“勘探四號”鉆井平臺柴油發(fā)電機(jī)組換新動力管系設(shè)計(jì)與校核計(jì)算

楊 威

(招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 510725)

“勘探四號”是一座半潛式鉆井平臺，總長87.8 m，最大吃水深度19.8 m，鉆井狀態(tài)時(shí)最大排水量28 000 t，最大載重噸4 081 t，工作水深45.7～601.6 m，最大鉆探深度7 620 m。該平臺已使用20余年，柴油發(fā)電機(jī)組、電站及電氣傳動系統(tǒng)設(shè)備性能下降、老化嚴(yán)重，發(fā)電機(jī)組能耗高，維護(hù)成本較高，且正常作業(yè)能力受限。為盡快恢復(fù)其正常作業(yè)能力，計(jì)劃對其進(jìn)行改造。在鉆井平臺的大型改造工程中，柴油發(fā)電機(jī)組換新升級也是比較常規(guī)的工程。柴油機(jī)提供原動力驅(qū)動發(fā)電機(jī)運(yùn)行，兩者安裝集成為柴油發(fā)電機(jī)組。本文通過查閱原船相關(guān)圖紙資料，結(jié)合規(guī)范、法規(guī)對原船動力管系進(jìn)行了校核計(jì)算，校核原平臺系統(tǒng)是否繼續(xù)使用或者做局部升級改造。

原船柴油發(fā)電機(jī)組參數(shù)為：柴油發(fā)電機(jī)組共4臺，2臺大功率柴油發(fā)電機(jī)組(型號，MD16- 645E8；轉(zhuǎn)速，900 r/min；額定功率，1 500 kW)和2臺小功率柴油發(fā)電機(jī)組(型號，MD12- 645E8；轉(zhuǎn)速，900 r/min；額定功率，1 150 kW)。機(jī)艙新?lián)Q5臺柴油發(fā)電機(jī)組(3用2備),主發(fā)電機(jī)組型號為Cat 3516CHD，柴油機(jī)為四沖程V型16缸，額定功率為1 603 kW。發(fā)電機(jī)為無刷，永磁激勵(lì)型，額定輸出功率為1 530 kW，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，單臺燃油消耗率(100%負(fù)荷)為412.2 L/h。

1 燃油日用系統(tǒng)

1.1 燃油日用油柜的容積

根據(jù)原船機(jī)艙燃油日用油柜(以下簡稱油柜)的結(jié)構(gòu)圖紙，原平臺配置2個(gè)油柜(兩者等效)，經(jīng)計(jì)算后，原平臺單個(gè)油柜的容積約為15.86 m3。

根據(jù)最新的《ABS海上移動鉆井平臺建造和入級規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)第4部分第2章第5節(jié)第1.1.4小節(jié)的要求: 燃油日用油柜的設(shè)置，應(yīng)滿足當(dāng)一個(gè)油柜在清潔或修理時(shí)，另一個(gè)油柜可持續(xù)供應(yīng)燃油。每一油柜的容量至少能供推進(jìn)裝置于最大持續(xù)功率運(yùn)行和柴油發(fā)電機(jī)組正常工作負(fù)荷情況下工作8 h。

Vr=N×λfc×8，

(1)

式中,Vr為燃料消耗總量， m3；N為柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)量，臺，N=3；λfc為單臺柴油發(fā)電機(jī)組燃油消耗量，λfc=0.412 2 m3/h。

經(jīng)計(jì)算，在3臺柴油發(fā)電機(jī)組全負(fù)荷8 h運(yùn)行時(shí)間下所消耗的燃油為9.89 m3，小于原油柜總?cè)萘?5.86 m3。結(jié)論：原平臺機(jī)艙油柜容積滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

1.2 油柜的布置

根據(jù)柴油機(jī)廠家資料要求：油柜的位置應(yīng)使油位不高于柴油機(jī)噴油器上方5 m。并且需要注意如果油位低于噴油器，機(jī)帶燃油輸送泵自吸能力是4 m。經(jīng)過計(jì)算，油柜最低處低于機(jī)組自帶燃油輸送泵高度500 mm。結(jié)論：目前原油柜的高度位置滿足廠家資料要求。

