孔凡旭，徐建东，张永革，徐 洋

应用研究

FPSO Essential工况电气设计探讨

孔凡旭，徐建东，张永革，徐 洋

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

浮式生产储油装置(FPSO）作为海洋油气田开发工程特别是深水油气田开发的一种重要设施，合理确定其“Essential”负荷及其电源配置，对于保障海上油气田安全生产及经济合理开发具有重要意义。本文针对FPSO中Essential工况电气设计展开讨论，从IACS（国际船级社协会）及各大船级社规定出发，同时结合具体工程项目实施方案，明确了Essential负荷选取方法和典型负荷、电源配置方法及供配电系统主接线方案，指出应从经济、操作需求两个方面并结合船级社要求，综合考虑Essential工况电气设计。

FPSO Essential工况 Essential发电机 负荷选取 电气主接线

0 引言

本文“Essential”负荷是指主机不能供电时，为了保证海上设施人员基本生活需求及保障控制、监测及与安全相关的设备、基本通风设备、压排载控制系统等供电连续性而需要持续运行的电负荷，其中包括部分应急负荷。

目前，Essential工况电气设计主要依据是各大船级社规范。但海上石油设施的负荷与船舶负荷差异较大，同时海上石油设施类型多样，不同的海上石油设施的负荷也存在较大差异，FPSO作为深水油气田开发中一种重要浮式设施，研究其Essential工况电气设计方法，合理确定Essential负荷、电源及供配电设计，具有重要意义。

1 船级社及相关标准对ESSENTIAL工况设计的规定

IACS（国际船级社协会）2002年发出关于Essential Services要求的公告，并于2003年1月开始实施。随后各大船级社也分别给出具体Essential负荷的范围和电源配置的要求。

1）IACS规定

IACS将Essential负荷分为三类：即“主要Essential负荷”、“次要Essential负荷”及“生活服务负荷”，并分类给出了负荷示例[1]。

同时，IACS规定，对于Essential负荷，在正常工况下，至少应有两台主发电机为所有Essential负荷供电，当其中一台停机时，剩余发电机应能为主要Essential负荷、次要Essential负荷和应急负荷提供电源。如果Essential负荷通过变压器供电，为Essential负荷供电的电力变压器的数量、容量和布置应确保在任何一台变压器不运行的情况下，剩余变压器足以确保提供正常推进运行条件所需设备的安全运行，还应确保安全及最低限度的生活服务负荷，其中至少包括足够的烹饪、供暖、制冷、机械通风、卫生和淡水等[1]。

2）各大船级社规定

BV船级社、ABS船级社及DNV船级社对于Essential负荷的定义、分类方法与IACS规范均类似，负荷清单也基本相同。

BV船级社所给出Essential负荷清单较IACS规定补充了针对海洋工程浮式设施的一些特有负荷，如系泊系统、储油及卸载装置、惰气系统等[2]；DNV GL规范将负荷分为“Essential负荷”、“重要负荷”、“应急负荷”及“非重要负荷”，其中“Essential负荷”和“重要负荷”分别对应IACS规定的“主要Essential负荷”和“次要Essential负荷”，生活服务负荷属于非重要负荷。

对于通过发电机或变压器为Essential负荷供电的要求，各大船级社与IACS规定相同。

3）壳牌DEP标准规定

根据壳牌DEP标准，Essential负荷供电是一种经济问题。因此，应根据服务中断的后果评估部分或完全配置冗余能源、供电线路或设备，或引入自动重启或转换设施等的经济性。例如，考虑到泵的维护要求，采用双泵组输送产品；通过带有转换设施的冗余供电系统向分析仪供电；安全照明和厂区照明电源等。DEP标准并没有给出详细的Essential负荷的清单。

2 ESSENTIAL负荷选取原则及方法

根据IACS及各船级社规范规定可以看出，Essential工况实质为正常工况的一种，是主电源发生故障但非应急状态的一种临时工况，此工况下应保证海上设施涉及设施安全运行或停机的关键设备及人员基本生活保障负荷的运行，以保证海上设施的安全。

IACS及各船级社规范给出的负荷列表中较多为航行船舶推进及转向相关负荷，并不完全适用于FPSO。对于FPSO，通常不具有自航功能，油气生产、处理及存储是FPSO的主要功能，其通常由设置在上部模块的主发电机提供全船正常用电，主电站设计时通常已经考虑至少设置一台备用发电机，以及单台发电机故障时的卸载措施，单台发电机故障不作为Essential工况。FPSO Essential工况主要考虑以下两种情况：

