林豐財(cái)

(招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 510725)

海洋平臺(tái)

南海八號(hào)鉆井平臺(tái)發(fā)電機(jī)組管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林豐財(cái)

(招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 510725)

更換發(fā)電機(jī)組是鉆井平臺(tái)常見(jiàn)的工程，涉及到的管路系統(tǒng)有燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)，啟動(dòng)空氣系統(tǒng)。文章通過(guò)實(shí)例闡述了更換發(fā)電機(jī)組相關(guān)管路設(shè)計(jì)中常用的一些計(jì)算及設(shè)計(jì)理念，為船廠工程師日常工作提供參考。

鉆井平臺(tái)；發(fā)電機(jī)組更換；燃油系統(tǒng)；滑油系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)；排氣系統(tǒng)；啟動(dòng)空氣系統(tǒng)

作為海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的主力裝備，半潛式鉆井平臺(tái)已經(jīng)發(fā)展到第六代，其作業(yè)水深已經(jīng)超過(guò)3 000 m。南海八號(hào)是由挪威阿克公司設(shè)計(jì)，Daewoo Okpo Korea建造，并于1996年進(jìn)行1 400 m深水改造的第三代深水半潛式鉆井平臺(tái)。

發(fā)電機(jī)組是其最核心的設(shè)備，是平臺(tái)的心臟，為平臺(tái)所有動(dòng)力設(shè)備提供電源，其工作性能的好壞直接影響到平臺(tái)的正常作業(yè)。 發(fā)電機(jī)組的正常工作又離不開(kāi)輔助系統(tǒng)的支持，輔助系統(tǒng)主要包括燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、啟動(dòng)空氣系統(tǒng)。各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否滿足技術(shù)手冊(cè)和相關(guān)規(guī)范的要求決定了設(shè)備是否能夠正常使用。

為適應(yīng)新的作業(yè)任務(wù)，該平臺(tái)原有3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組(EMD MD16E8，MCR 1 400 kW， 900 r/m)將更換為：Wartsila 8L26，MCR 2 600 kW， 900 r/m。按照二用一備設(shè)計(jì)。

1 燃油系統(tǒng)

1.1 燃油日用柜容積計(jì)算

平臺(tái)原燃油日用柜容積為18.6 m3，需確認(rèn)是否滿足規(guī)范要求。

根據(jù)公式：MT=N×PW×λfc，

式中：MT為燃油消耗量，kg/h；N為柴油機(jī)數(shù)量，2；PW為額定功率，2 600 kW；λfc為燃油消耗率0.187 kg/(kW·h)。

根據(jù)規(guī)范要求：燃油日用柜容積需滿足柴油機(jī)連續(xù)工作至少8 h的要求。

因此：Vdt=MT×8/ρ,

式中：Vdt為日用柜容積，m3；ρ為燃油密度，860 kg/m3。

經(jīng)計(jì)算：Vdt=9.05 m3<18.6m3。

從計(jì)算得知，原燃油日用柜容積滿足設(shè)計(jì)要求，無(wú)需更換。

1.2 燃油系統(tǒng)管系設(shè)計(jì)

平臺(tái)原燃油駁運(yùn)系統(tǒng)未做改動(dòng)，只是燃油循環(huán)系統(tǒng)根據(jù)新設(shè)備重新設(shè)計(jì)。

燃油系統(tǒng)未外設(shè)燃油泵，全部使用機(jī)帶泵。為保證燃油系統(tǒng)高效、保質(zhì)的運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)置了雙聯(lián)精濾器及回油冷卻器。根據(jù)規(guī)范要求，柴油機(jī)進(jìn)出口閥門應(yīng)在距離柴油機(jī)5 m以上的位置設(shè)置，以便有火情發(fā)生時(shí)隔離柴油機(jī)，但不影響其他柴油機(jī)運(yùn)行。

