半潛平臺(tái)快速壓排載過(guò)程分析及設(shè)備選型應(yīng)用

戴鵬程，陳伶翔

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226100)

0 引言

海上作業(yè)平臺(tái)一般配備吊機(jī)。為保證平臺(tái)在吊運(yùn)過(guò)程的穩(wěn)性，需配備壓載水調(diào)配系統(tǒng)。同樣地，半潛式起重拆解平臺(tái)作為以海上拆解廢舊結(jié)構(gòu)物為目的所設(shè)計(jì)的平臺(tái)，根據(jù)船級(jí)社規(guī)范設(shè)計(jì)要求，壓載水系統(tǒng)設(shè)計(jì)配備8臺(tái)壓載水泵，其中：4臺(tái)排量為355 m/h的壓載水泵安裝于主浮筒，4臺(tái)排量為245 m/h的壓載水泵安裝于輔浮筒。同時(shí)平臺(tái)配備了2臺(tái)21 560 kN的重型吊機(jī)。若僅采用壓載泵配合吊運(yùn)作業(yè)，那么單個(gè)吊運(yùn)過(guò)程會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。因此，為滿足吊機(jī)的重吊作業(yè)要求，提高平臺(tái)吊裝性能，該半潛式拆解平臺(tái)采用快速壓排載系統(tǒng)作為吊機(jī)重吊作業(yè)過(guò)程的平衡系統(tǒng)。

快速壓排載系統(tǒng)的壓載過(guò)程是利用重力灌入的方式，即不利用任何動(dòng)力設(shè)備，直接打開(kāi)壓載艙的通海閥，利用自然水壓將海水灌入壓載艙；排載過(guò)程則是利用大排量空壓機(jī)將空氣壓縮以后輸入壓載艙，通過(guò)壓縮空氣的壓力將艙內(nèi)壓載水排出舷外，實(shí)現(xiàn)快速排壓載。系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是空壓機(jī)，因此空壓機(jī)的選型設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起到重要作用。

本文對(duì)快速壓排載過(guò)程中各個(gè)階段進(jìn)行分析，基于流體力學(xué)原理對(duì)各個(gè)階段分別建模，利用迭代方法結(jié)合Excel宏進(jìn)行編程計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了快速壓排載系統(tǒng)中關(guān)鍵部件空壓機(jī)的選型。系統(tǒng)在試航中運(yùn)行穩(wěn)定，并獲得了船東與船級(jí)社的認(rèn)可，驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 快速壓排載系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 半潛式拆解平臺(tái)概況

半潛式拆解平臺(tái)總長(zhǎng)137.75 m，船寬81.00 m，型深43.55 m，入級(jí)ABS船級(jí)社。整船的主要結(jié)構(gòu)是由2個(gè)浮筒、4個(gè)立柱及上層建筑組成，可同時(shí)容納750人居住生活；配備2臺(tái)21 560 kN重型吊機(jī)并以快速壓排載系統(tǒng)配合吊運(yùn)作業(yè)，可在任何水深海域進(jìn)行海上廢舊平臺(tái)拆解作業(yè)。

1.2 快速壓排載系統(tǒng)基本工作原理

半潛式拆解平臺(tái)快速壓排載系統(tǒng)由4臺(tái)大排量無(wú)油低壓空壓機(jī)、循環(huán)管路及管附件組成，系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

圖1 快速壓排載系統(tǒng)原理圖

快速壓排載系統(tǒng)工作原理為：在運(yùn)行過(guò)程中空壓機(jī)兩用兩備，實(shí)際是2臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)開(kāi)啟，空壓機(jī)產(chǎn)生大量壓縮空氣，并使其在循環(huán)管路內(nèi)循環(huán)，通過(guò)空氣管路與快速壓載艙相連，4個(gè)立柱結(jié)構(gòu)分別設(shè)置有4個(gè)立柱壓載艙，每個(gè)壓載艙接入有2根通氣管。如此，利用壓縮空氣將艙內(nèi)壓載水通過(guò)通海閥及壓排載管路排出舷外，達(dá)到快速壓排載的目的。

