海上平臺主機(jī)調(diào)試海水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

李明濤

（海洋石油工程股份有限公司）

海上平臺主機(jī)調(diào)試海水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

李明濤*

（海洋石油工程股份有限公司）

南海某海上平臺項(xiàng)目平臺主發(fā)電機(jī)組及鉆井系統(tǒng)空調(diào)機(jī)組為海水冷卻機(jī)組。為實(shí)現(xiàn)平臺設(shè)備陸地調(diào)試最大化，需要臨時(shí)援引碼頭海水接入平臺正式工藝管線，作為發(fā)電機(jī)組負(fù)載試驗(yàn)的冷卻媒介以及提供臨時(shí)海水至鉆井系統(tǒng)空調(diào)單元。結(jié)合系統(tǒng)特殊要求及試驗(yàn)場地條件，設(shè)計(jì)了一套滿足工藝要求的臨時(shí)海水冷卻系統(tǒng)，其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求，保證了項(xiàng)目主發(fā)電機(jī)組負(fù)載試驗(yàn)的順利完成。

發(fā)電機(jī)組 負(fù)載試驗(yàn) 海水冷卻 潛水泵 管道 壓力 流量

0 前言

南海陸豐7-2項(xiàng)目海上平臺主發(fā)電機(jī)機(jī)組為2臺4 320 kW原油發(fā)電機(jī)組和2臺3 890 kW雙燃料發(fā)電機(jī)組。按照中國船級社2012年頒發(fā)的 《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》要求，對于新建或經(jīng)過大修的電站，必須進(jìn)行檢測、試驗(yàn)和調(diào)整[1]。在設(shè)備陸地調(diào)試期間，平臺正式海水冷卻系統(tǒng)尚未具備啟動條件，因此為保證原油發(fā)電機(jī)組負(fù)載試驗(yàn)及鉆井系統(tǒng)空調(diào)機(jī)組聯(lián)合調(diào)試的順利實(shí)施，迫切需要設(shè)計(jì)一套適應(yīng)試驗(yàn)要求的臨時(shí)海水冷卻系統(tǒng)，以確保高質(zhì)量完成主電機(jī)組負(fù)載試驗(yàn)及鉆井系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，這對于項(xiàng)目正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有舉足輕重的意義。

本文結(jié)合系統(tǒng)特殊要求及試驗(yàn)場地條件，設(shè)計(jì)了一套滿足工藝要求的臨時(shí)海水冷卻系統(tǒng)，其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求，保證了項(xiàng)目主發(fā)電機(jī)組負(fù)載試驗(yàn)的順利完成。

1 設(shè)計(jì)條件

與以往常規(guī)項(xiàng)目相比，陸豐7-2項(xiàng)目組塊海水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大，主要問題為以下幾方面：

（1）由于試驗(yàn)場地碼頭區(qū)域限制，海水取水口位置距離該項(xiàng)目組塊較遠(yuǎn)（約130 m），且系統(tǒng)要求供應(yīng)大流量海水，工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大。

（2）潛水泵安裝位置經(jīng)常?？看?，為避免發(fā)生碰撞，要求泵固定結(jié)構(gòu)為可靈活拆卸式，且泵支撐結(jié)構(gòu)距離碼頭邊緣不大于500 mm，安裝空間小。

（3）潛水泵安裝區(qū)域?yàn)榇a頭，常?？看埃奥菪龢獢噭尤菀讕雍４灿倌嗉袄?，容易堵塞臨時(shí)海水泵，污染海水管線，甚至堵塞海水濾器。

主機(jī)冷卻原理為海水系統(tǒng)冷卻淡水系統(tǒng)，淡水系統(tǒng)是閉路循環(huán)系統(tǒng)，淡水系統(tǒng)冷卻主機(jī)滑油系統(tǒng)，因此主機(jī)的冷卻系統(tǒng)主要為海水冷卻系統(tǒng)。主機(jī)冷卻系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1） 最大流量： 600 m3/h；

（2）主機(jī)冷卻系統(tǒng)海水壓力：0.35 MPa；

（3）主機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻淡水溫度要求：進(jìn)口60℃，出口38℃；

（4）中央空調(diào)冷卻海水壓力：0.35 MPa；

（5）中央空調(diào)電氣間溫度冷卻要求：進(jìn)口27℃，出口22℃。

2 方案設(shè)計(jì)

臨時(shí)海水冷卻系統(tǒng)由兩臺潛水泵、海水泵粗濾罩、臨時(shí)海水濾器、化學(xué)藥劑注入系統(tǒng)及配套管線、閥門等組成。臨時(shí)海水系統(tǒng)充分考慮了管線水壓，設(shè)計(jì)了回流管線以便調(diào)節(jié)海水壓力；考慮到南方海水溫度較高，設(shè)計(jì)了防海生物裝置，防止海水管線內(nèi)海水生物聚集繁殖。

