某半潛式鉆井平臺(tái)制淡量不足原因分析

唐傳安 楊述闖 王 旭 李 斌 姜 會(huì)

（大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司 大連116021）

引 言

某半潛式鉆井平臺(tái)，采用DP-3 動(dòng)力定位設(shè)計(jì)，配置最大輸出功率為6 600 kW 的柴油發(fā)電機(jī)組6臺(tái)，布置在3 個(gè)機(jī)艙內(nèi)，每個(gè)機(jī)艙2 臺(tái)。平臺(tái)配置廢熱式制淡裝置1 臺(tái)，利用柴油機(jī)的高溫冷卻水（缸套水）熱量進(jìn)行淡水制造，其制淡量要求為，在平臺(tái)DP-3 動(dòng)力定位工況下（每臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在40%負(fù)荷左右），制淡量為64 t/d。該平臺(tái)在中國(guó)南海區(qū)作業(yè)時(shí)，制淡量可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)， 而該平臺(tái)在冬季前往北方的工況下進(jìn)行實(shí)際制淡時(shí)，發(fā)現(xiàn)制淡量?jī)H為40 t/d，不滿(mǎn)足該平臺(tái)的作業(yè)用淡水量要求。

1 設(shè)計(jì)原理分析

本平臺(tái)的制淡系統(tǒng)管路原理圖如下頁(yè)圖1 所示。該系統(tǒng)利用柴油機(jī)廢熱進(jìn)行制淡。由于DP-3［1］規(guī)范的要求，為防止在造水機(jī)故障（如泄漏）時(shí)造成2 個(gè)機(jī)艙的柴油發(fā)電機(jī)組同時(shí)失效，僅將1 號(hào)機(jī)艙的2 臺(tái)柴油機(jī)高溫冷卻水接入制淡裝置。制淡裝置利用高溫冷卻水中的熱量，將低壓下的海水加熱沸騰后冷凝并形成淡水。

高溫冷卻水中的可利用熱量對(duì)制淡量有著重要影響［2］。如果制淡裝置吸取熱量過(guò)多，會(huì)使柴油機(jī)缸套水進(jìn)口溫度低，容易造成柴油機(jī)缸套發(fā)生低溫腐蝕；而如果高溫水中提供的熱量不足，則會(huì)造成制淡量不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。柴油機(jī)高溫冷卻水中的熱量主要來(lái)自于兩部分：一部分為由于缸套與周邊部件摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量，一部分為增壓器壓縮燃燒空氣時(shí)產(chǎn)生的熱量。

結(jié)合柴油機(jī)廠家資料和制淡裝置設(shè)備需求，總結(jié)出本平臺(tái)的制淡系統(tǒng)熱量轉(zhuǎn)換關(guān)系如表1 所示。

從表1 可知，該平臺(tái)的制淡系統(tǒng)可利用熱量為1 354 kW，而制淡裝置在額定造水量下的實(shí)際需求熱量為1 159 kW?？衫脽崃看笥趯?shí)際需求量，故從能量轉(zhuǎn)換的角度分析，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題。

圖1 制淡系統(tǒng)管路原理圖

表1 制淡系統(tǒng)熱量轉(zhuǎn)換路徑（理論值）

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)缸套冷卻水進(jìn)出口溫度差，制淡裝置進(jìn)出口溫度差均正常，但柴油機(jī)空冷器的高溫冷卻水進(jìn)出口溫度異常，其溫度參數(shù)如表2 所示。

表2 柴油機(jī)空冷器缸套水?dāng)?shù)據(jù)

根據(jù)柴油機(jī)廠家數(shù)據(jù)（表1），正常情況下，每臺(tái)柴油機(jī)的空冷器應(yīng)向高溫水中散發(fā)99 kW 熱量；而根據(jù)表2 的數(shù)據(jù)，其高溫水出口溫度卻低于進(jìn)口溫度，即空冷器反而在吸收高溫水中的熱量。

根據(jù)如下公式［3］計(jì)算空冷器吸收的熱量，可知每臺(tái)柴油機(jī)空冷器吸收的熱量約為116 kW。

式中：K為熱交換量，kW；Q為冷卻水流量，根據(jù)柴油機(jī)廠家數(shù)據(jù)為100 m3/h；f為冷卻水密度，淡水一般取1 000 kg/m3；C為比熱，淡水一般取4.18 kJ/kg·℃；t1為換熱器冷卻水進(jìn)口溫度，℃：t2為換熱器冷卻水出口溫度，℃。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和分析計(jì)算可知，由于空冷器在柴油機(jī)運(yùn)行階段吸收了高溫水的熱量，而不是按設(shè)計(jì)意圖向高溫水中散熱，導(dǎo)致制淡裝置可利用熱量減少。根據(jù)實(shí)測(cè)參數(shù)，更新制淡系統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)換關(guān)系如表3 所示。

