鉆井平臺柴油發(fā)電機組輔助系統(tǒng)設(shè)計

曹士峰

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 300452)

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鉆井平臺柴油發(fā)電機組輔助系統(tǒng)設(shè)計

曹士峰

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 300452)

主發(fā)電機組是海洋鉆井平臺最核心的設(shè)備，其輔助系統(tǒng)設(shè)計主要包含燃油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)以及通風(fēng)系統(tǒng)。該文主要介紹各輔助系統(tǒng)的基本設(shè)計要求和設(shè)計思路，并提出合理化建議，確保主發(fā)電機組投入使用后在使用性能方面達到最佳，并且有利于日常設(shè)備的維護管理。

鉆井平臺；發(fā)電機組；系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

發(fā)電機組是海洋石油鉆井平臺最核心的設(shè)備，被喻為鉆井平臺的心臟。發(fā)電機組肩負著為平臺所有動力設(shè)備提供電源的重擔(dān)，其工作性能的好壞直接影響到鉆井平臺的正常作業(yè)。

發(fā)電機組正常工作離不開輔助系統(tǒng)的支持。其主要輔助系統(tǒng)包括：燃油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)以及通風(fēng)系統(tǒng)。各系統(tǒng)設(shè)計是否滿足技術(shù)手冊和相關(guān)規(guī)范要求決定了設(shè)備能否正常使用，各系統(tǒng)設(shè)計是否合理確定了設(shè)備在使用中是否便于維護。

1 發(fā)電機組燃油系統(tǒng)設(shè)計

1.1 日用油柜設(shè)計

根據(jù)發(fā)電機組耗油量大小，合理設(shè)計油柜容積。發(fā)電機組日耗油計算如下：

式中：Q為發(fā)電機組日消耗總量，kg；n為發(fā)電柴油機工作臺數(shù)；be為發(fā)電柴油機燃油消耗率，g/(kW·h)；Ne為發(fā)電柴油機持續(xù)功率，kW；T為發(fā)電柴油機每天工作時間；一般柴油密度取850kg/m3。

參照上述數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)自己需要選擇油柜大小，考慮到鉆井平臺作業(yè)量大，勞動強度大，此狀況下頻繁撥油存在很大風(fēng)險，為降低風(fēng)險用戶可考慮選擇容積較大油柜。

油柜在設(shè)計時，建議選擇左右舷雙油柜布局。雙油柜設(shè)計可避免其中一油柜出現(xiàn)問題或需要清艙作業(yè)時發(fā)電機組無法正常使用。油柜需設(shè)計油柜進油口、外輸供油口、油柜回油口、油柜溢流口、燃油日用油口和油柜放殘口。油柜進油管從油柜底部進入油柜，油柜回油管應(yīng)從頂部沿墻壁伸至底部，避免由于落差使燃油產(chǎn)生摩擦火花，引起爆炸。

1.2 燃油供應(yīng)系統(tǒng)和回油系統(tǒng)輔助件設(shè)計

為保證主發(fā)電機組燃油不間斷供應(yīng)，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計為雙聯(lián)濾器，在濾芯進行檢查保養(yǎng)時，可保證燃油持續(xù)供應(yīng)。

根據(jù)規(guī)范要求，發(fā)電機組燃油供應(yīng)系統(tǒng)需要設(shè)計有應(yīng)急切斷燃油速閉閥。目前，國產(chǎn)燃油速閉閥質(zhì)量還需進一步提高，特別是閥門密封圈在燃油速閉閥功能測試時較易損壞，容易造成溢油風(fēng)險。建議在燃油速閉閥與油柜或油艙之間設(shè)計截止閥，便于燃油速閉閥的應(yīng)急修理。

燃油中的水會對燃油系統(tǒng)內(nèi)零部件造成傷害，因此系統(tǒng)需要設(shè)計油水分離器除去水分。

2 發(fā)電機組潤滑系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)電機組潤滑油供應(yīng)系統(tǒng)通常包含：潤滑油柜、油泵、雙聯(lián)濾器、管系、閥門附近及污油柜。

關(guān)于潤滑油供應(yīng)系統(tǒng)主要有兩點建議：(1)用戶要充分考慮潤滑油柜及污油柜容積，油柜容積大小需根據(jù)設(shè)備使用頻率、潤滑油更換周期、污油回收頻次等因素選取。(2)為保證潤滑油品質(zhì)，防止進入設(shè)備時潤滑油受到污染，建議采用多級過濾，在設(shè)備注油口前端加裝精濾油設(shè)施。

