JU2000E鉆井平臺(tái)主機(jī)冷卻系統(tǒng)分析與改進(jìn)

袁振，靳從升，孟慶樹

（中國(guó)石油海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津 300280）

0 引言

JU2000E鉆井平臺(tái)是由美國(guó)F&G公司設(shè)計(jì)的一種桁架式自升鉆井平臺(tái)，作業(yè)水深400 ft。是現(xiàn)在世界上主流的自升式鉆井平臺(tái)[1]。它采用6臺(tái)卡特彼勒3516CHD柴油發(fā)電機(jī)組為整個(gè)平臺(tái)提供動(dòng)力生活用電。華小濤等[2]對(duì)JU2000E的主機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了分析，更多的是從安裝調(diào)試者的角度。本文從使用者的角度進(jìn)行了闡述。

1 JU2000E平臺(tái)主機(jī)冷卻系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)以及存在問(wèn)題

1.1 主機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)采用風(fēng)冷與海水冷卻結(jié)合的方式。采用5臺(tái)CAT散熱風(fēng)扇對(duì)柴油機(jī)缸套水進(jìn)行冷卻。5臺(tái)散熱風(fēng)扇4用1備，散熱能力1020 kW, 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)42.6 kW，頂吹式，布置在艉部左舷主甲板散熱器平臺(tái)上。在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)每臺(tái)發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)缸套水的散熱量為612 kW，正常工況下發(fā)電機(jī)組5用1備，即使6臺(tái)發(fā)電機(jī)組全部運(yùn)行柴油機(jī)所散發(fā)的熱量為612×6=3672 kW，小于4臺(tái)散熱器的散熱量1020×4=4080 kW。能保證缸套水在出水溫度92 ℃的情況下經(jīng)冷卻的回水溫度85 ℃。在正常工況下，4臺(tái)散熱風(fēng)扇的散熱能力完全能滿足發(fā)電機(jī)組全部運(yùn)行的散熱需要。

采用2臺(tái)SONDEX鈦合金板式冷卻器作為中央冷卻器對(duì)發(fā)電機(jī)組的后冷水進(jìn)行冷卻。2臺(tái)鈦合金板式冷卻器1用1備，用海水作為冷卻用水，海水來(lái)自海水環(huán)管。板式冷卻器由210塊鈦合金板組成，由中間隔板分為2部分，其中152塊作為發(fā)電機(jī)組后冷水冷卻器，散熱能力2450 kW。另外58塊為空壓機(jī)冷卻器、主發(fā)電機(jī)組燃油冷卻器及變頻器提供冷卻液。在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)每臺(tái)柴油機(jī)后冷水的散熱量為442 kW，正常工況下發(fā)電機(jī)組5用1備，散熱量5×442=2210 kW小于板式散熱器2450 kW的散熱量，能保證后冷水的溫度在40 ℃以下。

采用2臺(tái)板式冷卻器對(duì)柴油機(jī)回油進(jìn)行冷卻，正常工況下2臺(tái)板式冷卻器一用一備。

由此可見，在JU2000E平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，主發(fā)電機(jī)組的冷卻分3個(gè)部分：缸套水采用布置在平臺(tái)主甲板左艉的五臺(tái)散熱風(fēng)扇冷卻，4用1備。后冷水采用2臺(tái)海水冷卻的板式散熱器進(jìn)行冷卻，1用1備。燃油冷卻依靠另外2臺(tái)板式散熱器進(jìn)行冷卻。

1.2 實(shí)際使用過(guò)程中存在的問(wèn)題

從上述介紹中我們可以了解，主發(fā)電機(jī)組的冷卻較為復(fù)雜，且布置較為分散。在實(shí)際使用過(guò)程中存在如下問(wèn)題：

1）缸套水的散熱風(fēng)扇位于平臺(tái)主甲板左艉，露天放置，很容易受到從懸臂梁、井架掉落物體的打擊而受損。且個(gè)別散熱風(fēng)扇所處位置，處于平臺(tái)3臺(tái)甲板吊機(jī)的盲區(qū)，一旦受損吊裝維修更換都比較困難。只能移動(dòng)懸臂梁到合適位置，利用懸臂梁甲板上安裝的折臂吊進(jìn)行吊裝。在正常作業(yè)狀態(tài)，懸臂梁是禁止移動(dòng)的。

2）缸套水散熱風(fēng)扇散熱效率低、噪聲大，當(dāng)多臺(tái)散熱風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，嚴(yán)重影響在平臺(tái)主甲板及懸臂梁甲板工作的員工，帶來(lái)安全隱患。

3）冷卻系統(tǒng)主管線較長(zhǎng)，且管徑粗。整個(gè)冷卻系統(tǒng)管線大概需要15 m3冷卻液（缸套水11 m3，后冷水4 m3）。加注及更換成本較高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

