TBD620V12 发动机在模块钻机主发电站中的应用

何玉苟

（中海油田服务股份有限公司，广东深圳 518067）

0 引言

随着模块钻机自动化、智能化发展要求，电驱动钻机在海洋模块钻机上得到迅速的发展和推广，以船用柴油发电机组为动力的电站成为模块钻机标准配置。模块钻机的供电一般有两种供电模式：①模块钻机配备独立的主发电站，由“两用一备”运行模式或“三用一备”运行模式的柴油发电机组组成；②由油田或平台上部组块提供主用电力并通过变压器降压供给钻机，钻机自带1 台1400 kW 或1600 kW 柴油发电机组作为备用电站以应对平台供电中断时为模块钻机提供电力以满足建立泥浆循环和上提、下放等基本需求。钻井主发电站和备用电站在海洋钻井平台和模块钻机属于钻机关键设备，在钻井作业过程中发挥着重要作用。一旦钻井作业过程中发生模块钻机供电故障，将对钻井作业带来卡钻、无法建立泥浆循环等严重影响和难以估量的损失，同时存在不可预料的井控高等级风险。

1 海洋模块钻机柴油发电机组应用现状及存在问题

1.1 海洋模块钻机柴油发电机组的特殊要求及应用现状

近10 年来海洋石油新建模块钻机设计中，柴油发电机组均选择船用高速柴油发动机驱动的1200 kW 和1600 kW 发电机组，其中钻井主发电站选用3～4 台1200 kW 机组，钻机备用发电机组选用1 台1600 kW 机组。由于钻井作业过程中，钻机的功率负荷波动幅度大、波动频繁，海洋石油模块钻机对主发电站的发电机组在突加突卸性能方面有特殊要求，同时考虑到井下作业安全需求，对柴油发动钻机组可靠性、稳定性等方面也要求非常高。

经过调研和了解发动机生产厂家资料（表1），基于国产船用高速大功率柴油发动机驱动的柴油发电机组与国外某些品牌相同功率段的发电机组目前在喷油技术、突加突卸性能以及稳定性、可靠性方面还有些差距，所以以往模块钻机项目中主发电站几乎全是以进口品牌机组为主，国产船用高速大功率柴油发电机组在海洋模块钻机主发电站中目前还没有应用先例。

表1 1200 kW 柴油发电机组技术性能对比

由于模块钻机备用电站对柴油发电机组突加突卸、稳定性和可靠性方面要求相对主发电站要求较低，为了逐步试用和推广国产同类型船用机组，海洋石油南海东部油田某模块钻机项目开始逐步试用并推广国产1600 kW 发电机组作为模块钻机备用电站。但相关应用实践还远远不足，国产船用高速大功率发电机组需要更多应用实践来进一步验证其可靠性和稳定性。

1.2 存在的问题

近年来，随着国际贸易形势压力增大，进口品牌发动机交货期大幅度延长，国内很多新建模块钻机项目在选用进口品牌柴油发电机组时交货期无法满足项目进度需求，同时还存在不同程度的技术封锁。由于钻井作业对主发电站对柴油发电机组突加突卸、稳定性和可靠性方面要求非常高，选用国产大功率船用柴油发电机组作为模块钻机主发电站时，在电站设计、柴油发动机的设计选型、产品制造和检验、设备安装和调试等方面存在诸多困难和挑战。

2 基于船用柴油发动机的海洋模块钻机主发电站设计

2.1 TVD620V12 船用柴油发动机介绍

经过调研与了解，根据模块钻机主发电机组的使用工况、使用环境和技术要求等相关问题与发动机厂家进行计算、校核和验证，选用TBD620V16 型柴油发动机作为主发电机组的动力机组。TBD620V12 型柴油发动机是河南某公司推出的船用高速大功率柴油发动机，与某模块钻机1600 kW 备用采用发电机组所用的V16 型发动机属于同一系列。TBD620V12 型柴油发动机采用直列12 缸，缸径170 mm，冲程195 mm，气缸总排量53.11 dm3，压缩比13.5∶1，喷油方式为机械喷油，转速1500 r/min，功率1320 kW，功率级别G 级，持续工作无时间限制，超负荷10%工作限制12 h 内1 h，要求工作环境温度不高于45 ℃、空气相对湿度60%以下。