關(guān)于潤滑油柜注油系統(tǒng)，建議充分利用一泵多用原則。潤滑油泵既可以給發(fā)電機組供油，又可以給油柜注油。另外，油泵建議設(shè)計旁通管路，避免給發(fā)電機組供油時，發(fā)生齒輪油泵憋壓現(xiàn)象。

3 發(fā)電機組冷卻系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)電機組有一套獨立的冷卻系統(tǒng)，一般只需用戶把平臺自身冷卻水與設(shè)備連接即可。冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機重要組成部分，冷卻系統(tǒng)是否正常工作直接影響到發(fā)動機的正常工作和使用壽命，因此，用戶如何設(shè)計發(fā)電機組輔助冷卻系統(tǒng)至關(guān)重要。

4 發(fā)電機組排氣系統(tǒng)設(shè)計

4.1 排氣背壓計算

為避免背壓過高引起的排煙溫度過高、功率損失以及燃燒不完全產(chǎn)生煙垢等問題，設(shè)計時推薦一種排氣背壓計算的估算方法，通常取計算值的一半較為合理。

式中：P為排氣背壓，kPa；L為管路的總長度，m；S為氣體密度，kg/m3；Q為排氣流量，m3/min；D為管路內(nèi)徑，mm；Ps為其它部件的壓力降。

氣體密度計算公式：

S=352.5/(排氣管溫度+273)

消聲器壓力降(Ps)、排氣流量(Q)、彎頭當(dāng)量(L)等參數(shù)取值可在設(shè)備技術(shù)手冊中查詢。

艙室外排煙口設(shè)計應(yīng)為上排、下排兩種形式。在鉆井平臺正常作業(yè)期間采用下排煙形式，避免煙塵污染平臺；在鉆井平臺拖航期間使用上排煙形式，確保發(fā)電機組正常使用。排煙系統(tǒng)排放口不建議設(shè)計在船艏區(qū)域，其弊端主要有兩點：(1)拖航期間較大的涌浪容易卷入上排煙口，阻礙發(fā)電機組正常排煙，有致使發(fā)動機熄火的風(fēng)險。(2)海洋鉆井平臺拖航頻次高，排煙管長期受涌浪的拍打，致使排煙管隔熱保溫受傷，加快排煙管腐蝕。

5 發(fā)電機組啟動系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)電機組輔助啟動方式主要有電馬達啟動和氣馬達啟動。電馬達啟動設(shè)計相對比較簡單，在此主要介紹氣馬達啟動系統(tǒng)設(shè)計。

合理設(shè)計啟動氣瓶容積及壓縮空氣管系，確保有足夠的氣量進入馬達，推動馬達啟動發(fā)電機組。推薦空氣壓力范圍在620kPa～1 034kPa，啟動系統(tǒng)設(shè)計要滿足相關(guān)船級社要求。

5.1 啟動氣瓶容積選取計算方法

式中：Vs為啟動馬達空氣消耗量，m3/s，數(shù)據(jù)可以在設(shè)備技術(shù)手冊中查詢；Vt為啟動氣瓶容積，m3；Pt為啟動氣瓶壓力，kPa；T為啟動時間，s；Pm為根據(jù)設(shè)備技術(shù)手冊選取連續(xù)起動或一次起動數(shù)值。

5.2 壓縮空氣系統(tǒng)管線內(nèi)徑取值計算

式中：d為空氣管線內(nèi)徑，mm；Vs為啟動馬達空氣消耗量，m3/s，數(shù)據(jù)可以在設(shè)備技術(shù)手冊中查詢；u為管內(nèi)氣體平均流速，m/s。

表1為管內(nèi)平均流速推薦值。

表1 管內(nèi)平均流速推薦值

6 發(fā)電機組進排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

6.1 艙室機械通風(fēng)形式選擇

海洋石油鉆井平臺主要采用強制機械通風(fēng)來保證機械艙室的環(huán)境溫度。采用機械通風(fēng)形式主要有以下三種：下進上排式、側(cè)進側(cè)排式、上進上排式。

(1) 下進上排式

進風(fēng)管道布置在發(fā)電機組之間的地面上，空氣由下向上吹響發(fā)動機和發(fā)電機，排氣風(fēng)機和排氣管道應(yīng)安裝在艙室熱源集中的最高處。這種通風(fēng)系統(tǒng)具有最好的通風(fēng)效果，且所需的空氣量最少。另外，發(fā)動機周圍的上升氣流起到屏蔽的作用，使散發(fā)到艙室的熱量最少。