1）重大故障导致全部主发电机无法在正常模式下运行，如油气田部分或全部停产导致燃气透平发电机无燃料气源。此种工况下应保证油气田的正常关停操作、设备的维保电源以及人员基本生活负荷，主要包括：（1）关断阀、安全阀等重要阀门相关操作、控制电源；（2）柴油系统相关负荷；（3）公用系统所需海水提升泵；（4）货油、系泊等液压系统的低压辅助泵；（5）压排载泵；（6）惰气系统；（7）机舱通风；（8）生活楼负荷；（9）公用系统用空压机；（10）航行信号灯系统；（11）控制系统负荷；（12）通讯系统负荷；（13）消防系统维保负荷；（14）应急照明；（15）主发电机维保负荷；（16）保证管线安全的电伴热；（17）淡水、热水系统负荷；（18）其他保证FPSO安全的负荷。

2）FPSO建造、安装及调试阶段负荷需求，可考虑如下工况下的负荷需求：（1）船体建造完成后船体及生活楼调试阶段用电需求；（2）船体建造完成后至集成场地拖航过程中的用电需求；（3）FPSO集成后拖航至油田过程中的用电需求；（4）拖航至油田连接过程中或油田正式投产前的负荷需求；

Essential负荷选取是Essential工况电气设计的关键，IACS及各船级社仅给出了Essential负荷的选取原则，但不同FPSO的设计参数、设计要求、海况特点、设备和系统配置方案均不同，所服役油田和地区的条件也多种多样，实际工程中Essential负荷需要结合所入级船级社标准并做针对性的具体分析，与业主及相关专业进行讨论并最终确定。

3 ESSENTIAL电源配置方法

根据各船级社及相关标准规定，并没有相关条款规定必须设置专用Essential发电机，原则上Essential发电机可以是主发电机的一部分，且可保证在Essential工况下可以正常运行，并且可承担所有的Essential负荷；另外，Essential发电机也可以是FPSO的应急发电机，相关要求同上。

根据船级社规定，给Essential负荷供电的发电机应进行入级检验，如ABS MODU规范6.1.719规定，大于100 kW为Essential services提供电源的发电机需要入级认证。MODU规范4.1.17.1，对于浮式设施，所有用于Essential services的机械，组件和系统，需满足静态同时发生横向15o、纵向5o倾斜，以及动态同时发生22.5°旋转、7.5°摇摆情况下正常运行的要求[4, 5]。BV和DNV也有类似规定。

表1 典型FPSO Essential电源配置情况

表1为部分浮式设施Essential电源配置情况，由此可以看出，不同项目Essential电源配置情况多种多样，且均通过了船级社的入级审查和检验。

由以上可以看出，Essential电源可选择专用发电机、与主发电机共用、与应急发电机共用、采用临时发电机等形式，实际工程中应根据所入籍船级社的要求及项目情况，选择经济合理的Essential电源配置方案。

4 ESSENTIAL负荷供配电设计

根据ISCA及各船级社规范要求，Essential负荷供配电设计相关要求如下：

1）在正常工况下，主发电机应能为所有Essential负荷提供电源，并至少应有一台备用主发电机，当其中一台停机时，剩余发电机应能为Essential负荷和应急负荷提供电源。

2）当正常工况下由一台发电机供电且主发电机停机时，备用发电机应自动启动并投入主配电盘，备用发电机容量应至少满足Essential负荷自动启动的需求，必要时可顺序启动；备用发电机启动并投入主配电盘的总时间最好在30 s内，但在任何情况下都不得超过断电后45 s。使用起动时间较长的原动机的，经船级社批准，可以超过以上规定时间。

3）如果Essential负荷通过变压器供电，为Essential负荷供电的电力变压器的数量、容量和布置应确保在任何一台变压器不运行的情况下，剩余变压器足以确保提供正常条件所需设备的安全运行，并应确保安全及最低限度的生活服务负荷，其中至少包括足够的烹饪、供暖、制冷、机械通风、卫生和淡水等。

4）主要Essential负荷不应作为EMS优先脱扣负荷，次要Essential负荷可包含在优先脱扣负荷范围内，但不应中断与安全相关的系统，如照明系统、导航、助航及信号系统、以及内部安全通讯系统等。

