某半潛式鉆井平臺制淡量不足原因分析

唐傳安 楊述闖 王 旭 李 斌 姜 會

（大連船舶重工集團設計研究院有限公司 大連116021）

引 言

某半潛式鉆井平臺，采用DP-3 動力定位設計，配置最大輸出功率為6 600 kW 的柴油發電機組6臺，布置在3 個機艙內，每個機艙2 臺。平臺配置廢熱式制淡裝置1 臺，利用柴油機的高溫冷卻水（缸套水）熱量進行淡水制造，其制淡量要求為，在平臺DP-3 動力定位工況下（每臺發電機運行在40%負荷左右），制淡量為64 t/d。該平臺在中國南海區作業時，制淡量可以達到設計指標， 而該平臺在冬季前往北方的工況下進行實際制淡時，發現制淡量僅為40 t/d，不滿足該平臺的作業用淡水量要求。

1 設計原理分析

本平臺的制淡系統管路原理圖如下頁圖1 所示。該系統利用柴油機廢熱進行制淡。由于DP-3［1］規范的要求，為防止在造水機故障（如泄漏）時造成2 個機艙的柴油發電機組同時失效，僅將1 號機艙的2 臺柴油機高溫冷卻水接入制淡裝置。制淡裝置利用高溫冷卻水中的熱量，將低壓下的海水加熱沸騰后冷凝并形成淡水。

高溫冷卻水中的可利用熱量對制淡量有著重要影響［2］。如果制淡裝置吸取熱量過多，會使柴油機缸套水進口溫度低，容易造成柴油機缸套發生低溫腐蝕；而如果高溫水中提供的熱量不足，則會造成制淡量不滿足設計要求。柴油機高溫冷卻水中的熱量主要來自于兩部分：一部分為由于缸套與周邊部件摩擦時產生的熱量，一部分為增壓器壓縮燃燒空氣時產生的熱量。

結合柴油機廠家資料和制淡裝置設備需求，總結出本平臺的制淡系統熱量轉換關系如表1 所示。

從表1 可知，該平臺的制淡系統可利用熱量為1 354 kW，而制淡裝置在額定造水量下的實際需求熱量為1 159 kW。可利用熱量大于實際需求量，故從能量轉換的角度分析，該系統設計沒有問題。

圖1 制淡系統管路原理圖

表1 制淡系統熱量轉換路徑（理論值）

2 現場試驗分析

經過現場觀測各個設備的運行參數，發現柴油機缸套冷卻水進出口溫度差，制淡裝置進出口溫度差均正常，但柴油機空冷器的高溫冷卻水進出口溫度異常，其溫度參數如表2 所示。

表2 柴油機空冷器缸套水數據

根據柴油機廠家數據（表1），正常情況下，每臺柴油機的空冷器應向高溫水中散發99 kW 熱量；而根據表2 的數據，其高溫水出口溫度卻低于進口溫度，即空冷器反而在吸收高溫水中的熱量。

根據如下公式［3］計算空冷器吸收的熱量，可知每臺柴油機空冷器吸收的熱量約為116 kW。

式中：K為熱交換量，kW；Q為冷卻水流量，根據柴油機廠家數據為100 m3/h；f為冷卻水密度，淡水一般取1 000 kg/m3；C為比熱，淡水一般取4.18 kJ/kg·℃；t1為換熱器冷卻水進口溫度，℃：t2為換熱器冷卻水出口溫度，℃。

結合現場觀測數據和分析計算可知，由于空冷器在柴油機運行階段吸收了高溫水的熱量，而不是按設計意圖向高溫水中散熱，導致制淡裝置可利用熱量減少。根據實測參數，更新制淡系統的熱量轉換關系如表3 所示。

表3 制淡系統熱量轉換路徑（實際值）

此時制淡裝置可利用熱量僅為965 kW，低于制淡裝置的實際熱量需求量1 159 kW，從而使制淡量明顯減少。按照制淡裝置廠家的計算，當可利用熱量為965 kW 時，制淡量約為43 t/d，與實際制淡量結果較吻合，證明了上述分析的正確性。

3 原因分析

由上文分析可知，找到空冷器從高溫冷卻水吸熱的原因是分析制淡量不足的關鍵，故有必要詳細分析空冷器工作原理。圖2 為該柴油機吸氣原理圖。

圖2 柴油機吸氣原理圖

區別于常規船舶柴油機的燃燒空氣從機艙吸氣，本平臺的燃燒空氣從露天環境下直接吸氣，經增壓器做功后，再經空冷器冷卻進入燃燒室用于燃油燃燒的氧氣供給。空冷器的作用是冷卻經增壓器做功后的高溫壓縮空氣［4］。

本鉆井平臺設計條件為在中國南海區域作業，正常情況下露天環境空氣溫度較高，經增壓器壓縮后，進入空冷器的燃燒空氣設計溫度為最低103℃，大于高溫冷卻水的設計溫度95℃，故正常情況下空冷器向高溫冷卻水系統散熱，散發的熱量可用于淡水制造。然而，本平臺由于租約變化，在冬季前往俄羅斯作業，其露天環境空氣溫度均在-5℃以下，導致進入空冷器的燃燒空氣溫度較低。經實測，空冷器壓縮空氣進口處溫度僅為65℃左右，低于實際高溫冷卻水溫度（見表2），故此時空冷器從高溫水中吸熱，從而使柴油機高溫水中的熱量減少，最終使制淡量下降。

可見，本平臺制淡量不足的根本原因在于柴油機從露天環境直接吸氣，而其可利用于制淡的熱量對外界環境溫度較為敏感。當作業區域變化導致外界環境溫度降低時，因空冷器由向高溫水系統中散熱變為從高溫水系統中吸熱，從而導致高溫水系統中的可用制淡熱量減少，淡水制造量也相應減少。

4 解決方案

由于作業區域環境溫度變化，導致的制淡熱量減少，可通過增加加熱器來補充熱量。結合表3 的數據，在本平臺的循環水系統中（制淡裝置前）增加一個200 kW 的蒸汽加熱器后，可利用熱量達到制淡裝置需求量，制淡量得以明顯上升，滿足了平臺的作業用水需求。

5 結 語

半潛平臺多采用柴油機增壓器室外直接吸氣的模式，對利用柴油機缸套水廢熱進行淡水制造的新建半潛平臺，則建議其空冷器不利用缸套水進行冷卻（柴油機廠家也確認可以按此進行設計，僅利用低溫冷卻水系統進行冷卻），這樣可有效避免因外界環境溫度變化而導致制淡裝置可利用熱量變化，最終使制淡量不穩定的風險。