海洋石油平臺(tái)海水提升泵能量回收可行性研究

熊鑫晨，張圓圓

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

1 海洋石油平臺(tái)

海洋石油平臺(tái)按照結(jié)構(gòu)分可以分為自升式平臺(tái)、半潛式平臺(tái)和固定式平臺(tái)；按照功能分，可以分為海洋鉆井平臺(tái)和海洋采油平臺(tái)。

海洋鉆井平臺(tái)主要是用于鉆探井的海上結(jié)構(gòu)物，平臺(tái)上裝鉆井、動(dòng)力、通信、導(dǎo)航等設(shè)備，以及安全救生和人員生活設(shè)施，是海上油氣勘探開發(fā)不可或缺的設(shè)施。

海洋采油平臺(tái)主要是用來(lái)開采油氣和對(duì)油氣進(jìn)行初步處理的海上結(jié)構(gòu)物，平臺(tái)上裝有采油生產(chǎn)井、油氣處理設(shè)備和生活設(shè)施等。開采后經(jīng)過(guò)初步處理的石油和天然氣，通過(guò)輸油管道輸送至陸地處理終端或FPSO（Floating Production Storage and Offloading，浮式生產(chǎn)、存儲(chǔ)、卸載平臺(tái)）裝置。

2 平臺(tái)海水系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

海水系統(tǒng)是平臺(tái)生產(chǎn)、消防的重要組成部分，為平臺(tái)海水掃線、修井作業(yè)、消防噴淋、污水處理等提供保障。系統(tǒng)主要由2臺(tái)海水提升泵和1 套自動(dòng)反沖洗裝置組成。海水提升泵為多級(jí)離心泵，為防止海水腐蝕泵體，泵體均安裝了電解銅鋁裝置。

海水自海水提升泵提升到平臺(tái)，經(jīng)過(guò)自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器，通過(guò)壓差計(jì)進(jìn)行控制，當(dāng)過(guò)濾器兩端的壓力差值大于60 kPa 時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)過(guò)濾器進(jìn)行反沖洗。過(guò)濾后的海水經(jīng)過(guò)分配管線分配到以下用戶：鉆井機(jī)、污水處理裝置、造淡機(jī)、公用站、消防管網(wǎng)、生活樓。另外，為了保護(hù)海水管路，在海水提升泵出口管線安裝由壓力控制閥，其設(shè)點(diǎn)為750 kPa，可維持海水管線壓力不超過(guò)750 kPa。

2.2 海水泵的結(jié)構(gòu)

海水提升泵由離心式葉輪和空間導(dǎo)葉的導(dǎo)殼組成，是多級(jí)離心泵。泵由止回閥（可泄漏型）、進(jìn)水端、聯(lián)軸器、泵軸、密封環(huán)、級(jí)向套等組成。由于護(hù)管直徑大，泵帶有溪水冷卻罩，下端有濾網(wǎng)，可以阻擋大顆粒進(jìn)入泵中。

2.3 潛水電機(jī)的組成

潛水電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、上下導(dǎo)軸承、止推軸承組成。電機(jī)是充水式電機(jī)，內(nèi)腔充滿防凍潤(rùn)滑液，由調(diào)節(jié)囊來(lái)平衡電機(jī)內(nèi)外壓力。電機(jī)軸端有機(jī)械密封，防護(hù)等級(jí)為IP68。

3 海水泵現(xiàn)狀

海洋石油平臺(tái)均設(shè)有海水泵用以滿足日常海水需要。除此之外，一些較大的平臺(tái)還設(shè)有專門的電動(dòng)消防泵用以應(yīng)對(duì)火災(zāi)等突發(fā)狀況，F(xiàn)PSO 上除了有電動(dòng)消防泵還設(shè)置有專門的柴油消防泵（圖1）。另外，某些平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到場(chǎng)地規(guī)模、建造成本和平臺(tái)大小等因素，并未配備專門的電動(dòng)消防泵，只設(shè)計(jì)配備2 臺(tái)海水泵（一用一備），用于滿足日常需要和應(yīng)急需求，而這種兼具應(yīng)急消防功能的海水泵一般需要長(zhǎng)期保持在運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 某平臺(tái)海水管線示意

海水泵的主要用戶包括廁所用水、鉆修井泥漿池用水和海管清掃等，除鉆修井作業(yè)和停產(chǎn)掃線等大型作業(yè)外，日常的海水用量較小，大部分通過(guò)排海管線重新排回海里。

4 水力渦流發(fā)電機(jī)原理

水力渦流發(fā)電機(jī)（水輪機(jī)）的原理是水流經(jīng)過(guò)水輪機(jī)時(shí)帶動(dòng)扇葉旋轉(zhuǎn)，將水的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為扇葉的機(jī)械能，扇葉帶動(dòng)通過(guò)主軸連接的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子靜止時(shí)采用一定方法通入直流電進(jìn)行勵(lì)磁，在轉(zhuǎn)子繞組軸線上（即直軸方向）產(chǎn)生空間不動(dòng)幅值恒定的磁場(chǎng)，就是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。當(dāng)水輪機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，就得到一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)時(shí)與定子繞組形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁力線切割定子繞組，在定子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（電磁感應(yīng)原理），通過(guò)引線引出就得到了交流電（圖2、圖3）。

圖2 水輪機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)示意

圖3 水輪機(jī)工作示意

水電站的水力渦流發(fā)電機(jī)利用水位的落差形成勢(shì)能，將其轉(zhuǎn)換為電能?？梢栽诤Ｋ玫呐藕９芫€上安裝水力渦流發(fā)電機(jī)，用被排掉的海水作為動(dòng)力源發(fā)電，實(shí)現(xiàn)海水泵能量的有效回收。