5）配电系统应确保任何单一电路的故障不会危害或损害主要Essential负荷，也不会使次要Essential负荷长时间不能工作。

6）每个Essential负荷或重要负荷的用电设备应通过单独的回路连接到配电盘或电机控制中心。

7）双重配置的Essential设备和重要设备的控制装置应相互独立，并应分为两个电机控制中心或配电盘，从主配电盘和/或应急配电盘的不同分段分别供电。

8）双重配置的Essential设备和重要设备的控制电路应相互隔离，不得位于同一外壳内。

9）双重配置的Essential设备和重要设备的控制装置应通过阻燃隔板分开，并与其他载流部件隔开，以在相邻间隔内发生电弧故障时保护间隔；当母线位于单独间隔内且通过带短路保护的断路器与控制装置隔离时，也可采用无阻燃隔板的布置。其布置应确保在隔离时，可在各单元内进行无危险的维护工作。

10）Essential负荷设备应直接由主配电板或应急配电板供电，但如果能获得完全选择性保护则可例外。

5 典型项目Essential工况电气设计

英国北海某FPSO为圆筒形FPSO，水深约165 m。其将Essential负荷定义为维持正常人员居住和最低运行服务要求以及生活区运行（包括延长维护期）所需的电力，该FPSO Essential负荷共2800 kW，包括生活楼HVAC、厨房设施、淡水系统、照明、惰气系统等。

该FPSO未设置专用的Essential发电机，Essential工况下由一台额定功率为7.9 MW的双燃料透平主发电机在柴油模式下运行为Essential负荷供电。当双燃料透平主发电机不可用时，由临时发电机为Essential负荷供电，或由消防泵发电机和应急发电机分别为Essential负荷的生活负荷和应急负荷供电，同时另一台柴油消防泵在海水提升泵模式下运行为FPSO提供冷却水。

该FPSO设置了单独的Essential配电盘，与生产负荷分开，设置三个母线段，正常工况下由三台变压器供电，Essential工况下也可由应急发电机或消防泵发电机供电，同时预留了临时发电机接口，如图2所示。

6 结论

本文针对FPSO（浮式生产储油装置）中Essential负荷的确定原则、电源配置及供配电设计展开讨论，从IACS及各大船级社规定出发，分析了各类规范对Essential工况下电气设计的规定，以及各船级社规范的差异与联系，同时结合具体工程项目实施方案，从Essential负荷选取、Essential电源配置及Essential负荷供配电设计三个方面，对Essential工况电气设计原则和方法给出了指导原则和建议，并应从经济、操作需求两个方面并结合船级社规定综合考虑Essential工况电气设计。

图2 北海某FPSO一次系统图

[1] International Association of Classification Societies (IACS). UI SC134 - 2002 essential services and arrangements of sources of power, supply, control and monitoring to the different Catergories of essential services[S]. London: IACS, 2002.

[2] Bureau Veritas. NR 445-2013 rules for the classification of offshore units, Part C–Facilities[S], Neuilly: Bureau Veritas, 2013.

[3] DNVGL. DNVGL-OS-D201-2017 Electrical installations[S]. Oslo: DNVGL, 2018.

[4] American Bureau of Shipping. MODU-2019 Rules for building and classing mobile offshore drilling units, part 4 machinery and systems[S]. Spring:American Bureau of Shipping, 2019.

[5] American Bureau of Shipping. Rules for building and classing floating production installations[S]. Spring:American Bureau of Shipping, 2020.

[6] 中国船级社. 海上浮式装置入级规范[S]. 北京: 中国船级社, 2020.

[7] 中国船舶总公司编, 船舶设计实用手册(电气分册) [M]. 北京: 国防工业出版社, 1989.

[8] 周守为, 曾恒一, 范模. 我国浮式生产储油装置的研制与开发[J].中国海上油气, 2006, 18(2): 73-78.

[9] 《海洋石油工程设计指南》编委会, 海洋石油工程设计指南(第九册: FPSO与单点系泊系统设计) [M]. 北京: 石油工业出版社, 2007.

Discussion on Electrical Design of FPSO Essential Service

Kong Fanxu, Xu Jiandong, Zhang Yongge, Xu Yang

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China)

TE952

A

1003-4862（2021）04-0015-04

2020-10-16

孔凡旭（1984-），男，高级工程师。研究方向：海洋工程中电力系统的设计与研究。E-mail: kfanxu@126.com