2.2 主发电站系统设计

依托海洋石油南海东部新建模块钻机项目，根据模块钻机电气总负荷要求，电站容量4800 kW，采用4 台型号、规格完全一致的1200 kW 发电机组实现“三用一备”的运行模式为钻机连续运转提供690 V/50 Hz 的持续供电。模块钻机主发电站设计主要包括机舱和通风系统、4 台1200 kW 柴油发电机组、燃油供给系统、海水冷却系统、气启动系统、发电机组远程控制系统、690 V 开关电控柜、火灾报警及灭火系统、轮机值班室等。

2.2.1 柴油发电机组的成撬

1200 kW 柴油发电机机组撬[1]主要由发动机、发电机、联轴器、本地控制盘、公共底座、减振器和相关油、气、水接口组成。根据某模块钻机项目备用发电机组应用实践的经验，选用LSA 52.3 S6/4p 型发电机与TBD620V12 发动机组合成撬作为柴油发电机组。发电机组额定功率1200 kW，工作转速1500 r/min，电压690 V，频率50 Hz。

机组成撬如图1 所示，机组重量9.9 t，长4.46 m，宽1.9 m。与进口3512B 机组相比，其减振器安装方式完全不一样，考虑到安全需求，为每台机组单独设计了一个二底座，用于减振器精确安装，满足机组减振效果要求的同时也有利于建造安装时机组吊装和精就位工作能够快速完成。

图1 发电机组

2.2.2 电站系统设计概述

该模块钻机主发电站机舱位于钻机DSM 模块下层，机舱内柴油发电机组及大型风机风闸的布置如图2 所示。机舱正上方的DSM 中层是模块钻机电控房，4 台发电机组的4 面远程控制柜和690 V 开关柜布置在电控房内。在机舱[2]的南侧布置1 个8 m3的柴油罐及液位检测和报警装置、燃油速闭系统、燃油净化机等，机舱的北侧设计1 个轮机值班房，值班房安装有4 块监控屏幕分别用于监控4 台发电机组的实时运行参数。机舱内布置2 个火焰探头和4 个烟感探头接入钻机火灾报警控制盘，通过钻机火灾报警控制盘自动控制机舱风机风闸的关停及七氟丙烷灭火系统的启动。

图2 机舱主要设备布置

TBD620V12 柴油发动机组在成撬时将热交换器集成到发动机本体上，大大减少机舱内淡水管线数量，机舱整体更简洁，为后续的使用和维护提供更多的空间。

2.3 重点解决的问题

2.3.1 调压器、调速器选型优化

调压器控制励磁机，靠输出励磁电流建立发电机磁场改变无功功率，其输出励磁电流越大、反应能力越强，机组应对突变负荷的能力就越高。调速器控制发动机油门，采用最新的数字式智能调速器，能有效提高发动机应对负荷突变的能力。在发电机组类型和机组容量确定的基础上，通过研究发电机组的调速特性曲线，选择数字式智能调速器和BASLER DECS-150 型调压器，可以提升发电机组应对负载突变能力。其次，通过计算机软件和程序控制可以合理优化多台发电机组负载的分配，避免单台机负载波动过大，提升机组整体应对负荷突变的能力。

2.3.2 机舱通风系统计算校核和设备选型优化

该主发电站机舱为非空调房，体积640 m3，采用强制通风，钻机设计对机舱进风和排风换气系数要求为35 次/h。根据换气系数计算得出机舱所需空气流量为22 400 m3/h，根据非空调房传热计算得出机舱所需空气流量为133 366 m3/h。由于发电机组均采用海水冷却系统，所以发电机房的总风量计算只需要计算燃烧所需空气流量加上通风换气所需要的风量即可。燃烧所需空气流量V=（其中L 为燃料消耗量，β 为理论燃烧空气量，α为过量空气系数取1.9，ρ 为空气密度），经过计算燃烧所需空气流量为28 034 m3/h，通风换气所需风量取换气所需空气流量与传热计算所需空气流量的较大值，计算出机舱的总风量为161 400 m3/h。

