基于沙特海洋環境的船舶適應性改造設計研究

黃海濱， 李文博， 柳宇， 李少飛

（海洋石油工程股份有限公司，天津300461）

0 引 言

隨著國家“一帶一路”經濟策略的深入推進及陸地石油資源的逐漸匱乏，越發凸顯海洋能源的重要性。越來越多的企業“走出去”并前往中東海域開發海洋石油項目，海洋環境中高溫條件是最為活躍和最重要的影響因素。現以國內某大型海洋工程吊裝船舶為研究樣本模型，由于其船舶設備不能滿足沙特當地的高溫環境，需要進行適應性改造。主要改造的設備是柴油機冷卻系統、液壓系統、駕駛室空調系統、中央空調機通風系統等內容。我公司作為國內主要的海洋石油工程公司，是集工程設計、陸地建造、海上運輸安裝調試、維修為一體的工程總承包企業。工程船舶是公司的重要資源，直接影響公司的經營和業務水平。基于項目實施地點沙特海域的高溫環境條件，需要對船舶裝備進行適應性改造。

1 沙特海域海洋環境與氣象參數

沙特海域每年11月至來年3月是夏馬風盛行季節，2月最頻繁，最大風速40～50 km/h，陣風100 km/h，百年一遇的最大風速為26.35 ～21.60 m/s，見圖1。

圖1 沙特海域風向圖

波斯灣開放水域夏天海水最高溫度達到35.5℃，由于阿拉伯灣的鹽度高，海水溫度隨海水深度變化較小，水深10 m 時夏季水溫高達32 ℃，見圖2。

圖2 沙特海水溫度圖

2 船舶裝備適應沙特高溫環境條件下的改造設計基礎

根據船舶設備技術規格書及現場實際調研，目前藍疆船上主要輪機設備：主發電機、錨機、推進器、制冷裝置、空壓機等均為淡水冷卻，能接受的最高淡水溫度為32 ℃。由于作業海域最高氣溫高達48.2 ℃，年平均最高氣溫達到46 ℃，海水溫度達35.5 ℃，均超過了船舶的設計極限值。這些數值為裝備改造奠定數據計算基礎，見表1。

表1 沙特海域環境設計數值

3 船舶裝備適應性改造技術設計方案分析

為滿足沙特海域作業需要，保證船上主機、泵、錨機、配電柜等機電設備正常運轉，船員住艙環境舒適，必須對船舶海水、淡水冷卻系統，生活區和各配電間空調系統，主機艙、泵房通風系統進行改造。

3.1 海水、淡水冷卻系統改造設計

船舶現有主機、生活、輔助冷卻系統冷卻量不足，冷卻效果差。原生活、輔助淡水冷卻系統設計為2臺，一用一備。根據現場調研，目前均需2臺泵同時運行方可滿足設備的正常運轉。據現場工作人員反映，目前需啟動兩臺泵的原因有：板式換熱器清洗頻率高，致使換熱片變形，換熱效率逐漸降低，影響了淡水冷卻的溫度。因泵房室溫度過高，致使電動機溫度高，負載過大，降低了泵的效率，即淡水冷卻量減少。解決上述兩問題的方法是更換換熱片。為檢修方便，在板式換熱器壓緊板上開檢修口，方便清理海生物。加大泵房的送風口，并在送風管的適當位置安裝冷卻盤管；此外還增加一臺抽風機。建議給輔助、生活淡水系統配置一臺新的泵作備用。因主機冷卻系統、輔助冷卻系統、生活冷卻系統的淡水出口溫度比較高（43～57℃），該溫度的淡水與32 ℃的海水經板式熱交換器熱交換后才能得到各系統需要的32 ℃淡水。現作業區域海水溫度為35.5 ℃，即比設計海水溫度32 ℃高出3.5 ℃，則淡水與海水熱交換后相應也升高3.5 ℃，即板式熱交換器的淡水出口溫度為35.5 ℃，不能滿足各設備能接受的最高淡水溫度32 ℃要求。因主機系統需要的冷卻水量為437 m3/h，輔助系統需要的冷卻水量為741 m3/h；生活系統需要的冷卻水量為320 m3/h，各系統需要的冷卻水量比較大，溫升3.5 ℃比較高（對換熱器而言），加換熱片不能解決因海水溫度升高而影響各系統的進水溫度（32 ℃）要求，且現場沒有足夠空間增加換熱片。

設計方案為：增加2套能滿足35.5 ℃海水冷卻的冷水機組，與原系統的板式熱交換器串聯，在沙特區域或炎熱地區施工時啟動冷水機組，此時，冷水機組內經海水冷卻的制冷劑將淡水溫度降至32 ℃左右，以滿足進入設備的冷卻水溫度要求。在國內或滿足原設計條件區域內作業時關停冷水機組即可。經現場調研，藍疆船主機淡水系統和生活淡水系統需經常使用，輔助系統在推進器或錨機使用時需要的淡水量最大，則增加的冷水機組需滿足以下2種工況：1）主機淡水系統（437 m3/h）+輔助淡水系統（741 m3/h）；2）主機淡水系統（437 m3/h）+生活淡水系統（320 m3/h）。即最大冷卻水量為1178 m3/h，則增加的2套冷水機組需要將1178 m3/h的淡水從35.5 ℃冷卻到32 ℃，經計算，冷卻1178 m3/h的淡水需要的制冷量約5200 kW，即每臺冷水機組制冷量為2600 kW，設備尺寸為4500 mm×4000 mm×3000 mm。方案將新增的2套冷水機組安裝在鋪管作業線操作室頂部，見圖3。

