海洋鉆井平臺柴油發電機組冷卻分析

華小濤， 吉正金， 吳萬里

（1.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124009，2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

柴油發電機組是自升式海洋平臺的核心部件，冷卻系統是柴油發電機組能夠正常工作的關鍵要素，冷卻系統的功用是保證發動機在正常的溫度下工作，把發動機工作時產生的熱量通過它散發出去，加以冷卻，減少NOx的排放［1］。不同的冷卻方式會產生不同的冷卻效果，良好的冷卻效果不僅能降低機組的故障率，而且能延長機組的服役壽命。作為自升式海洋鉆井平臺上配備的發電機組，由于受空間限制、惡劣的氣候條件影響，選擇合理高效的冷卻方式對于整個海洋平臺的可靠運轉至關重要。

1 柴發電機冷卻系統分類

柴油發電機組的冷卻系統主要由內部冷卻和外部冷卻構成。其中內部冷卻主要有獨立冷卻和組合冷卻兩種方式，外部冷卻主要有機帶風扇冷卻、海水板式換熱器冷卻和遠置散熱水箱冷卻三種方式。

1.1 柴油發電機組內部冷卻系統

柴油機內部的冷卻主要是對柴油、中冷水和缸套水進行冷卻，柴油和中冷水由于熱量少，一般稱之為低溫水；缸套水熱量較多，一般稱之為高溫水。根據冷卻形式主要分為獨立冷卻和組合冷卻兩種方式

1.1.1 獨立冷卻方式

獨立冷卻方式就是將高溫水和低溫水完全獨立，由單獨的冷卻系統完成，目前主流的鉆井平臺均采用此類冷卻方式，如JU2000系列平臺主機、L780系列主機、大連船廠自主設計制造的DSJ300-2/3/4/L1平臺主機，所有平臺的應急發電機組。具體原理見圖1。

1.1.2 組合冷卻方式

組合冷卻方式就是利用冷卻完柴油和中冷系統的水去冷卻缸套，使外部冷卻相對簡單，僅需要一個散熱器或板式熱交換即可完成。具體原理見圖2。目前使用這種冷卻方式的主要有CJ46系列平臺、大連船廠自主設計制造的DSJ300-1平臺。但是由于該冷卻方式冷卻不夠徹底，使NOx排放限值不能滿足2011年1月1日生效的MARPOL附則VI對柴油機NOx排放限值Tier II標準，故這種冷卻方式在海洋平臺配備的柴油機產品中已經使用越來越少。

1.2 柴油發電機組外部冷卻系統

針對柴油機不同的內部冷卻系統，外部采用不同的冷卻方式。目前的自升式海洋鉆井平臺外部冷卻系統主要有機帶風扇冷卻、海水板式換熱器冷卻和遠置散熱水箱冷卻三種方式。

1.2.1 機帶風扇冷卻

機帶風扇冷卻主要用于小功率的柴油機上，如自升式海洋鉆井平臺上使用的應急發電機組CAT3508B、CATC32、固井撬用柴油機CAT C15、吊機用柴油機CAT C18等。典型的原理如圖3，但是為了簡單可靠、減輕重量，可將兩部分的冷卻芯體集成在一個風冷散熱器中（圖4）［5］。

圖1

圖2

圖3

圖4

1.2.2 海水板式換熱器冷卻

單純使用海水板式換熱器冷卻的平臺主要有DSJ300-1/2/3/4/L1，CJ46等，主要使用鈦板海水熱交換器，其中DSJ300-1和CJ46建造較早，執行IMO的Tier I標準，僅使用一個鈦板海水熱交換器［3］，如圖1，但是由于DSJ300-2/3/4/L1均建造于2011年1月1日之后，必須滿足IMO的Tier II標準，廠家針對此標準進行了改進，增加板式換熱器數量，提高冷卻效果，降低排放，具體原理見圖5，另外在大船海工建造的DT3500-1半潛式海洋平臺也使用此散熱方式，其中缸套水和中冷水使用機帶板式換熱器，柴油系統集中用一個板式換熱器冷卻，再配置一個板式換熱器備用。

圖5

1.2.3 遠置散熱水箱冷卻

使用遠置散熱水箱冷卻的平臺主要有JU2000系列平臺，部分平臺利用廢熱造水，在管路中增加節溫器控制缸套水流向，具體原理見圖6和圖7。該系統能源利用效率高［2，6］，但是前期建造成本高，平臺重量增加多。