工藝流程：由臨時(shí)海水泵供水，海水經(jīng)臨時(shí)海水濾器過濾后至發(fā)電機(jī)組中冷器，經(jīng)中冷器換熱后返回碼頭排入海中；期間，防海生物裝置通過計(jì)量泵定量注入次氯酸鈉，滅殺海生物。臨時(shí)海水濾器一用一備，根據(jù)差壓表顯示可及時(shí)切換設(shè)備并更換清潔濾芯。詳細(xì)的工藝系統(tǒng)流程可見圖1。主機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2.1 海水流量計(jì)算

開式冷卻循環(huán)系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算如下。單臺中冷器熱負(fù)荷Ptotal1=5 600 kW，海水溫升ΔT=49.3-22=27.3℃。假設(shè)臨時(shí)海水泵流量Q：

式中ε——比熱容，J/（kg·K）。單臺機(jī)組運(yùn)行時(shí)臨時(shí)海水流量需求為：

圖1 工藝系統(tǒng)流程

表1 主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)計(jì)算得單臺主機(jī)所需最大海水用量為176 m3/h。4臺主機(jī)并機(jī)熱負(fù)荷總計(jì)為Ptotal2=5 600×2.2=12320 kW。要去除這些熱負(fù)荷Ptotal2，4臺主機(jī)運(yùn)行時(shí)臨時(shí)海水流量需求為：

鉆井系統(tǒng)中央空調(diào)去除房間熱負(fù)荷冷卻海水流量需求為：

海水冷卻系統(tǒng)總流量需求：

2.2 管徑選擇

根據(jù)系統(tǒng)流量需求及最佳海水流速，選取海水管線管徑為d=254 mm，則海水流速為：介質(zhì)為水時(shí)，管道流速常用值推薦為1.5~3.0 m/s，計(jì)算的海水流速v滿足最優(yōu)流速條件。

2.3 海水冷卻系統(tǒng)壓力損失計(jì)算

沿程阻力損失和局部阻力損失為：

高度損失：

系統(tǒng)總壓力損失包括高度損失、沿程阻力損失和局部阻力損失，總計(jì)約為217 kPa。

2.4 海水泵選擇及安裝方案

根據(jù)上述計(jì)算，冷卻水系統(tǒng)流量要求大于487 m3/h，冷卻水系統(tǒng)壓力要求大于350+217=567 kPa。故選用兩臺流量為350 m3/h、額定壓力大于567 kPa的潛水泵作為冷卻水泵。

按照常規(guī)安裝方法，需要制作鋼結(jié)構(gòu)支撐對泵進(jìn)行固定，一方面承受泵的重量，另一方面防止泵在啟動運(yùn)行中出現(xiàn)振動等狀況。但如果碼頭經(jīng)常?？看?，如果使用常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)支撐，一方面容易造成船體與支撐結(jié)構(gòu)碰撞，另一方面需要采用浮球等防碰裝置，大大增加成本。因此碼頭特殊的狀況對泵的安裝提出了更高的要求（泵結(jié)構(gòu)支撐尺寸不允許大于300 mm），必須改變原有結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)更為巧妙可靠的支撐結(jié)構(gòu)。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地勘察及強(qiáng)度計(jì)算，選用以下泵安裝方式：

（1）在與海水泵相連接的管線處焊接一支L形固定卡，將泵固定在碼頭水泥橫梁上，由橫梁承受泵啟動時(shí)的轉(zhuǎn)動力矩以及自身重量。

（2）地面距離碼頭邊緣20 cm處用法蘭連接管路，并在下部制作一法蘭底座（要求底座與地面連接牢固），將法蘭放置在底座上，上部用水泥進(jìn)行封裝固定，以承受泵及附屬管線的重量。

（3）每臺泵需要用一根鋼絲繩系固到碼頭的樁上或其他固定在地面的物體上，以應(yīng)對突發(fā)情況。

該結(jié)構(gòu)一方面承受了泵及附屬管線的重量，另一方面大大縮小了泵支撐結(jié)構(gòu)的尺寸，避免了船舶與泵支撐結(jié)構(gòu)的碰撞，且節(jié)省了浮球等防碰撞裝置的租賃費(fèi)用。

2.5 系統(tǒng)電氣方案

四臺主發(fā)電機(jī)組并車負(fù)載試驗(yàn)期間，需要兩臺臨時(shí)潛水泵供冷卻之用。單臺臨時(shí)潛水泵的功率約為180 kW，每臺臨時(shí)潛水泵使用兩根3×150 mm2銅芯鎧裝電纜供電，單根電纜總長度約為200 m。