根據(jù)新發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)，設(shè)置了贓油及干凈油的回油管系。贓油是在柴油機(jī)出現(xiàn)某些故障時(shí)才會(huì)產(chǎn)生的，因平臺(tái)空間有限，無(wú)法設(shè)置贓油收集柜，故將贓油回油和燃油分油機(jī)的排渣管線合并，引流至污油收集柜。柴油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中以10.8 kg/h的速度泄放干凈燃油，為此，在機(jī)艙內(nèi)設(shè)置了干凈油收集柜，并設(shè)置一臺(tái)駁運(yùn)泵及高低位開(kāi)關(guān)將收集柜內(nèi)的燃油油駁至沉淀柜內(nèi)。

2 滑油系統(tǒng)

新發(fā)電機(jī)組使用濕式柴油機(jī)，將滑油加注至油底殼后，柴油機(jī)就可運(yùn)行。故將滑油柜設(shè)置在試油甲板，位置高于柴油機(jī)組油底殼，以便利用重力使滑油流入油底殼，注入管線設(shè)置濾器、流量計(jì)及閥門。

另外，為滑油系統(tǒng)設(shè)置了一套凈油系統(tǒng)。將滑油用滑油泵從某臺(tái)柴油機(jī)抽出，經(jīng)過(guò)加熱器及滑油分油機(jī)后再回到柴油機(jī)油底殼，延長(zhǎng)了滑油的使用壽命，節(jié)約成本。

3 發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)

平臺(tái)原冷卻系統(tǒng)采用海水直接冷卻，弊端就是海水對(duì)設(shè)備造成腐蝕較嚴(yán)重。新系統(tǒng)采用閉式淡水冷卻循環(huán)系統(tǒng)，利用海水冷卻淡水，淡水冷卻發(fā)電機(jī)組。

系統(tǒng)設(shè)置了2臺(tái)板式冷卻器、2臺(tái)預(yù)加熱單元，1個(gè)膨脹水柜及2臺(tái)外設(shè)的發(fā)電機(jī)冷卻循環(huán)泵。

3.1 柴油機(jī)的冷卻

柴油機(jī)冷卻分為高溫水、低溫水。柴油機(jī)在啟動(dòng)前，需利用預(yù)加熱單元將淡水循環(huán)、加溫至60 ℃，也就是常說(shuō)的暖缸。啟動(dòng)柴油機(jī)后，冷卻水也在機(jī)帶泵的驅(qū)動(dòng)下循環(huán)，高溫水的出口溫度為91 ℃，利用溫控閥，將高溫水和低溫水混合，形成75 ℃的冷卻水，再進(jìn)入高溫冷卻水的進(jìn)口，冷卻柴油機(jī)。

低溫水主要用來(lái)冷卻經(jīng)過(guò)渦輪增壓后的空氣，設(shè)備要求低溫水的進(jìn)口溫度為38 ℃。低溫冷卻水經(jīng)過(guò)板式冷卻器冷卻后，經(jīng)過(guò)溫控閥和部分回水混合成38 ℃的低溫冷卻水，再進(jìn)入柴油機(jī)。

3.2 發(fā)電機(jī)的冷卻

由于發(fā)電機(jī)無(wú)機(jī)帶泵可用，故外設(shè)2臺(tái)發(fā)電機(jī)冷卻循環(huán)泵，一用一備。從低溫水總管抽水來(lái)冷卻各個(gè)發(fā)電機(jī)、軸承，以及燃油冷卻器。之后，回水和柴油機(jī)低溫水回水匯合后，去冷卻板式冷卻器。

4 發(fā)電機(jī)組排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮背壓的計(jì)算，以避免背壓過(guò)高引起的排氣溫度過(guò)高、功率損失以及燃燒不充分等問(wèn)題。新柴油機(jī)排氣系統(tǒng)的背壓要求最大不超過(guò)3.0 kPa。排氣系統(tǒng)的背壓由消音器的背壓及管道的背壓2部分組成。

4.1 消音器背壓計(jì)算

消音器內(nèi)排氣流速計(jì)算公式為：

式中：v為排氣流速，m/s；V為柴油機(jī)在100%負(fù)荷時(shí)的排氣量，5.6 m3/s；T為柴油機(jī)在100%負(fù)荷時(shí)的排氣溫度，346 ℃；D為消音器的通徑，0.60 m。