4）冷卻系統(tǒng)主管線閥門及其他附件較多，當(dāng)閥門或者管路附件出現(xiàn)問(wèn)題需要更換時(shí)。需要將冷卻液放掉，并且在更換過(guò)程中，整個(gè)發(fā)電機(jī)組禁止啟動(dòng)。

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，主機(jī)冷卻系統(tǒng)的主要問(wèn)題是將所有發(fā)電機(jī)組的冷卻水管線并聯(lián)為一路，管線粗且長(zhǎng)，冷卻液加注量大，難以全部更換，更換冷卻液費(fèi)時(shí)費(fèi)力成本較高。更為重要的是，當(dāng)某臺(tái)發(fā)電機(jī)組或者散熱風(fēng)扇的冷卻液隔斷閥出現(xiàn)問(wèn)題，在任一發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下就無(wú)法將這臺(tái)柴油機(jī)或者散熱風(fēng)扇隔離，就不能對(duì)這臺(tái)柴油機(jī)或者散熱風(fēng)扇進(jìn)行檢修。由于隔斷閥及管系的介質(zhì)為冷卻液，溫度高，需要承受頻繁的熱脹冷縮，管線法蘭盤密封墊片及閥門很容易出現(xiàn)問(wèn)題。這也是在日常工作中遇到的很棘手的問(wèn)題。而要更換出現(xiàn)問(wèn)題的隔斷閥，唯一的辦法就是將整個(gè)系統(tǒng)的冷卻液放出，更換完畢后，再重新加裝冷卻液。在此過(guò)程中，整個(gè)發(fā)電機(jī)組都無(wú)法使用。

2 改進(jìn)設(shè)想

2.1 冷卻器選型

上述問(wèn)題出現(xiàn)的原因主要是，風(fēng)冷效率低，且噪聲大，發(fā)電機(jī)組共用1套冷卻系統(tǒng)。我們給每臺(tái)發(fā)電機(jī)組都配備單獨(dú)的海水冷卻器就可以解決這一問(wèn)題。在3516C的零件手冊(cè)中選擇如圖1所示的板式冷卻器[3]。

從圖1可以看出，這是一個(gè)板式冷卻器，體積小、安裝方便，安裝于膨脹水箱下部。這一個(gè)板式冷卻器就可以滿足整臺(tái)發(fā)電機(jī)組缸套水、后冷水及燃油回油的冷卻。跟原來(lái)的冷卻系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖1 板式冷卻器安裝效果

1）采用海水冷卻的板式冷卻器，冷卻效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，1個(gè)冷卻器就可以滿足整臺(tái)發(fā)電機(jī)組的冷卻。且板式冷卻器內(nèi)部為鈦板，耐海水腐蝕。

2）冷卻器體積小，安裝拆卸方便，固定只需要4個(gè)螺栓。且海水冷卻安靜無(wú)噪聲。

3）整個(gè)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，冷卻液容量少，加滿整個(gè)系統(tǒng)大概只需要400 L冷卻液，更換冷卻液方便簡(jiǎn)單。

4）整個(gè)冷卻系統(tǒng)無(wú)額外閥門壓力表等附件，不用擔(dān)心由于這些附件損壞引起的系統(tǒng)失效。且由于每臺(tái)機(jī)組都是單獨(dú)的冷卻系統(tǒng)，即使出現(xiàn)問(wèn)題，完全可以將出現(xiàn)問(wèn)題的機(jī)組停用進(jìn)行維修，而不影響其他機(jī)組的正常使用。

5）3516CHD發(fā)電機(jī)組滿足IMO相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 冷卻器所需的海水流量計(jì)算

板式冷卻器所需的海水可以由發(fā)電機(jī)間尾部的海水環(huán)管處引出至每臺(tái)發(fā)電機(jī)組，左舷側(cè)發(fā)電機(jī)組冷卻海水泄放可以引至左艉造水機(jī)間海水泄放口處泄放，右舷側(cè)發(fā)電機(jī)組冷卻海水可以引至右艉機(jī)械間處海水泄放口泄放。所有其他的缸套水管線，后冷水管線都可以取消。根據(jù)技術(shù)手冊(cè)要求每臺(tái)板式冷卻器額定海水流量為80 m3/h，最大負(fù)載工況下柴油發(fā)電機(jī)組5用1備，即需要400 m3/h的海水流量[3]。

原發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)海水流量見表1，從表1可得中央冷卻器的海水流量加上用于蒸發(fā)式造水機(jī)的海水流量能夠滿足新增加的發(fā)電機(jī)組獨(dú)立冷卻器的海水流量，而不需要系統(tǒng)額外增加海水供給。