為了使設(shè)備平滑啟動，兩臺臨時(shí)潛水泵分別接入海水提升泵4001B的接入點(diǎn)和4001D的接入點(diǎn)（均位于應(yīng)急低壓盤DPP-ELV-001的LE段）。

對于單芯150 mm2銅芯的導(dǎo)體，其電阻為：

單臺臨時(shí)潛水泵的功率約為180 kW，由P=1.732 UIcosφ 可得：

由于敷設(shè)兩根電纜，則每根電纜單相相電流為：

單相電纜導(dǎo)體電阻承受的電壓為：

則電壓降

由CCS《鋼制海船入級規(guī)范》[2]可知，正常工作條件下最大電壓降不得超過6%。由于上述計(jì)算電壓降ΔU＝1.64%<6%，故用 2根 3×150 mm2銅芯鎧裝電纜給每臺臨時(shí)潛水泵供電時(shí)，可以滿足正常用電要求。

2.6 系統(tǒng)整體三維建模設(shè)計(jì)

根據(jù)陸豐7-2項(xiàng)目平臺所在位置，利用三維建模軟件對海水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，并對系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行可行性分析，對系統(tǒng)與平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行干涉分析，由此統(tǒng)計(jì)出詳細(xì)的臨時(shí)海水系統(tǒng)相關(guān)管線及電氣材料。詳細(xì)的建模圖形如圖2所示。

圖2 臨時(shí)海水冷卻系統(tǒng)三維模型

3 系統(tǒng)HAZOP分析

系統(tǒng)的HAZOP（hazard and operability）分析，即危險(xiǎn)與可操作性分析。HAZOP分析法是按照科學(xué)的程序和方法，從系統(tǒng)的角度出發(fā)對工程項(xiàng)目或生產(chǎn)裝置中潛在的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)先的識別、分析和評價(jià)，識別出生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、操作和維修程序，并提出改進(jìn)意見和建議，以提高裝置工藝過程的安全性和可操作性，為制定基本防災(zāi)措施和應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行決策提供依據(jù)。

為保證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性以及操作的安全性，本項(xiàng)目以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)進(jìn)行定性分析和定量危險(xiǎn)性評價(jià)。通過分析海水冷卻運(yùn)行過程中工藝狀態(tài)參數(shù)的變動，操作控制中可能出現(xiàn)的偏差，以及這些變動與偏差對系統(tǒng)的影響及可能導(dǎo)致的后果，找出參數(shù)變動和操作控制出現(xiàn)偏差的原因，明確裝置或系統(tǒng)內(nèi)及生產(chǎn)過程中存在的主要危險(xiǎn)、危害因素，并針對變動與偏差的后果提出相應(yīng)的整改措施。

4 結(jié)論

該主機(jī)調(diào)試海水冷卻系統(tǒng)的成功應(yīng)用，圓滿完成了海上平臺主發(fā)電機(jī)機(jī)組負(fù)載試驗(yàn)及鉆井系統(tǒng)空調(diào)單元運(yùn)轉(zhuǎn)測試，實(shí)現(xiàn)了平臺陸地調(diào)試最大化。

（1）臨時(shí)海水冷卻系統(tǒng)的成功應(yīng)用，極大地縮短了平臺海上調(diào)試時(shí)間，且該設(shè)計(jì)比單純租賃閉式循環(huán)冷卻單元節(jié)省費(fèi)用200萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯；

（2）通過對泵和管道的設(shè)計(jì)選型以及對主機(jī)和鉆井系統(tǒng)中央空調(diào)海水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為今后其他海上平臺項(xiàng)目的陸地調(diào)試積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)；

（3）海水冷卻系統(tǒng)的管道設(shè)計(jì)，需要因地制宜，根據(jù)平臺碼頭位置，按照實(shí)際路徑最短和揚(yáng)程損失、沿程阻力損失最小的原則考慮管道路徑。

[1]張涌群.船舶電站調(diào)試的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與對策 [J].港口科技動態(tài)，2006（4）：30-32.

[2]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2012[S].北京：人民交通出版社，2012.

Design and Research of Seawater Cooling System for Offshore Platform Debugging

Li Mingtao

The platform main generator set and drilling system air conditioning unit of a marine project are sea water cooling unit.In order to maximize the land debugging of the platform,it is necessary to quote the formal process pipeline of wharf seawater access platform temporarily as the cooling medium for generator load test and provide temporary air conditioning to the air conditioning unit of the drilling system.In combination with the special requirements of the system and the site conditions,a set of temporary sea water cooling system is designed to meet the requirements of the process after detailed calculation and practical investigation.All the indexes can meet the technical requirements and ensure the successful completion of the load test of the main generator set.

Generator set;Load test;Seawater cooling;Submersible pump;Pipe;Pressure;Flow

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.007

*李明濤，男，1981年生，碩士，工程師。天津市，300451。

2017-07-21）