根據(jù)《規(guī)范》第4部分第2章第5節(jié)的1.1小節(jié)中關(guān)于燃料油艙的布置要求：燃油艙柜盡可能成為平臺結(jié)構(gòu)的一部分，并盡可能位于A類機(jī)器處所之外。除雙層底艙柜外，其他燃油艙柜如必須與A類機(jī)器處所相鄰或位于A類機(jī)器處所之內(nèi)時(shí)，至少他們的垂直側(cè)面之一應(yīng)連續(xù)于該機(jī)器處所限界面，其底部不應(yīng)與可能發(fā)生的火災(zāi)直接接觸。燃油艙柜與機(jī)器處所共同的限界面的面積應(yīng)保持最小。當(dāng)上述艙柜位于A類機(jī)器處所之內(nèi)時(shí)，不應(yīng)用它們盛裝閃點(diǎn)(閉杯試驗(yàn))低于60 ℃的燃油。 一般情況下，應(yīng)避免使用獨(dú)立架設(shè)的燃油艙柜，如準(zhǔn)許使用時(shí)，則該油柜下應(yīng)設(shè)置足夠大小的溢油盤，此盤應(yīng)有能導(dǎo)至適當(dāng)尺寸的溢油柜的排放管。

根據(jù)原船油柜布置圖，原船油柜為獨(dú)立油柜并且沒有設(shè)置足夠尺寸的油盤和泄放管以及溢油柜，這樣并不滿足最新的《規(guī)范》要求，需要改造升級。于是在油柜兩側(cè)做成結(jié)構(gòu)空艙并與機(jī)艙艙壁相連，油柜上下頂部也做成結(jié)構(gòu)空艙與甲板相連，這樣就滿足《規(guī)范》設(shè)計(jì)要求。油柜改造前示意圖見圖1, 油柜改造后示意圖見圖2。

圖1 油柜改造前示意圖

圖2 油柜改造后示意圖

1.3 燃油分油機(jī)

當(dāng)運(yùn)行3臺新柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，所需燃油分油機(jī)總排量為：

Q=3×λfc×C×24/t，

(2)

式中,Q為燃油分油機(jī)總排量，m3/h；t為每天分離時(shí)間，t=23 h；C為安全系數(shù)，C=1.18。

經(jīng)計(jì)算，所需燃油分油機(jī)總排量Q=1.523m3/h。根據(jù)原平臺設(shè)備資料知，有3臺離心式燃油分油機(jī)，其中2臺排量為0.9 m3/h，1臺排量為3 m3/h。結(jié)論：開啟原2臺小燃油分油機(jī)或者開啟1臺大燃油分油機(jī)時(shí)，排量均滿足新柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行要求。

2 潤滑油系統(tǒng)

新的柴油發(fā)電機(jī)組也是采用濕式油底殼滑油系統(tǒng)，故外部滑油系統(tǒng)可以直接利用原船的滑油系統(tǒng)，原船13.638 m3容積的滑油儲存柜通過重力釋放和手搖泵兩路供給管，引往柴油機(jī)油底殼加注滑油，本船不設(shè)分油機(jī)，滑油按要求使用一段時(shí)間之后經(jīng)過滑油泄放系統(tǒng)，污油泄放至污油泄放艙，然后直接給柴油機(jī)注入新的清潔滑油。柴油機(jī)內(nèi)部滑油通過機(jī)帶滑油泵在油底殼抽取滑油，經(jīng)過內(nèi)部滑油冷卻器和雙聯(lián)濾器后，再經(jīng)過潤滑冷卻摩擦部件，最后回到油底殼。

3 啟動空氣系統(tǒng)

