海洋石油平臺海水提升泵能量回收可行性研究

熊鑫晨，張圓圓

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

1 海洋石油平臺

海洋石油平臺按照結構分可以分為自升式平臺、半潛式平臺和固定式平臺；按照功能分，可以分為海洋鉆井平臺和海洋采油平臺。

海洋鉆井平臺主要是用于鉆探井的海上結構物，平臺上裝鉆井、動力、通信、導航等設備，以及安全救生和人員生活設施，是海上油氣勘探開發不可或缺的設施。

海洋采油平臺主要是用來開采油氣和對油氣進行初步處理的海上結構物，平臺上裝有采油生產井、油氣處理設備和生活設施等。開采后經過初步處理的石油和天然氣，通過輸油管道輸送至陸地處理終端或FPSO（Floating Production Storage and Offloading，浮式生產、存儲、卸載平臺）裝置。

2 平臺海水系統

2.1 系統概述

海水系統是平臺生產、消防的重要組成部分，為平臺海水掃線、修井作業、消防噴淋、污水處理等提供保障。系統主要由2臺海水提升泵和1 套自動反沖洗裝置組成。海水提升泵為多級離心泵，為防止海水腐蝕泵體，泵體均安裝了電解銅鋁裝置。

海水自海水提升泵提升到平臺，經過自動反沖洗過濾器，通過壓差計進行控制，當過濾器兩端的壓力差值大于60 kPa 時自動啟動過濾器進行反沖洗。過濾后的海水經過分配管線分配到以下用戶：鉆井機、污水處理裝置、造淡機、公用站、消防管網、生活樓。另外，為了保護海水管路，在海水提升泵出口管線安裝由壓力控制閥，其設點為750 kPa，可維持海水管線壓力不超過750 kPa。

2.2 海水泵的結構

海水提升泵由離心式葉輪和空間導葉的導殼組成，是多級離心泵。泵由止回閥（可泄漏型）、進水端、聯軸器、泵軸、密封環、級向套等組成。由于護管直徑大，泵帶有溪水冷卻罩，下端有濾網，可以阻擋大顆粒進入泵中。

2.3 潛水電機的組成

潛水電機由定子、轉子、上下導軸承、止推軸承組成。電機是充水式電機，內腔充滿防凍潤滑液，由調節囊來平衡電機內外壓力。電機軸端有機械密封，防護等級為IP68。

3 海水泵現狀

海洋石油平臺均設有海水泵用以滿足日常海水需要。除此之外，一些較大的平臺還設有專門的電動消防泵用以應對火災等突發狀況，FPSO 上除了有電動消防泵還設置有專門的柴油消防泵（圖1）。另外，某些平臺在設計時考慮到場地規模、建造成本和平臺大小等因素，并未配備專門的電動消防泵，只設計配備2 臺海水泵（一用一備），用于滿足日常需要和應急需求，而這種兼具應急消防功能的海水泵一般需要長期保持在運行狀態。

圖1 某平臺海水管線示意

海水泵的主要用戶包括廁所用水、鉆修井泥漿池用水和海管清掃等，除鉆修井作業和停產掃線等大型作業外，日常的海水用量較小，大部分通過排海管線重新排回海里。

4 水力渦流發電機原理

水力渦流發電機（水輪機）的原理是水流經過水輪機時帶動扇葉旋轉，將水的動能轉換為扇葉的機械能，扇葉帶動通過主軸連接的發電機轉子一起旋轉。在轉子靜止時采用一定方法通入直流電進行勵磁，在轉子繞組軸線上（即直軸方向）產生空間不動幅值恒定的磁場，就是轉子磁場。當水輪機拖動轉子旋轉時，轉子磁場隨著轉子一起旋轉，就得到一個旋轉磁場。磁場在旋轉時與定子繞組形成相對運動，旋轉磁場磁力線切割定子繞組，在定子繞組上產生感應電動勢（電磁感應原理），通過引線引出就得到了交流電（圖2、圖3）。

圖2 水輪機葉輪結構示意

圖3 水輪機工作示意

水電站的水力渦流發電機利用水位的落差形成勢能，將其轉換為電能?？梢栽诤Ｋ玫呐藕９芫€上安裝水力渦流發電機，用被排掉的海水作為動力源發電，實現海水泵能量的有效回收。