5 能量回收計(jì)算

以某平臺(tái)為例，海水泵電機(jī)的額定功率為100 kW，泵的排量為160 m3/h，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，當(dāng)海水管線和消防環(huán)網(wǎng)均充滿海水且基本無(wú)其他海水用戶的情況下，排海管管線實(shí)測(cè)排量約160 m3/h，排海管壓力約5～7 bar（0.5～0.7 MPa）。

由水能出力公式N=9.81×η×Q×H 可知，其基本參數(shù)包括：①工作水頭H，單位為m，指單位重量的液體所具有的機(jī)械能；②流量Q，單位為m3/s，指單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)封閉管道或明渠有效截面的流體量，又稱瞬時(shí)流量；③水能機(jī)輸出功率N，單位為kW，以勢(shì)能、壓能和動(dòng)能等形式存在于水體中的能量資源通過(guò)水能機(jī)轉(zhuǎn)化為電能；④效率η（0.7～0.95），指水能機(jī)的轉(zhuǎn)化效率，用水能機(jī)的輸出功率N 除以水能機(jī)的輸入功率即可得到轉(zhuǎn)化效率。

根據(jù)液柱壓強(qiáng)公式P=ρ×g×h，ρ 為液體密度、g 為重力加速度、h 為液柱高度，可以由排海管口壓力推算液柱高度h，近似等于水能出力公式中的水頭H。

取海水密度為1.02～1.07 kg/m3，壓強(qiáng)為5～7 bar（0.5～0.7 MPa），重力加速度g 取9.8 m/s，計(jì)算得出液柱高度h≈50～70 m。

將數(shù)據(jù)代入水能出力公式N=9.81×η×Q×H，保守取η 值為最小值0.7，流量Q 換算為0.044 4 m3/s；當(dāng)H=50 m 時(shí)，N=54.936 kW；當(dāng)H=70 m 時(shí)，N=76.910 kW。

綜上所述，考慮到時(shí)效等其他因素影響，使用水力渦流發(fā)電機(jī)回收海水泵能量保守估計(jì)最少可達(dá)50 kW/h。

6 回收電能用于照明系統(tǒng)可行性評(píng)估

6.1 燈具規(guī)模

照明燈具普遍采用36 W 雙燈管燈具，考慮線路附加損耗，一盞照明燈具功率估算為80 W。保守估算50 kW 的電能可供約超過(guò)600 盞照明燈具使用，再考慮到平臺(tái)規(guī)模大小，回收電能足夠照明系統(tǒng)使用。

6.2 整流器

考慮海水排海管流量波動(dòng)和消防應(yīng)急使用海水等情況會(huì)影響水力渦流發(fā)電機(jī)的工況和運(yùn)行時(shí)率，可以在水力渦流發(fā)電機(jī)輸出端接入整流器，將回收的電能由諧波較大的交流電轉(zhuǎn)化為恒穩(wěn)直流。

6.3 電池組和逆變器

整流得到的恒穩(wěn)直流通過(guò)直流母線和電池組相連，需要時(shí)通過(guò)逆變器將恒穩(wěn)直流逆變?yōu)榻涣麟?，這樣“干凈”的交流電基本沒有諧波，電源波形和質(zhì)量都非常高。逆變器的輸出端再通過(guò)空氣斷路器接入照明系統(tǒng)控制柜實(shí)現(xiàn)供電。

6.4 靜態(tài)開關(guān)

當(dāng)海水泵出現(xiàn)故障或消防系統(tǒng)需要用海水時(shí)，排海管的排海量勢(shì)必減少，導(dǎo)致水力渦流發(fā)電機(jī)無(wú)法正常工作，此時(shí)照明系統(tǒng)通過(guò)電池組供電。若水力渦流發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法恢復(fù)時(shí)，可以通過(guò)在照明系統(tǒng)控制柜輸入端并聯(lián)的靜態(tài)開關(guān)切換電源，靜態(tài)開關(guān)的上端接入市電220 V（圖4）。靜態(tài)開關(guān)切換速度快，可達(dá)到毫秒級(jí)別，可以輕松實(shí)現(xiàn)電源的切換。

圖4 系統(tǒng)示意

7 結(jié)論及評(píng)價(jià)

7.1 結(jié)論

本文介紹了海上平臺(tái)海水泵的現(xiàn)狀，并計(jì)劃在排海管線處安裝水力渦流發(fā)電機(jī)，在保證海水泵的日常使用和滿足應(yīng)急消防功能的前提下，通過(guò)水力渦輪發(fā)電機(jī)可以最大程度地回收海水泵能量。方案中涉及到的改造和新增設(shè)備工作量都不大、工期較短，施工期間不會(huì)對(duì)平臺(tái)正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。

7.2 安全效應(yīng)

從安全效應(yīng)的角度出發(fā)，此項(xiàng)改造項(xiàng)目也大有裨益。改造后的照明系統(tǒng)在平臺(tái)完全失電的情況下還可以保證長(zhǎng)時(shí)間的照明（照明時(shí)間由電池組容量決定），有利于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員及時(shí)恢復(fù)平臺(tái)各項(xiàng)電力設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備，解決了以往平臺(tái)失電后應(yīng)急用照明燈只能依賴燈具自身電池供電的情況。

7.3 環(huán)境效應(yīng)

按照24 h 全天候水力渦流發(fā)電機(jī)運(yùn)行的最理想情況，回收的電能最低可達(dá)每天1200 kW·h。行業(yè)自發(fā)電折標(biāo)煤系數(shù)取1.229（每萬(wàn)千瓦時(shí)），經(jīng)計(jì)算可知全年可節(jié)約的電量折算為天然氣213 600 m3或77.83 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，不僅可以帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)收益，同時(shí)還具有節(jié)能減排的良好示范效應(yīng)。