表1 原發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)海水流量m3/h

經(jīng)過(guò)每臺(tái)發(fā)電機(jī)組新增海水冷卻的板式冷卻器，海水管線相應(yīng)的改造，通過(guò)計(jì)算證明系統(tǒng)不需要額外增加海水供給量即可使整個(gè)主機(jī)冷卻系統(tǒng)由原來(lái)的風(fēng)冷加水冷的冷卻方式，改為純水冷。這樣改造，不僅可以消除上文中提到的原有系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在的各種問(wèn)題。在設(shè)備數(shù)量方面，通過(guò)新增6臺(tái)體積小巧的板式冷卻器即可減少5臺(tái)大型的散熱風(fēng)扇、2臺(tái)回油冷卻器，還可以使原來(lái)冷卻后冷水及空壓機(jī)和VFD的中央冷卻器體積質(zhì)量大幅減小，只用來(lái)冷卻空壓機(jī)和VFD。減輕了船體質(zhì)量，節(jié)省了大量的空間，船尾安裝散熱風(fēng)扇的位置可以空出來(lái)專門用于物品存放。在管線數(shù)量方面，減少原來(lái)柴油機(jī)連接造水機(jī)和散熱風(fēng)扇，以及柴油機(jī)連接中央冷卻器的大量冷卻液管線，只需要增加少量海水冷卻管線，節(jié)省了大量管線及閥門，減輕船體質(zhì)量，減輕了以后管線的維護(hù)成本。

2.3 蒸發(fā)式造水機(jī)的改造

原有的設(shè)計(jì)中發(fā)電機(jī)組的缸套水系統(tǒng)與2臺(tái)蒸發(fā)式造水機(jī)相通，可以利用缸套水的熱量為蒸發(fā)式造水機(jī)提供熱量來(lái)源，經(jīng)過(guò)上述改造，每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的缸套水管線相互獨(dú)立，且都不與造水機(jī)相通，所以將蒸發(fā)式造水機(jī)更換為現(xiàn)在更為普遍使用的反滲透膜造水機(jī)。反滲透膜造水機(jī)比蒸發(fā)式造水機(jī)更為先進(jìn)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊，相同造水量的反滲透膜造水機(jī)體積大概只有蒸發(fā)式造水機(jī)的一半（如圖2）。

圖2 蒸發(fā)式造水機(jī)與反滲透造水機(jī)對(duì)比

2）獨(dú)立性好、安裝簡(jiǎn)單，只需平臺(tái)提供海水進(jìn)口管線和淡水出口管線即可安裝運(yùn)轉(zhuǎn)，所需海水量小于10 m3/h，而蒸發(fā)式造水機(jī)需要與平臺(tái)缸套水管線相連，需要多路海水管線用于其噴射、蒸發(fā)、冷卻的需要，管線連接復(fù)雜，需要海水量大于100 m3/h。

3）操作簡(jiǎn)單，通過(guò)觸摸屏一間啟動(dòng)停止，維護(hù)保養(yǎng)比較容易。通過(guò)觸摸屏一鍵清洗反滲透膜，更換反滲透膜也比較方便。蒸發(fā)式造水機(jī)啟動(dòng)停止步驟比較繁瑣，且需要一定經(jīng)驗(yàn)。其核心部件，冷凝器與蒸發(fā)器容易結(jié)垢堵塞，清理困難。

4）運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)安靜，最大的噪聲來(lái)自高壓柱塞泵的運(yùn)轉(zhuǎn)。蒸發(fā)式造水機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲較大，且由于其在真空下蒸發(fā)，管線設(shè)備振動(dòng)較大。

5）耗能較小，最大的能耗來(lái)源于高壓柱塞泵，不過(guò)十幾千瓦。而蒸發(fā)式造水機(jī)能耗巨大，受柴油機(jī)負(fù)荷影響較大，只有當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷夠大時(shí)造水機(jī)才能達(dá)到額定產(chǎn)水量。當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷不夠時(shí)需要啟動(dòng)電加熱加熱缸套水，電加熱器功率在幾百千瓦，耗能巨大。

6）反滲透造水機(jī)所需耗材為PP棉濾芯，正常情況十幾天更換一次。反滲透膜1～2 a更換一次。蒸發(fā)式造水機(jī)理論上不需要耗材，但是為了防止蒸發(fā)器與冷凝器結(jié)垢，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要添加防垢劑，進(jìn)口防垢劑價(jià)格昂貴。

3 結(jié)論

本文從使用者的角度對(duì)JU2000E型發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了分析，闡述了JU2000E型平臺(tái)主機(jī)冷卻系統(tǒng)在使用過(guò)程中的種種不合理之處，提出了改進(jìn)措施，計(jì)算了在不增加海水流量的情況下改為獨(dú)立板式冷卻器的可行性，將使用缸套水加熱的蒸發(fā)式造水機(jī)改為反滲透造水機(jī)，減少了設(shè)備數(shù)量，使得原來(lái)復(fù)雜繁瑣的冷卻管線簡(jiǎn)單易維護(hù)，提高了效率，更減輕了船體質(zhì)量，節(jié)約了大量空間。冷卻系統(tǒng)的改造從圖樣審批到實(shí)際改造施工都是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程。本文從使用者的角度提出一些拙見，希望對(duì)以后的平臺(tái)設(shè)計(jì)有所幫助。