5 能量回收計算

以某平臺為例，海水泵電機的額定功率為100 kW，泵的排量為160 m3/h，經過現場測量，當海水管線和消防環網均充滿海水且基本無其他海水用戶的情況下，排海管管線實測排量約160 m3/h，排海管壓力約5～7 bar（0.5～0.7 MPa）。

由水能出力公式N=9.81×η×Q×H 可知，其基本參數包括：①工作水頭H，單位為m，指單位重量的液體所具有的機械能；②流量Q，單位為m3/s，指單位時間內流經封閉管道或明渠有效截面的流體量，又稱瞬時流量；③水能機輸出功率N，單位為kW，以勢能、壓能和動能等形式存在于水體中的能量資源通過水能機轉化為電能；④效率η（0.7～0.95），指水能機的轉化效率，用水能機的輸出功率N 除以水能機的輸入功率即可得到轉化效率。

根據液柱壓強公式P=ρ×g×h，ρ 為液體密度、g 為重力加速度、h 為液柱高度，可以由排海管口壓力推算液柱高度h，近似等于水能出力公式中的水頭H。

取海水密度為1.02～1.07 kg/m3，壓強為5～7 bar（0.5～0.7 MPa），重力加速度g 取9.8 m/s，計算得出液柱高度h≈50～70 m。

將數據代入水能出力公式N=9.81×η×Q×H，保守取η 值為最小值0.7，流量Q 換算為0.044 4 m3/s；當H=50 m 時，N=54.936 kW；當H=70 m 時，N=76.910 kW。

綜上所述，考慮到時效等其他因素影響，使用水力渦流發電機回收海水泵能量保守估計最少可達50 kW/h。

6 回收電能用于照明系統可行性評估

6.1 燈具規模

照明燈具普遍采用36 W 雙燈管燈具，考慮線路附加損耗，一盞照明燈具功率估算為80 W。保守估算50 kW 的電能可供約超過600 盞照明燈具使用，再考慮到平臺規模大小，回收電能足夠照明系統使用。

6.2 整流器

考慮海水排海管流量波動和消防應急使用海水等情況會影響水力渦流發電機的工況和運行時率，可以在水力渦流發電機輸出端接入整流器，將回收的電能由諧波較大的交流電轉化為恒穩直流。

6.3 電池組和逆變器

整流得到的恒穩直流通過直流母線和電池組相連，需要時通過逆變器將恒穩直流逆變為交流電，這樣“干凈”的交流電基本沒有諧波，電源波形和質量都非常高。逆變器的輸出端再通過空氣斷路器接入照明系統控制柜實現供電。

6.4 靜態開關

當海水泵出現故障或消防系統需要用海水時，排海管的排海量勢必減少，導致水力渦流發電機無法正常工作，此時照明系統通過電池組供電。若水力渦流發電機長時間無法恢復時，可以通過在照明系統控制柜輸入端并聯的靜態開關切換電源，靜態開關的上端接入市電220 V（圖4）。靜態開關切換速度快，可達到毫秒級別，可以輕松實現電源的切換。

圖4 系統示意

7 結論及評價

7.1 結論

本文介紹了海上平臺海水泵的現狀，并計劃在排海管線處安裝水力渦流發電機，在保證海水泵的日常使用和滿足應急消防功能的前提下，通過水力渦輪發電機可以最大程度地回收海水泵能量。方案中涉及到的改造和新增設備工作量都不大、工期較短，施工期間不會對平臺正常運行產生影響。

7.2 安全效應

從安全效應的角度出發，此項改造項目也大有裨益。改造后的照明系統在平臺完全失電的情況下還可以保證長時間的照明（照明時間由電池組容量決定），有利于現場作業人員及時恢復平臺各項電力設備和生產設備，解決了以往平臺失電后應急用照明燈只能依賴燈具自身電池供電的情況。

7.3 環境效應

按照24 h 全天候水力渦流發電機運行的最理想情況，回收的電能最低可達每天1200 kW·h。行業自發電折標煤系數取1.229（每萬千瓦時），經計算可知全年可節約的電量折算為天然氣213 600 m3或77.83 t 標準煤，不僅可以帶來可觀的經濟收益，同時還具有節能減排的良好示范效應。