3.1 核算啟動空氣瓶容積

原平臺配置2個(gè)啟動空氣瓶，單個(gè)容積為1.5 m3；工作壓力1.207 MPa。根據(jù)《規(guī)范》第4部分第2章第6節(jié)第9.3小節(jié)及9.3.3小節(jié)要求：對于非自航平臺，至少設(shè)2個(gè)啟動用空氣瓶，2個(gè)啟動空氣瓶的總?cè)萘?，在不補(bǔ)充空氣的情況下，至少能供每臺柴油機(jī)連續(xù)啟動3次，但總的啟動次數(shù)不必超過8次。

廠家資料中明確：最小啟動空氣耗量在氣體壓力0.62 MPa時(shí)為0.52 m3/s；每次啟動時(shí)間約為4 s。本文按照最小空氣耗量啟動情況進(jìn)行計(jì)算，總啟動次數(shù)為8次的條件下，空氣總耗量Vs為16.64 m3。所以所需啟動空氣瓶總?cè)莘e為：

VBS=Vs/[(P2-P0)×10]，

(3)

式中，VBS為所需啟動空氣瓶總?cè)莘e， m3；P2為空氣瓶充氣終壓,P2=1.207 MPa；P0為最低啟動壓力,P0=0.62 MPa。

經(jīng)計(jì)算得知，所需啟動空氣瓶總?cè)莘eVBS為2.83 m3。結(jié)論：原平臺啟動空氣瓶實(shí)際總?cè)莘e為3.0 m3，大于計(jì)算所需啟動空氣瓶總?cè)莘e2.83 m3,因此原啟動空氣瓶配置數(shù)量及容積均滿足改造后的要求。

3.2 核算空壓機(jī)的總排量

啟動空壓機(jī)應(yīng)能在1 h內(nèi)使主空氣瓶從大氣壓升至柴油機(jī)啟動的最大壓力。

Q=10×Vac×(P2-P1)/t1，

(4)

式中,Q為空壓機(jī)總排量， m3/h；Vac為空氣瓶實(shí)際總?cè)莘e，Vac=3.0 m3；P1為空的空氣瓶壓力，0.100 MPa；t1為充滿空氣瓶需要的時(shí)間，t1=1 h。

經(jīng)計(jì)算得知，按照新發(fā)電機(jī)組使用要求，所需的空壓機(jī)排量為33.21 m3/h，而原平臺空壓機(jī)排量為69.6 m3/h ，大于33.21 m3/h。結(jié)論：原平臺的啟動空壓機(jī)排量滿足新發(fā)電機(jī)組使用要求。

4 冷卻系統(tǒng)

4.1 海水冷卻系統(tǒng)

新柴油發(fā)電機(jī)組中的柴油機(jī)的冷卻方式為外部海水開式循環(huán)直接進(jìn)機(jī)去冷卻機(jī)體內(nèi)部閉式循環(huán)的淡水，淡水分高溫水和低溫水，分別通過機(jī)帶高低溫冷卻水泵去冷卻柴油機(jī)汽缸套和增壓器等。原平臺左右舷泵艙內(nèi)各設(shè)有1臺海水泵(1用1備)，排量為460 m3/h，壓頭為0.700 MPa，通過布置在泵艙內(nèi)及平臺上的海水管系為該平臺各海水用戶提供所需的海水。改造后，拆除原平臺2臺舊海水泵，按照設(shè)計(jì)院要求新增4臺新海水服務(wù)泵(2用2備)，排量為350 m3/h，壓頭為 0.610 MPa，布置在左右舷浮體泵艙內(nèi)原海水泵位置。

根據(jù)海水系統(tǒng)原理圖可知，改造之后的海水用戶主要包括主發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)、空調(diào)及冷藏裝置系統(tǒng)、主空壓機(jī)組、絞車?yán)鋮s器、造水機(jī)、消防泵、泡沫泵、噴淋泵及其他雜用海水。各海水用戶水量估算如下。

