10～2月份，相对湿度在65%～77%，3～9月份相对湿度在80%～86%。

2 设计考虑因素

码头岸电工控系统设计，在考虑岸电服务高效运行的同时，兼顾整个码头的系统运行效果。对于存在交叉作业的石油基地码头，需要考虑作业协调、作业安全、作业效率三方面因素，同时，还要兼顾设备的耐腐蚀性和耐久性。

2.1 作业协调 工控系统设备布置在码头前沿，通过安全因素分析，设备可能存在对吊机旋转、船舶解系缆产生不利影响。设备如果过高，如超过70厘米，则不利于吊机旋转将被吊货物装船或卸船。另外，对于船舶缆绳套住系缆桩也会产生格挡。不利于岸上与船舶甲板工人沟通交流，进而影响装卸安全和效率。从与装卸作业协调一致性考虑，前沿设备越低越好，越小越好。设计时充分考虑尺寸设计。

2.2 使用安全 工控系统设备充分考虑现场操作模式和业务流程，从用电安全性角度出发，需配备急停处置功能，即在紧急情况下，实现对设备瞬间断电，将风险及损失降到最低。操作者须与带电体实现完全隔离，即电气设备封闭于箱体内，操作盒在箱体外即可实现对电气设备的启动、关闭和运行状态、计量数据的掌控。此外要对设备进行定期检查的工作周期一般为一个月以上，即利用专业的检测工具去检查机械设备的劣化程度和精度，并将整个检测的过程一一记录下来，再根据记录的结果来分析机械设备运行存在的问题。

2.3 设备耐久 工控系统前沿设备充分考虑海洋高温、高湿、海腐的现状，当前码头引入了更多大型和智能化的设备，逐步代替了以往人工所能够完成的工作和人工不能够完成的工作。但是，工程项目建设中所使用的设备也并没有完全实现智能化，还需要由人工进行操作和管理，所以便需要认真做好管理与维护保养工作，以此保证设备能够正常运行，从而有效提升设备的安全实用水平。在材质选择方面，要考虑密封标准，达到行标要求，保证设备在长期使用中适用于海洋环境。防控级别不低于ip55，充分考虑潜在侵蚀对箱体内电气备件、信息传输模块的影响。由于设备保养工作涉及的程序较多，且每一个程序都非常复杂，对保养工作的要求较高。为了保证设备的使用性能能够充分发挥出来，便需要做好设备的日常保养工作。其中，在设备保养中具体涉及润滑油的加注和设备清理，所以需要合理把控每一个环节，以此保证设备保养的质量。

2.4 使用效率 工控系统前沿设备设计充分考虑操作习惯、对周边设施和其他服务的影响，在操作方式上、方位上、作业者舒适度上给予优化设计。达到设备使用高效率的目标。

3 技术方案

基于岸电工控系统设计考虑因素，技术方案制定，从前沿设备尺寸及功能设计、操作模式设计、工控室控制机柜和管理系统设计四方面入手。通过优化前沿设备尺寸和功能，做到操作实用、简单、快捷、安全。优化设计工控机柜和管理系统，做到集中管控、智能分析精准、高效。

技术方案包括工控室设备和码头前沿设备两部分。码头前沿设备包括：岸电控制箱、岸电转接箱、加水控制箱；工控室设备包括：工控机柜、隔离变压器、工作站服务器。具体内容如下：

3.1 码头前沿设备

①岸电控制箱。功能设计，船岸连接方式，做到快捷插拔。取电用电方式拟选取刷卡控制方式。刷卡屏具备显示计量数据和重要信息提示功能。为做到安全控制，岸电箱加设急停按钮和报警灯装置。基地码头前沿尺寸设计，考虑前沿尺寸宽度和护轮坎高度，装卸船作业吊装物距离地面距离，综合设计箱体高度580mm，箱体宽度为600mm，箱体长度为900mm。岸电连接插座位于箱体左侧位置。急停按钮设置在箱体正前方位置。

设计后箱体外形如图1所示。

图1 后箱体外形三视图

②岸电转接箱。功能设计，设计转接头满足接线端子船舶电缆在新设计岸电箱上取电需求。

③加水控制箱。功能设计，实现刷卡方式取水用水，数据能够在加水控制箱上显示。基地码头前沿尺寸设计，控制箱以方便刷卡操作，以不妨碍船舶系缆、物资装卸为原则，设计尺寸为：长度800mm，宽度600mm，高度430mm。