表3 制淡系統(tǒng)熱量轉(zhuǎn)換路徑（實(shí)際值）

此時(shí)制淡裝置可利用熱量?jī)H為965 kW，低于制淡裝置的實(shí)際熱量需求量1 159 kW，從而使制淡量明顯減少。按照制淡裝置廠家的計(jì)算，當(dāng)可利用熱量為965 kW 時(shí)，制淡量約為43 t/d，與實(shí)際制淡量結(jié)果較吻合，證明了上述分析的正確性。

3 原因分析

由上文分析可知，找到空冷器從高溫冷卻水吸熱的原因是分析制淡量不足的關(guān)鍵，故有必要詳細(xì)分析空冷器工作原理。圖2 為該柴油機(jī)吸氣原理圖。

圖2 柴油機(jī)吸氣原理圖

區(qū)別于常規(guī)船舶柴油機(jī)的燃燒空氣從機(jī)艙吸氣，本平臺(tái)的燃燒空氣從露天環(huán)境下直接吸氣，經(jīng)增壓器做功后，再經(jīng)空冷器冷卻進(jìn)入燃燒室用于燃油燃燒的氧氣供給?？绽淦鞯淖饔檬抢鋮s經(jīng)增壓器做功后的高溫壓縮空氣［4］。

本鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)條件為在中國(guó)南海區(qū)域作業(yè)，正常情況下露天環(huán)境空氣溫度較高，經(jīng)增壓器壓縮后，進(jìn)入空冷器的燃燒空氣設(shè)計(jì)溫度為最低103℃，大于高溫冷卻水的設(shè)計(jì)溫度95℃，故正常情況下空冷器向高溫冷卻水系統(tǒng)散熱，散發(fā)的熱量可用于淡水制造。然而，本平臺(tái)由于租約變化，在冬季前往俄羅斯作業(yè)，其露天環(huán)境空氣溫度均在-5℃以下，導(dǎo)致進(jìn)入空冷器的燃燒空氣溫度較低。經(jīng)實(shí)測(cè)，空冷器壓縮空氣進(jìn)口處溫度僅為65℃左右，低于實(shí)際高溫冷卻水溫度（見(jiàn)表2），故此時(shí)空冷器從高溫水中吸熱，從而使柴油機(jī)高溫水中的熱量減少，最終使制淡量下降。

可見(jiàn)，本平臺(tái)制淡量不足的根本原因在于柴油機(jī)從露天環(huán)境直接吸氣，而其可利用于制淡的熱量對(duì)外界環(huán)境溫度較為敏感。當(dāng)作業(yè)區(qū)域變化導(dǎo)致外界環(huán)境溫度降低時(shí)，因空冷器由向高溫水系統(tǒng)中散熱變?yōu)閺母邷厮到y(tǒng)中吸熱，從而導(dǎo)致高溫水系統(tǒng)中的可用制淡熱量減少，淡水制造量也相應(yīng)減少。

4 解決方案

由于作業(yè)區(qū)域環(huán)境溫度變化，導(dǎo)致的制淡熱量減少，可通過(guò)增加加熱器來(lái)補(bǔ)充熱量。結(jié)合表3 的數(shù)據(jù)，在本平臺(tái)的循環(huán)水系統(tǒng)中（制淡裝置前）增加一個(gè)200 kW 的蒸汽加熱器后，可利用熱量達(dá)到制淡裝置需求量，制淡量得以明顯上升，滿(mǎn)足了平臺(tái)的作業(yè)用水需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

半潛平臺(tái)多采用柴油機(jī)增壓器室外直接吸氣的模式，對(duì)利用柴油機(jī)缸套水廢熱進(jìn)行淡水制造的新建半潛平臺(tái)，則建議其空冷器不利用缸套水進(jìn)行冷卻（柴油機(jī)廠家也確認(rèn)可以按此進(jìn)行設(shè)計(jì)，僅利用低溫冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻），這樣可有效避免因外界環(huán)境溫度變化而導(dǎo)致制淡裝置可利用熱量變化，最終使制淡量不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。