2 快速壓排載過(guò)程計(jì)算分析

2.1 流體力學(xué)基本原理

根據(jù)兩斷面間的實(shí)際流體總壓的伯努利方程，即：

式中：、為兩流體截面的高度；、為兩流體截面的靜壓強(qiáng)；為流體密度；為重力加速度；、為動(dòng)能修正系數(shù)，其值大小取決于斷面上流速分布的不均勻程度，假定水流在管內(nèi)流速分布均勻，則、=1；、為兩截面流體的流速；為流體兩截面間單位重量流體的平均機(jī)械能損失或水頭損失，包括沿程水頭損失和局部總水頭損失，即：

=∑+∑

可將總水頭損失表示為速度水頭的若干倍，即：

式中：ζ為能量損失系數(shù)或阻力系數(shù)；v為流體平均流速。

2.2 快速壓排載計(jì)算過(guò)程影響因素

海上重型吊機(jī)在吊運(yùn)過(guò)程中對(duì)船體會(huì)產(chǎn)生一定的傾覆力矩，使平臺(tái)發(fā)生傾斜，同時(shí)吊運(yùn)作業(yè)須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，排載過(guò)快過(guò)慢均會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)不穩(wěn)，因此，吊運(yùn)時(shí)間是系統(tǒng)空壓機(jī)選型的一項(xiàng)重要指標(biāo)。該平臺(tái)規(guī)定單臺(tái)吊機(jī)完全起吊21 560 kN重物須在15 min左右完成，可利用這一技術(shù)指標(biāo)來(lái)迭代推算出合適排量的空壓機(jī)。

該吊機(jī)起吊重量大，吊運(yùn)過(guò)程中壓載水連續(xù)駁運(yùn)對(duì)平臺(tái)穩(wěn)性影響較大。因此，選擇將配載過(guò)程分成若干個(gè)階段，根據(jù)壓載平穩(wěn)性的要求，計(jì)算出每一階段的艙內(nèi)水位。根據(jù)艙內(nèi)水位百分比可知，在0～21 560 kN吊運(yùn)過(guò)程中各壓載艙進(jìn)行的壓載或排載量，見(jiàn)表1。

表1 快速壓載艙配載表

根據(jù)管路的設(shè)計(jì)型式及管附件的種類(lèi)與數(shù)量，參考相關(guān)資料與莫笛圖計(jì)算出系統(tǒng)的總水頭損失，見(jiàn)表2與表3。根據(jù)計(jì)算，總水頭損失取值為3.67 m。

表2 壓載管路參數(shù)信息

表3 快速壓載艙管路總損失表

主立柱艙通海閥直徑為1.0 m，輔立柱艙通海閥直徑為0.8 m，閥門(mén)直徑較大，開(kāi)啟時(shí)間較慢。根據(jù)廠家提供的資料，閥門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間、開(kāi)度與流量有一定的關(guān)系，見(jiàn)表4。在計(jì)算過(guò)程中假定閥門(mén)勻速開(kāi)啟，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，將每10°開(kāi)度范圍內(nèi)的流量視為恒定。

表4 閥門(mén)開(kāi)度與流量

壓縮空氣是由空壓機(jī)進(jìn)入循環(huán)管路，再由循環(huán)管路通過(guò)氣體控制閥通向壓載艙內(nèi)，每個(gè)艙配有2個(gè)閥門(mén)。若艙內(nèi)水位或壓力低于外界水位時(shí)，閥門(mén)不能開(kāi)啟，否則會(huì)發(fā)生海水倒灌現(xiàn)象。因此，閥門(mén)開(kāi)啟的時(shí)間與艙內(nèi)壓力有一定的邏輯關(guān)系，計(jì)算過(guò)程中需要時(shí)刻計(jì)算艙內(nèi)壓強(qiáng)，并與外界水位勢(shì)能作邏輯判斷。

根據(jù)配載可知，同時(shí)進(jìn)行排載作業(yè)的有2個(gè)壓載艙，且在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的排水量不同，因此，須在過(guò)程中進(jìn)行閥門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉的控制。當(dāng)某一壓載艙內(nèi)的閥門(mén)關(guān)閉，則另一壓載艙的閥門(mén)通氣量將會(huì)增加。假定當(dāng)某一壓載艙閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，另一壓載艙的進(jìn)氣量為之前的2倍，須在計(jì)算過(guò)程中增加邏輯判斷。