2 冷卻系統的優缺點分析

柴油發電機組的內部冷卻方式中的獨立冷卻方式冷卻效果好，采用獨立的冷卻介質，系統組成簡單，故障率較低，組合式冷卻集成性較高，冷卻效果差，內部設置多個節溫器，成本高，故障率高，隨著2011年1月1日后 IMO的 Tier II標準的執行，組合式冷卻不能滿足要求，已經被淘汰。

圖6

圖7

柴油發電機組的外部冷卻系統與內部冷卻系統是對應的，內部冷卻選用組合式冷卻，外部只需要一個板式換熱器和一個膨脹水箱即可以完成全部冷卻工作，重量輕，成本低；內部選用獨立冷卻外部可以選用風扇冷卻、海水板式換熱器冷卻和遠置散熱水箱冷卻三種方式。風扇冷卻的優點是重量輕、集成性高，缺點是機組必須安裝在通風良好位置；海水板式換熱器冷卻由3個板式換熱器、2個膨脹水箱完成，優點是重量輕、建造及調試都簡單、使用簡單、可靠性高、壽命長。缺點是閉封系統不方便廢熱利用，海水如果太臟的話可能要經常保養熱交換器；遠置散熱水箱冷卻的優點是可以將缸套水集中起來用于廢熱利用（如造水機），另外缸套使用散熱水箱冷卻保養簡單，缺點是建造復雜度高，調試難度大，控制及操作復雜，可靠性和壽命都不如海水板式換熱器冷卻，缸套水使用散熱水箱占地面積大、重量大、運行噪聲大。

3 冷卻系統的推薦選擇

根據前面的分析，由于IMO的Tier II標準的執行，內部冷卻只能選用獨立冷卻。由于海洋平臺的主機安裝在機艙內，而應急發電機安裝在平臺頂部，固井撬安裝在室外、吊機柴油機在頂部，通風良好，所以機帶風扇是應急發電機組、固井撬柴油機、吊機柴油機的最佳選擇。隨著反滲透造水機的發展，基本上不需要利用廢熱造水，所以海水板式換熱器冷卻對比遠置散熱水箱的優勢就特別明顯了，推薦海洋平臺主柴油發電機組選擇海水板式換熱器冷卻的方式。

4 結語

中國已是世界造船大國,海洋工程方興未艾。2006年5月31日,國內首座122m（400ft）水深平臺“海洋石油941”（JU-2000E船型）在大連船舶重工集團有限公司建成,交付中海油服使用。2007年9月3日,中國首座自行設計建造的齒輪齒條升降的自升式鉆井平臺“中油海5號”，在青島北海船舶重工有限公司竣工并交付使用。2011年8月30日大連船舶重工集團海洋工程有限公司為中國石油建造的DSJ300-1自升式鉆井平臺簽字交工，DSJ300-1自升式鉆井平臺是國際上DSJ300船型的首制船,是我們國內第一條具有完全知識產權的300ft自升式鉆井平臺。如今中國已擁有一套完整的與船舶海洋工程配套的教育、科研、生產與工業體系。隨著中國經濟發展對能源需求的提高及科技的不斷進步,可以相信在不遠的將來,中國必將在自升式平臺的設計、建造與市場占有率上居重要地位［4］。然而，柴油發電機組是自升式鉆井平臺的心臟，冷卻系統又是柴油機能夠良好運行的核心系統，因此能夠正確合理地選擇柴油發電機組的冷卻系統是自升式鉆井平臺能夠在同類型平臺中處于優勢地位的關鍵因素。

［1］ 杜榮銘.船舶柴油機［M］.大連：大連海事大學出版社,2001.

［2］ 詹宗勉.工程熱力學和傳熱學［M］.大連：大連海事大學出版社，1995.

［3］ 邱樹林,簽濱江.換熱器 原理·結構·設計［M］.上海：上海交通出版社，1990.

［4］ 陳宏,李春祥.自升式鉆井平臺的發展綜述［J］.中國海洋平臺，2007（6）：1-6.

［5］ 王乃鵬.Z12V190B型柴油機風扇自動控制裝置［J］.石油礦場機械，1993（3）.

［6］ BOJIC M.Optimization of heating and cooling of a building by employing refuse and renewableenergy,Renewableenergy.2004，20（4）：453-465.