經(jīng)計(jì)算：v= 35 m/s。

根據(jù)圖1消音器的特性曲線，得出消音器背壓為1 kPa。

圖1 消音器特性曲線

4.2 排氣管背壓計(jì)算

排氣管道背壓可以根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式[1]計(jì)算：

式中：P為排氣管道背壓，kPa；L為排氣管長(zhǎng)度(直管長(zhǎng)度和彎頭等效長(zhǎng)度之和),m；T為排氣溫度,346 ℃；Q為排氣量，1.66 m3/s；D為管道通徑，m。

每個(gè)彎頭等效長(zhǎng)度計(jì)算方法：90°短彎頭等效長(zhǎng)度=396×D/12 m；90°長(zhǎng)彎頭等效長(zhǎng)度=240×D/12 m；45°彎頭等效長(zhǎng)度=180×D/12 m。

排氣管長(zhǎng)度L計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)組排氣管長(zhǎng)度 m

經(jīng)計(jì)算得知：No.1柴油機(jī)P=0.19 kPa，加上消音器的背壓(1 kPa)后，總的背壓為：1.19 kPa<3.0 kPa。

No.2柴油機(jī)P=0.19 kPa，加上消音器的背壓(1 kPa)后，總的背壓為:1.19 kPa<3.0 kPa。

No.3柴油機(jī)P=0.19 kPa，加上消音器的背壓(1 kPa)后，總的背壓為：1.19 kPa<3.0 kPa。

根據(jù)計(jì)算，排氣管線的布置滿足設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。

5 啟動(dòng)空氣系統(tǒng)

啟動(dòng)空氣系統(tǒng)由2臺(tái)啟動(dòng)空壓機(jī)和2個(gè)1 m3啟動(dòng)空氣瓶組成。其中1臺(tái)空壓機(jī)為柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，1臺(tái)為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，柴油空壓機(jī)在平臺(tái)冷啟動(dòng)時(shí)使用。由于啟動(dòng)空氣瓶是由船東直接購(gòu)買的，規(guī)范要求儲(chǔ)氣量可以滿足3臺(tái)主機(jī)連續(xù)啟動(dòng)3次，需要計(jì)算確認(rèn)空氣瓶是否滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)發(fā)電機(jī)組要求，每啟動(dòng)1次需要1.8 Nm3空氣(1 Nm3為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,溫度為0 ℃,相對(duì)濕度為0%時(shí)，空氣的體積)，空氣壓力不小于1.5 MPa。

1.8 Nm3的質(zhì)量為：1.293 kg/Nm3×1.8 Nm3=2.327 4 kg；3臺(tái)主機(jī)連續(xù)啟動(dòng)3次的空氣量為20.945 kg。

空氣瓶為1 m3，壓力為3.0 MPa，空氣在壓力為3.0 MPa時(shí)密度約為29.228 kg/m3，故每個(gè)空氣瓶的儲(chǔ)氣量為29.228 kg。

空氣在1.5 MPa壓力下的密度為：17.537 kg/m3，故每個(gè)空氣瓶的剩余儲(chǔ)氣質(zhì)量為17.537 kg。

2個(gè)氣瓶用于啟動(dòng)柴油機(jī)的空氣量為：

(29.228-17.537)×2=23.382 kg>20.945 kg。

所以，2個(gè)1 m3的空氣瓶滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

管路系統(tǒng)合理的設(shè)計(jì)和布置既能夠方便用戶使用、維護(hù)，又能保障設(shè)備安全、可靠的運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備使用的壽命，提升發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性。

[1] 張麗芳，李志.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓設(shè)計(jì)計(jì)算[J].機(jī)電技術(shù)，2012(S1)：57-58.

Replacement of power generator sets is a common project in drilling platform.It's related to the pipeline systems with fuel system,lubricating system,cooling system,exhaust system and air-starting system.Through an example,some calculation and design concept commonly used are explained in replacement of power generator sets.It provides guidance for shipyard engineers'daily work.

drilling platform;replacement of generating sets;fuel system;lubricating system;cooling system;exhaust system;air-starting system

林豐財(cái)(1982-)，男，山西朔州人，大學(xué)本科，主要從事船舶及海洋平臺(tái)改裝技術(shù)工作。

P75

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.016

2016-07-26