1)柴油發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)。根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組廠家資料，每臺柴油發(fā)電機(jī)組冷卻海水用量78 m3/h，則3臺機(jī)組的海水總用量Q發(fā)為234 m3/h。根據(jù)廠家資料中海水冷卻系統(tǒng)原理圖可知，要求海水進(jìn)口管通徑不小于125 mm，支管通徑不小于100 mm。本次改造中柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)機(jī)前總管直徑設(shè)計(jì)選型為100 mm，每臺進(jìn)機(jī)支管管路為50 mm。改造后的管路原理設(shè)計(jì)滿足柴油機(jī)廠家要求。

2)空調(diào)及冷藏裝置系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)：原平臺2臺冷水機(jī)組(1用1備)為空冷式，改造換新后的2臺新冷水機(jī)組為海水冷卻，系統(tǒng)配置2臺冷媒水泵(1用1備)，按廠家資料要求空調(diào)系統(tǒng)所需冷卻海水流量Q調(diào)約為220 m3/h。冷藏機(jī)組方面，原平臺2臺冷藏機(jī)組(1用1備)為空冷式，改造換新后的2臺冷藏機(jī)組為海水冷卻，廠家資料顯示，冷卻海水流量Q藏為8 m3/h。

3)主空壓機(jī)組。原平臺3臺主空壓機(jī)組(2用1備)，單臺冷卻水量為20 m3/h，故正常情況下，運(yùn)行2臺空壓機(jī)需要的冷卻海水流量Q空為40 m3/h。

4)絞車?yán)鋮s器。原平臺絞車?yán)鋮s器正常情況下運(yùn)行，需要的冷卻海水流量Q絞為69 m3/h。

5)造水機(jī)。本平臺配置2臺反滲透式造水機(jī)，2臺機(jī)1用1備，單臺造水機(jī)制淡水所需海水用量Q造約為8 m3/h。

6)主消防泵。本平臺配置2臺主消防泵(1臺布置在機(jī)艙，1臺布置在泥漿泵房)，單臺泵所需海水用量Q消為90 m3/h，非正常工況下才會使用。由于該系統(tǒng)也是由主海水泵供水，串聯(lián)主消防泵起到消防系統(tǒng)增壓泵的功能。

7)泡沫泵。本平臺在主甲板機(jī)艙配置1臺泡沫泵，所需海水用量Q泡為204 m3/h。非正常工況下才會使用。

8)噴淋泵。本平臺在主甲板機(jī)艙配置1臺噴淋泵，所需海水用量Q淋為204 m3/h。非正常工況下才會使用。

9)其他雜用海水。如小設(shè)備冷卻用水以及沖洗用水，此處估算Q雜為50 m3/h。

本平臺在新?lián)Q主海水泵改造后，正常工況下主海水服務(wù)泵用戶所需的海水量Q總為：

Q總=Q發(fā)+Q調(diào)+Q藏+Q空+Q絞+Q造+Q雜=234+220+8+40+69+8+50=629 m3/h。

(5)

即正常工況下，僅需要開啟2臺海水服務(wù)泵(2用2備),海水量700 m3/h，即可滿足常規(guī)用水需求。但當(dāng)平臺處于非正常工作工況時(shí)，可按需增開1臺或者2臺額外的海水服務(wù)泵來滿足海水量需求。綜上，改造后海水泵排量也滿足要求。

4.2 機(jī)艙設(shè)備通風(fēng)量計(jì)算

機(jī)艙通風(fēng)雖然嚴(yán)格地說不屬于動力管系范疇，但機(jī)艙通風(fēng)的任務(wù)是降低機(jī)艙溫度，帶走設(shè)備外殼散熱的熱量，同時(shí)排除機(jī)艙內(nèi)的油氣和水蒸氣，向機(jī)艙內(nèi)供應(yīng)充足的新鮮空氣，從而保證動力裝置的正常工作以及改善機(jī)艙管理人員的工作條件和衛(wèi)生條件。所以對原船機(jī)艙通風(fēng)的計(jì)算和校核是必要的工作。