(2) 側(cè)進上排式

進風(fēng)機風(fēng)道出風(fēng)口應(yīng)盡可能低布置，新鮮涼風(fēng)盡可能多地掠過發(fā)電機組散熱部位，排氣風(fēng)機和排氣管道應(yīng)安裝在艙室熱源集中的最高處。這種通風(fēng)形式可帶走發(fā)電機組產(chǎn)生的一部分熱量，但仍有一定的熱量輻射到艙室內(nèi)，此形式需要空氣流通的路徑要正確，不能出現(xiàn)進排風(fēng)通道形成小循環(huán)現(xiàn)象，即新鮮涼風(fēng)在沒有到達發(fā)電機組時就被排風(fēng)機給抽出艙室。

(3) 上進上排式

進風(fēng)風(fēng)道直接布置在發(fā)電機組正上方，將新鮮涼風(fēng)吹響發(fā)電機組，排氣風(fēng)機和排氣管道應(yīng)安裝在艙室熱源集中的最高處。這種系統(tǒng)由于將吸入的新鮮涼風(fēng)和艙室內(nèi)高溫空氣混合，因此使整個艙室空氣溫度升高，另外，這種通風(fēng)形式會影響熱空氣到排風(fēng)口的自然流動，采用此通風(fēng)形式需要特別大容量的通風(fēng)機。

6.2 鉆井平臺機械艙室通風(fēng)計算

(1) 設(shè)備散熱量所需空氣量

柴油機散熱量：q1；

發(fā)電機散熱量：q2；

其他設(shè)備散熱量：q3；

艙室內(nèi)設(shè)備總散熱量：q=q1+q2+q3；

帶走艙室熱量所需的通風(fēng)量：

式中：ρa為空氣密度，取1.2kg/m3；Ca為空氣質(zhì)量熱容，取1.005kJ/(kg·k)；ΔT為送風(fēng)溫度與艙室溫度之差，取13.5k。

(2) 發(fā)動機燃燒所需空氣量

發(fā)動機燃燒空氣量

式中：n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；i為發(fā)動機氣缸數(shù)；t為發(fā)動機沖程系數(shù)，四沖程柴油機的t值取0.5；k1為計及柴油機結(jié)構(gòu)特點的空氣流量系數(shù)。四沖程非增壓發(fā)動機k1=ηi；四沖程增壓發(fā)動機k1=φηi。其中：ηi為氣缸吸氣效率，四沖程非增壓發(fā)動機，ηi=0.75～0.90(一般取0.85)，四沖程增壓發(fā)動機，ηi≈1.0；φ為發(fā)動機的掃氣系數(shù)，四沖程發(fā)動機φ=1.1～1.2；vn為發(fā)動機每個氣缸的工作容積，m3。

粗算發(fā)動機的燃燒空氣量時，可根據(jù)發(fā)動機的額定功率，按6.7m3/(kW·h)，即[5m3/(hp·h)]計算。

根據(jù)艙室通風(fēng)所需的總風(fēng)量，選擇合適的進排風(fēng)機。

7 結(jié)語

發(fā)電機組輔助系統(tǒng)是發(fā)電機組重要組成部分，完善、合理的輔助系統(tǒng)設(shè)計既能夠方便用戶的維護，又能夠保障設(shè)備安全、可靠的運行，延長設(shè)備的使用壽命。發(fā)電機組6大輔助系統(tǒng)合理設(shè)計,能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機組的動力性、經(jīng)濟性、可靠性和耐久性。

[1] 高光宇，薛亮..箱式柴油發(fā)電機組輔助系統(tǒng)的設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012，11(10)：86-87.

[2] 馮倩.淺談柴油發(fā)電機房的通風(fēng)與冷卻[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2010，20(24)：185-187.

[3] 武震華，張慧芳.海上平臺原油發(fā)動機輔助系統(tǒng)設(shè)計[J].第十五屆中國海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會論文集(下)，2011.

Design of Auxiliary System of Drilling Platform Diesel Generator Set

CAO Shi-feng

(Energy Development Co., Ltd， CNOOC, Tianjin 300452, China)

The main generator is the core of offshore drilling equipment, the auxiliary system design mainly includes the fuel system, lubrication system, cooling system, exhaust system, starting system, ventilation system. This paper mainly introduces the basic design requirements of the auxiliary system and design ideas, and put forward reasonable suggestions, to ensure that the main generator on the performance of the best, and is advantageous to the daily equipment maintenance.

drilling platform； generator set； system design

2014-07-25

曹士峰(1982-)，男，工程師。

1001-4500(2015)03-0023-04

TM

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