控制箱外形如图2所示。

图2 控制箱外形三视图

3.2 工控室设备

工控室设备是岸电工控系统的核心，包含控制系统和管理分析系统，控制系统集成在一套工控机柜中，包括plc控制系统，加水计量系统，岸电计量系统。管理分析系统包括工作站两台，工业分析组态软件1套，用于监督控制加水和岸电的工作状态、作业数据，用于远程控制前沿设备的起停、关闭和紧急处置。工控室设备主要包括：工控机柜、隔离变压器、管理分析系统软硬件。

①工控机柜。集成岸电电气系统、岸电计量系统、plc控制系统、信息传输模块。功能：实现对前沿岸电服务、加水服务的数据采集和输出。采集前沿作业状态数据并传输到上一层管理分析系统。基于应急处置需要，工控机柜配备急停按钮和声光报警灯。

②隔离变压器。基于船舶用电中性点不接地的现状，为保护用电期间对岸上电源系统的安全，选取隔离变压器。隔离变压器的选取，基于供电电压、频率、功率进行选取。主要参数为：相数：三相；容量：250kVA；输入电压电流：3φ400V 360.8A；输出电压电流：3φ400V 360.8A；适用频率：50Hz。

③管理分析系统。管理分析系统通过开发供电供水监控系统软件，实现对加水和岸电作业启动、关闭控制，实现作业状态监控，实现对数据统计分析，实现对前沿紧急情况的急停处置。通过开发出供电供水远程操作画面，实现工控控制。通过开发出供电供水运行画面、计量画面、故障报警画面、报表画面实现对作业细节的管理、分析。

管理分析系统配备计算机工作站2台，包含opc服务器1台。

管理分析系统模块组成如图3所示。

图3 管理分析系统模块组成

4 使用效果

4.1 测试效果（技术指标）码头加水接电工控系统岸电联船测试，设备工作状态正常、船方用电正常且能满足靠岸用电需求。前沿刷卡操作5秒内完成，数据实时传输至工控系统，达到工控模式监督和管控。联船测试持续48小时，码头供电正常、船方用电正常。岸电供应过程电压稳定、电流正常，满足船方用电要求。刷卡取电、断电操作及大电流插头插座连接方式方便、快捷、安全，工控系统实现对岸电过程的数据采集、远程操作控制和实时监控。

4.2 操作便利性 经实操验证，码头加水接电工控系统操作高度在0.5米以内，不影响人员舒适度。设备高度不超过0.6米，与吊机物资装卸距地面距离1米要求不冲突，码头与船舶甲板沟通及视线畅通无阻。因设备尺寸较小，船舶带缆缆绳不受约束。整体操作服务与码头其他业务相融合。操作时长较原有模式缩短100%。

4.3 系统持久性验证 该系统自2021年12月初投入测试，至2022年4月份，累计提供岸电12船次，加水100船次，用电时长377小时，用电量30000千瓦时。用水时长500小时，用水量50000方。系统持续稳定运行。前沿设备未发生异常状况。

4.4 安全评价 在岸电使用上，操作者在前沿只需连接快接插头，刷卡启动即完成接电工作。断电时，只需刷卡断电，拔掉插头即完成断电工作。期间的作业状态、数据实时采集传输到工控系统，由工控系统完成状态监控和数据分析，可根据管理者需要上传至上层管理系统，打印出报表。岸电操控模式将带电体和操作者实现有效隔离，安全隐患基本全部消除。

5 结语

本论文基于海洋石油基地码头作业场景、自动化智能化需求，提出工控系统设计方案，提升加水和岸电服务质量，设计时充分考虑制约码头服务效率的关键因素，制定针对性方案，保证方案与基层场景相符相容，让操作者用得舒适、高效、安全，让管理者管得系统、全面、智慧。通过持续6个月的测试使用，验证了系统的稳定性、安全性，为本系统全面推广提供参考借鉴。

本系统由设计到实施到应用，将场景需求和技术要素结合到一起，达到解决实际问题的目标。