空壓機(jī)在開(kāi)啟時(shí)不能立刻提供大量的壓縮空氣，且氣體到達(dá)并充滿循環(huán)管路需要一定時(shí)間。與廠家溝通并討論后，假定空壓機(jī)排出氣體且充滿循環(huán)管路所需要的時(shí)間為12 s。

3 快速壓排載空壓機(jī)選型實(shí)現(xiàn)

3.1 快速壓排載空壓機(jī)技術(shù)調(diào)研

空壓機(jī)排量作為已知參數(shù)參與計(jì)算，工況計(jì)算完成后與船東提出的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，然后修正空壓機(jī)排量，再次循環(huán)計(jì)算，循環(huán)迭代直至最優(yōu)解。為減少工作繁瑣程度，從正面出發(fā)，通過(guò)空壓機(jī)技術(shù)調(diào)研從而縮小選型范圍。

快速壓排載空壓機(jī)為螺桿式、大排量、低壓、無(wú)油，目前空壓機(jī)排量只有6 500、8 390 m/h這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)檔符合此要求。

3.2 快速壓排載空壓機(jī)選型方法

綜合實(shí)際流體總壓的伯努利方程、壓排載過(guò)程計(jì)算影響因素和邏輯判斷，選型基本流程見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算流程圖

3.3 選型程序?qū)崿F(xiàn)

通過(guò)Excel內(nèi)置的Visual Basic編輯器，利用VB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)宏計(jì)算文件的編寫(xiě)。

本文以0～3 920 kN工況為例，其循環(huán)計(jì)算部分關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)如下：

Do While

Worksheets(loadCase).Cells(x, "J") <= percentage

temp2=10000

temp1=-1

... / 定義Excel單元格數(shù)據(jù)

For I = 1 To 136

If Abs(tanklevelArray(I,1)*1.025- Worksheets

(loadCase).Cells(x + 1, "E")) < temp2

Then

temp2=Abs(tanklevelArray(I,1)*1.025- Worksheets

(loadCase).Cells(x + 1, "E"))

temp1 = I

End If

Next I

... / 設(shè)定閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間計(jì)算邏輯

a = kv / g

b = pi * pipeDia * pipeDia / (4 * kv)

c = outLevelDiff - tankLevel - 1.5 - Worksheets(loadCase)

.Cells(x, "I").Value

v = (Sqr(b * b - 4 * a * c) - b) / (2 * a)

... / 定義Excel單元格數(shù)據(jù)

maxTime = x

Worksheets(loadCase).Cells(28,"F").Value=maxTime - prix

Worksheets(loadCase).Cells(29,"F").Value= Worksheets

(loadCase).Cells(x, "I").Value * 0.1

x = x + 1

Loop

整個(gè)過(guò)程按照配載表分別計(jì)算，最終將各時(shí)間段疊加求出該工況下的總時(shí)間。根據(jù)規(guī)格書(shū)與船東的技術(shù)要求，吊機(jī)單臂起吊作業(yè)至0 ～18 130 kN工況時(shí)應(yīng)在15 min左右完成，因此，根據(jù)空壓機(jī)廠商所提供的空壓機(jī)排量檔位分別進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比，最終該半潛式拆解平臺(tái)快速壓排載系統(tǒng)空壓機(jī)選用為8 390 m/h(流量)@0.26 MPa(壓力)。過(guò)程計(jì)算時(shí)間見(jiàn)表5。

表5 6 500、8 390 m3/h空壓機(jī)作業(yè)時(shí)間計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)基于流體力學(xué)原理對(duì)快速壓排載過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并采用Excel宏編程的方法進(jìn)行迭代運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到所要求的平臺(tái)壓排載艙內(nèi)的水位，確保平臺(tái)在運(yùn)行中的平衡?；谠摲椒ǖ倪x型結(jié)果得到船東的認(rèn)可。通過(guò)該方法選型的快速壓排載空壓機(jī)現(xiàn)已完成安裝與調(diào)試，試航中快速壓排載系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使壓排載艙內(nèi)達(dá)到指定水位，確保了平臺(tái)運(yùn)行平衡，該項(xiàng)目的快速壓排載系統(tǒng)已通過(guò)船級(jí)社的認(rèn)證。此外，與同類(lèi)型船對(duì)比，空壓機(jī)的選型結(jié)果相近，故可作為工程估算使用，滿足工程設(shè)計(jì)要求。