增加2套冷水機組后，因海水量比較大，需增加2 臺約800 m3/h的海水泵。經現場調研，并從現有海底門及海水管線考慮，建議將新增加的2臺海水泵安裝在壓載泵艙，海水接至原有壓載海水總管線即可。

3.2 主機艙、泵艙通風系統改造設計

機艙、泵艙均沒有抽風機，導致機艙、泵艙等艙室溫度過高，各運轉電動機溫升異常升高，設計主機艙增加一臺100 000 m3/h風量，直徑φ1400 mm的抽風機；泵艙增加一臺40 000 m3/h風量，直徑φ1000 mm的抽風機。在主甲板上增加一個尺寸為3.1 m×3.1 m×3.8 m的風機房，風機房三面有開口，安裝百葉窗。在主機房增加結構風道，結構風道采用鋼板。另外，泵艙、輔機艙風口尺寸均偏小，設計加大泵艙、輔機艙送風口。將主機艙的蒸汽加熱器更換成加熱和制冷兩用的盤管，同樣在泵艙及液壓動力站送風管路的適當位置安裝主機艙加熱和制冷兩用的盤管。目前低壓配電間空調使用效果能滿足要求，而高壓配電間局部比較熱，影響設備正常運行。設計在高壓配電間增加一臺制冷量約25 kW。淡水冷卻的柜式空調。同時因柜式空調為淡水冷卻，所以需解決船在沙特作業時的淡水溫度問題，在吊機工作時，吊機電氣間比較熱。將圖3標示位置的移動設備移開，在此處增加一臺制冷量約25 kW的風冷分體空調（駕駛臺頂部隔熱效果差、內部溫度較高，影響設備正常運行）。據現場工作人員反映，五樓頂部的外露甲板處隔熱效果差，導致在外露甲板下的住艙也比較熱。設計更換或加厚駕駛臺頂部和五樓頂部的外露甲板下的保溫棉。根據現場調研，輔吊機機房溫度過高，內部設備無法正常運行。目前輔吊機機房內已有一臺5 kW的空調，但機房上部（配電設備）溫度仍比較高，設計在輔吊機機房內再增加一臺制冷量約8 kW的風冷分體空調。在工作錨機和推進器使用時，其配電間溫度較高，影響設備正常運行。建議在各配電間增加一臺制冷量約25 kW、淡水冷卻的柜式空調，共6臺。

圖3 冷卻水改造增加冷凝機組位置

3.3 央空調系統改造

近兩年中央空調器內蒸發器已臟堵，致使其冷量和風量均達不到要求。且在現場還發現中央空調系統的其他幾個問題：中央空調器蒸發器處的檢修門因空調內負壓過大，已發生變形；2號壓縮機組的壓縮機制冷劑吸入口發生結冰現象；中央空調膨脹閥運行不穩定；3號壓縮機組壓縮機有泄漏，另兩臺需經常加制冷劑；中央空調器內無備用風機。為保證藍疆號在沙特施工時能達到比較好的制冷效果，設計方案為：1）更換蒸發器；2）更換檢修門；3）對中央空調的制冷系統進行全面檢修、試壓，防止發生泄漏、結冰現象；4）備用一臺風機電動機。為適應沙特區域環境條件所需改造，原中央空調的風量是足夠的，為滿足沙特區域施工要求，需增加制冷量。從節能、設備利用率、現場空間及施工量考慮，在新風入口處增加一臺海水冷卻的新風處理空調，降低進入原中央空調的新風溫度和濕度。即在沙特區域或炎熱地區施工時啟動新風處理空調，在國內或滿足原設計條件區域內作業時則只需啟動原中央空調即可，見圖4。但若按大氣環境最惡劣條件（48 ℃，95%濕度）計算，新風處理空調制冷量需1200 kW。經與空調廠家聯系，制冷量為1200 kW的新風處理空調，其電功率約為400 kW。考慮實際制作1200 kW制冷量的可行性及具體位置和尺寸，需將新風處理空調分成兩臺，每臺制冷量為600 kW，設備尺寸約5000 mm×2300 mm×2000 mm，電功率約200 kW。經現場調研，在該新風道頂部沒有多余的空間放置兩臺5000 mm×2300 mm×2000 mm新風處理空調，生活區中央空調室外設計條件按45 ℃，90%計算，此時，新風處理機組的制冷量為630 kW，空調器大小為5000 mm×2300 mm×2000 mm。

圖4 中央空調改造布置

因該新風空調為海水冷卻，相應海水管線及其閥門附件需接入該新風空調。同時原中央空調為淡水冷卻，所以需解決船舶在沙特作業時的淡水溫度問題。冰機系統設備本身能力是足夠的，但因以下零件問題影響冰機使用效果：1）高溫庫冰機一臺壓縮機排氣閥溫度過高，另一臺壓縮機溫度探頭有問題；2）奶庫的制冷劑管線太薄，膨脹閥結冰，致使奶庫不能使用。另外，因冰機設備為淡水冷卻，能接受的淡水溫度為32 ℃，需要使用外加冷卻系統。

4 結 語

經過現場調研和對船舶設備現狀進行功能性檢查，有針對性地對船舶裝備進行改造設計，極大地提升了工程船舶抵達沙特海域之后的操作能力，也為后續工程船舶海外作業施工提供了參考依據。