原船機(jī)艙風(fēng)機(jī)3臺送風(fēng)機(jī)總風(fēng)量為241 650 m3/h。3臺抽風(fēng)機(jī)總風(fēng)量為151 128 m3/h。改造后機(jī)艙設(shè)備消耗空氣量分為設(shè)備燃燒所需空氣總量和設(shè)備散熱所需空氣總量兩部分，分別計(jì)算如下。

1)其中3臺柴油機(jī)燃燒所需空氣總量Qdp為：

Qdp=Pdp×mad× 3/ρ,

(6)

式中,Qdp為3臺柴油機(jī)燃燒所需空氣總量， m3/s；Pdp為柴油機(jī)最大持續(xù)功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的軸功率，Pdp=1 603 kW；mad為柴油機(jī)單位功率燃燒所需要的空氣量，取mad=0.002 kg/( kW·s)；ρ為空氣密度，ρ=1.13 kg/ m3。

計(jì)算得出燃燒所需的空氣總量為8.5 m3/s。原船原本是有2臺鍋爐，但是在后期改造中船東拆除了鍋爐，故鍋爐燃燒的空氣消耗不計(jì)算在內(nèi)。

2)計(jì)算機(jī)艙內(nèi)設(shè)備散熱所需要的總風(fēng)量，其中單臺柴油機(jī)散熱量為：

Q1=Pdp×Ld，

(7)

式中，Q1為單臺柴油機(jī)散熱量，kW；Ld為柴油機(jī)熱損失， %,當(dāng)Ld沒有規(guī)定的時(shí)候,則按CB/T 3772-1996《柴油機(jī)船舶機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)條件和計(jì)算基準(zhǔn)》中曲線取值4.2。

計(jì)算得到單臺柴油機(jī)散熱量Q1為67.32 kW。廠家反饋風(fēng)冷發(fā)電機(jī)散熱量Q2=70 kW。計(jì)算排煙管散熱量，查相關(guān)曲線取每米排煙管散熱量為0.4 kW，每臺發(fā)電機(jī)組排煙管在機(jī)艙內(nèi)長度預(yù)估為20 m，則總散熱量Q3為24 kW。機(jī)艙內(nèi)其他發(fā)熱設(shè)備散熱量Q4預(yù)估為30 kW。則機(jī)艙內(nèi)設(shè)備散熱所需要的總風(fēng)量依據(jù)公式(8)計(jì)算：

Q0=[3×(Q1+Q2)+Q3+Q4]/(c×Δt×ρ)-0.4×Qdp，

(8)

式中，Q0為機(jī)艙內(nèi)設(shè)備散熱所需總風(fēng)量，m3/s；c為空氣的比熱，取c=1.01 J/(kg·℃)；Δt為工作場所與艙外空氣溫差，取Δt=12.5 ℃。

計(jì)算得知機(jī)艙內(nèi)設(shè)備散熱所需總風(fēng)量Q0為29.3 m3/s。結(jié)論：改造后機(jī)艙內(nèi)設(shè)備燃燒空氣總量和散熱所需總風(fēng)量之和為37.7 m3/s，小于原船總送風(fēng)量。原船機(jī)艙送風(fēng)總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于改造后的機(jī)艙所需風(fēng)量，則原機(jī)艙送風(fēng)量滿足改造后的要求。

5 結(jié)束語

在船舶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,動力系統(tǒng)是主要構(gòu)成部分,同時(shí)關(guān)系到船舶的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。同時(shí)船舶動力管系、設(shè)備的布置和設(shè)計(jì)必須滿足規(guī)范、公約等要求。動力系統(tǒng)合理的設(shè)計(jì)和布局可以實(shí)現(xiàn)最大效率地利用系統(tǒng)，也能延長船舶發(fā)電機(jī)組設(shè)備運(yùn)行壽命，提高發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。因此,要想確保船舶系統(tǒng)的高效運(yùn)行,必須要科學(xué)設(shè)計(jì)船舶動力系統(tǒng)。本文以“勘探四號”鉆井平臺發(fā)電機(jī)組動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，希望為同行提供借鑒。