根据机舱总风量需求，选取单台风量86 000 m3/h、静压0.000 56 MPa 的送风机2 台，选取单台风量57 000 m3/h、静压0.000 52 MPa 的排风机3 台，风机布置如图2 所示。

2.3.3 提升发电机组可靠性的其他方法

考虑到南海季风情况，为了减少排烟阻力对机组输出功率的影响及烟气扩散对钻机模块的影响，在排烟管布局上采用可选择的双向排烟。每台机组排烟管分南、北两个方向设计，通过远程手拉闸控制盒控制气动高温闸阀选择性控制排烟走向。

TBD620V12 要求运行环境空气相对湿度60%以下，但是该油田所在区域最大空气相对湿度为100%。为了满足机组运行要求，选用适用海洋环境的专用发动机空气滤芯，为发电机和本地控制盘柜分别加装2 个0.5 kW 的空间加热器和柜内除湿加热器，有效提高发电机组适应海洋高湿度环境。

3 某模块钻机主发电站应用实践

3.1 建造和安装

发动机厂家要求控制机组运行的倾斜摇摆必须控制在以下范围内：横倾15°、纵倾5°、横摇22.5°、纵摇7.5°。为了满足倾斜摇摆要求和实现该模块钻机建造项目发电机组的快速精就位和安装，在机组制造和成撬时为每台发电机组专门设计二底座，发电机组通过减振器与二底座连接，二底座与机舱底部甲板结构梁中间采用焊接垫板的连接固定方式，满足建造现场快速安装和精就位要求。同时机舱底部甲板结构梁的布置也采取了针对性的优化设计，避免机组运行过程中产生共振。

3.2 柴油发电机组调试

发电机组负载测试[3]用的干电阻是通过计算机软件控制的两套3000 kW 干电阻组合，这套干电阻组合出于专门设计[4]，可以通过人机交互软件非常方便地快速实现不同功率负载的加载和卸载，满足4 台1200 kW 发电机组并机负载试验。从计算机软件记录的曲线图和数据中摘录单机和并机负载突加突卸试验数据见表2，机组在单机0%～50%负载突加、50%～100%负载突加、100%～0%负载突卸的表现和并机负载突加突卸的表现都优于预期效果。对比分析试验数据，机组在并机运行时应对负载突加突卸的表现优于单机运行时的表现，表明采用先进的并机和负载分配技术取得较好的成效。

表2 发电机组负载突加突卸实测数据

4 后续使用建议及展望

对机组后续使用的重要建议：使用方根据平台模块钻机的钻井作业计划对机组开展预防性维护保养并做好维修计划，保障发电机组在钻井作业过程中的稳定性和可靠性。3 台泥浆泵同时工作时功率负荷占模块钻机的总功率负荷比例接近一半，司钻在关停泥浆泵时应先降低一部分泵速，隔3～5 s 后再关停，避免从全速直接关停。

电控喷油技术[5]目前在1000 kW 以下船用柴油发动机有较多应用，但是在国内船用高速大功率柴油发动机方面的应用目前刚起步，展望未来，需要国内船用高速大功率柴油发动机厂家加快电子喷油技术的研究[6]和应用实践，在逐步开始推广使用后定期到海洋平台模块钻机上回访机组使用情况，了解和记录机组使用过程中出现的问题并加以改进和提升，促进国产船用高速大功率柴油发动机可靠性和稳定性不断提升，提高产品成熟度。

5 结束语

依托南海东部某新建模块钻机项目，TBD620V12 船用柴油发动机首次在海洋石油模块钻机主发电站中成功实施应用，本次应用充分考虑TBD620 同系列其他机型柴油发动机在模块钻机备用电站两次应用案例过程中出现的问题及实践经验。针对模块钻机对主发电站的特殊需求，在该主发电站设计和选型、建造、安装和调试过程中，重点围绕提升TBD620V12 柴油发动机组应对负荷突加突卸的能力、提高可靠性和稳定性等方面充分提升技术条件和改善工作环境条件。通过调试检验机组的性能满足钻机设计要求，为后续模块钻机主发电站国产化应用的设计和建造提供有利参考。